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 Kazusa DNA Research Institute 見學報告

莊 榮 輝

KDRI 鳥瞰圖 (來源：Kazusa Akademia Park)

2001 年 10 月 8 日至 13 日，在林榮耀院士的率領下，台灣南北數所大學的相關教師七人，赴日本東京參訪『基因體』研究機構。主要參觀對象為 東京大學醫學研究部、理學研究所 Riken、Kazusa DNA 研究所 等，令人印象深刻。 以下就千葉縣 Kazusa 研究所做一簡介，並敘參訪心得。 

千葉縣獨立支持的 DNA 研究中心：

Kazusa DNA Research Institute (KDRI) 是一個相當獨特的研究單位，不像其他日本研究機構，KDRI 是完全由 千葉縣 地方政府支持的。 另一項特點是，他是單獨以 DNA 為研究對象，沒有其他旁的目標。

KDRI 是在 1991 擬議完成，1994 年開所，馬上於 1996 年完成 3.6 Mb 的 藍綠細菌 基因體定序，並且在 2000 年與國際幾個重要單位合作，共同完成 阿拉伯芥 的整體基因序列。其成就可謂不凡，同時也相當快速。

所長大石道夫的強勢領導：

在一篇由 Olympus 主編的訪問 中，可以看出 KDRI 所長 大石道夫 博士的主導特性。訪問一開始，大石即提出『All eyes in the world are on genome science』的主題，認為基因及其下游的研究工作，將是新世紀的主流，並且預測全長的 cDNA 將是所有目光的焦點。

 KDRI 現任所長大石道夫博士

我們在參觀訪問時，可以感受到大石的強烈企圖心與驕傲；同時，大石也表現出個人的堅持，除了在科學想法上要最進步、最先端外，卻偏好使用較傳統的技巧或方法在實際工作上。

部份定序實驗還在用傳統膠片電泳

後基因體時代的策略：

除了上述植物相關的序列分析外，KDRI 也進行人體基因的研究。由於其他先進國家已經瓜分了人體以及一些重要動植物基因體的版圖，大石認為要立刻追趕上並不容易，且接下來的基因體應用研究也很艱苦，預估人體可能有的三百萬個 SNP，其中兩百萬個已被決定。因此，眼光應該進一步放到『後基因體』的研究，目前已經正朝此方向移動；同時，有關植物與環境方面的研究，也是 KDRI 的另一研究重要領域。

雖然如此，醫學方面仍有相當多的切入點，例如許多疾病並非由單一基因所導致，稱為 polygenic diseases。估計人體的三、四萬個基因中，大約有 1 % 可能與此類疾病有關，若能找出這大約三百個基因，研究其蛋白質產物，也許對這種多基因所導致疾病之控制與治療有很大貢獻。KDRI 便把這種想法，焦集在人體的腦細胞及其病變基因；同時基於對阿拉伯芥基因體研究的穩固基礎，也將對這個模型植物的整體 cDNA 進行製備與探討。

KDRI 的各種核酸序列 database

實驗室的走廊 - 極度潔淨的工作環境

進入 cDNA 及其表現蛋白質的領域：

人體腦細胞 cDNA 的分析：

人類大腦的疾病一向都是重要的課題，且可能多屬上述的 polygenic diseases。而 KDRI 進行這項研究的主要策略是：(1) 通常會導致病變的基因都相當大，因此他們專挑 4 kb 以上的基因研究，(2) 分子量較大的 cDNA 在一般學術界的探討較少，因此有較大機會找到新的致病基因。

KDRI 向 Clontech (USA) 購得人腦細胞的全體 poly(A)⁺ RNA，用上下游 primer 經 RT-PCR 製備整體 cDNA，以電泳去除小於 3 kb 的片段之後，植入 pBluescript 載體，並以 electroporation 進行對宿主的轉形。由八百萬個抗 Amp 轉殖株抽出質體，以電泳去除小於 3 kb 的質體，再次對宿主菌進行轉形，以便確保得到高分子量的 cDNA。

Ohara O, Nagase T, Ishikawa K-I et al (1997) Construction and characterization of human brain cDNA libraries suitable for analysis of cDNA clones encoding relatively large proteins. DNA Res. 4: 53-59.

人類腦細胞蛋白質資料庫 HUGE：

以上這些努力已經有了成果，KDRI 把所篩選得大於 4 kb 的人類細胞 cDNA，其中未知功能的基因或蛋白質 (>50 kDa)，集成資料庫公開，稱為 HUGE。除了腦細胞外，他們也將涵蓋各種重要的人類細胞，凡是可轉錄為大分子量蛋白質，可能與細胞功能或運動、基因表現、核酸代謝或信息傳導有關者，均為探討與收錄的對象。

成群的自動化核酸定序裝置

見學心得：

應該以國家的力量來經營基因體計畫：

這次連續參觀了日本幾個基因體重鎮，再度領教了日本人的組織與動員特性；他們把定序或尋找 SNP 的龐大工作，當作機器的流程在經營，有點像亨利福特的 model T 裝配廠。因此，擅於單打獨鬥的台灣科學，很難與他們有抗衡的局面。尤其小小的台灣，能夠完整建立兩三個像樣的基因體基地，就會耗費大半的科技國力。

中研院是一個相當合適的候選人，本來基因體計畫也預計放在中研院，後來才又加入其他的變化與安排。參訪之後，我覺得基因體計畫還是應該集中在兩三處重點，確實投下重資，好好經營才對。然而，為何中研院的基因體中心會引起如此多的反彈？ 表面上看來，好像是大學教授們擔心中研院搶走太多資源，其實我推想其主因之一，可能是中研院尚未扮演一個我們心目中『中央研究院』的角色。

理想中的『中央研究院』是台灣的最高研究單位，比起大學或產業界，算是一種『大哥、龍頭』的尊貴角色，是要協助下面林林總總地方研究單位的工作，可以給他們在研究上的諮詢，或是 貴重儀器上的協助。若真是如此，中研院有資格取走最大塊的資源，有資格被尊為『中央』。然而，目前的情形並非這樣，在大學教師們的眼光看來，中研院是一股可怕的吸金力量，挖走大筆的經費，以便做出更好的研究成果，然後在國科會與你我一起申請計畫，一起競爭研究獎助。

雖然如此，我還是贊成集中國家經費在少數單位上，以進行基因體計畫。此次參訪，真正體認到並非每一個學校或研究單位，都需要去執行一個基因體計畫。因為基因體計畫會吸掉一個單位絕大部份的經費，以及所有參與人員的時間；而本來一直在進行的研究工作，可能因此而停擺。

一群人迷失在千葉縣的山中小站

台灣應該發展什麼？

其實，KDRI 剛開始建立的時候，可能與我們目前的心境很像，歐美等先進國家已經瓜分了人體基因的大餅，到底要做什麼才能迎頭趕上？ KDRI 的策略很明顯而且有效，他們馬上指定植物基因，在十年內完成藍綠細菌及部份阿拉伯芥基因體的定序工作，初步有了國際的肯定與成就。

然後，大約在 1995 年開始進行下一波攻擊，鎖定人類腦細胞 cDNA 中可以致病的高分子量蛋白質，則是期望能夠超越歐美國家的進度。其野望能否大舉成功目前還看不出來，但是過渡的研究成果則一樣一樣出來。我在猜想，他們可能已經有未來的第三波計畫，這是日本的工作特性。

後基因體時代的台灣，應該把基因體的工作，交給兩三個中心去做，而科學社區的每個成員，可利用現成的各種基因資料庫，趕緊分頭進行下一波的『功能性基因體』或『蛋白質體』研究。因為對於所有基因功能的大規模篩檢，還不是很容易的事，尤其蛋白質更注重分子間的專一性結合作用，實在很難以像核酸定序般的高產能方式，篩出所有在細胞中發生的現象。至於，主題在哪裡？如何規劃？如何進行？恐怕也不是三言兩語可以解決的，只希望國家能有更明確、更有效的科技政策。

高產能的新世界：

這次參訪，的確看到什麼叫做『高產能 high through-put』，也在心中留下深刻印象，可以說是一種想法的改變。這雖只是一種觀念，卻可以套在任何可能的應用上，尤其是『後基因體』研究的種種可能，最令人感到高度興趣。

後基因體研究的領域，目前尚不知其界限何在，但是確定可以看出有『蛋白質體』這個東西。蛋白質體除了希望能夠表現出細胞中所有的蛋白質，並且解出其分子構造外，最重要的是釐清各種蛋白質間的專一性連結關係。而抗體是一個相當有用的工具，可以使用人為的方式，製造出對某個蛋白質或化學分子具有專一性的抗體。

想像若能夠針對整個蛋白質體的每個蛋白質，產生其對應抗體，則能方便地檢驗各蛋白質，也是所謂『抗體晶片』的第一項工作。但要產生如此多的抗體，則必須套用上述『高產能』的概念，以高產能方式來生產抗體，最好是單株抗體；因為單株抗體的來源清楚而固定，並可能定義每一抗原決定基。

因此，此行的副產品，就是產生了以高產能方式來生產單株抗體的想法。目前我們生產單株抗體的速度，最快也要三、四個月，而且每個單位一次只能進行一個實驗，一年最多生產 4~6 株。若能夠縮短成兩個月，並且增加每條生產線的處理數量為六個抗原，則一年可針對 30 種抗原蛋白質產出抗體。雖然還不算是很高的產能，但已是相當可觀。目前正在研擬如何進行『高產能化』；我們已經有了初步的構想，尚待努力實行的結果。

感謝 林院士 帶我們這批老學生們去日本見學，大家雖然不像大學生般的好學，而且狀況頻傳，有護照過期的、有搭車搭丟的，但都還是安然完成所有參訪行程，可見我們的韌性與戰鬥力還是十足。此行對我的眼界有相當大的啟發作用，雖然得到的好像是負面結果，我也辜負了 林院士 的期望，沒有提出基因體計畫，但是其他隱性的正面因子，可能正在醞釀萌發。

參 考 網 站

東京大學醫研所 : Human Genome Center : Full Length Human cDNA Sequencing Project

本文由繳交國科會的會議報告改編 

報告簡要幻燈片 (PowerPoint file, 5 Mb)  報告完整幻燈片 (PowerPoint file, 16 Mb)