hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
無脊椎動物横絞筋の巨大サルコメアを維持する弾性タンパク質

これまでの研究で,節足動物の横紋筋に存在する弾性タンパク質I-コネクチンの全一次構造17,352残基を決定した。その結果,脊椎動物コネクチンに存在する構造(Igドメイン及びPEVK領域)もあったが,まったく新しい繰返し配列を持つ領域(SEK repeat)も存在した。また,サルコメア内における局在から,分子全体の3/4は伸縮に関与している可能性があった。そこで,SEK領域の特性を詳細に調べるために,サブピコニュートンレベルの高分解能かつ数十pN以上のレンジに渡っての力測定が可能である分子間力顕微鏡を用いて,この領域のみから構成されたペプチド1分子について伸長測定をおこなった。試料ペプチドはSEK領域の繰返し配列を11個含み,両末端にGSTまたはビオチンを付加することで,基盤またはプローブへ固定できるようにした。この1分子計測の結果,エントロピー弾性に由来すると考えられる張力が観察されたので,worm like chainモデルによるフィッティングを行い,0.38±0.10nm(n=62)のpersistence lengthを得た。この値がアミノ酸1個の主鎖方向の長さとほぼ等しく,SEK領域は全長に渡ってランダムコイルであり、非常に伸びやすい性質であることが示唆された。このことから,無脊椎動物の横紋筋に存在する弾性タンパク質I-コネクチンは,PEVK領域が2つある(脊椎動物は1つ)と共に,脊椎動物には存在しない非常に伸びやすい性質の新しい配列を持つことで,脊椎動物の4倍もの長さの巨大サルコメアを担うことができると考えられる。無脊椎動物に存在する巨大サルコメアの横紋構造が,どのようにして維持されているかに関して,弾性を持つ構造タンパク質を中心に研究をおこなっている。これまでの研究で,ザリガニはさみ閉筋(節足動物横紋筋)の巨大サルコメアに存在するI-コネクチンの全一次構造を決定し,脊椎動物と同様な配列を持つと共に新規配列を持つこと,この新規配列が非常に伸びやすいことを明らかにした。無脊椎動物には節足動物横紋筋だけでなく,環形動物の斜紋筋にも巨大サルコメアがあり,コネクチン様タンパク質が存在することがわかっている。そこで本年度は、環形動物斜紋筋の構造維持に関与する弾性タンパク質の一次構造を明らかにするために、ゴカイ体壁筋1200Kタンパク質のcDNAクローニングをおこなった。その結果、2つの異なるクローンが得られた。一方のクローンは,プロリン(P)・グルタミン酸(E)・バリン(V)・リシン(K)の4種類のアミノ酸に富む配列とイムノグロブリン様のドメインが繰り返し配列された構造であり,他方のクローンはPEVKに富む14アミノ酸からなる新規の繰り返し配列であった。PEVK領域は脊椎動物のコネクチンに存在し、弾性を生み出して筋肉の受動的張力を担っていると考えられている部分である。このことから,この1200Kタンパク質は弾性を持ったコネクチン様タンパク質であり,筋肉の構造の維持に大きな役割を果たしていることが示唆された。無脊椎動物に存在する巨大サルコメアの横紋構造が,どのようにして維持されているかに関して,弾性を持つ構造タンパク質を中心に研究をおこなった。これまでの研究で,ザリガニ閉筋巨大サルコメアに存在するI-コネクチンの全一次構造を決定し,脊椎動物と同様な配列を持つと共に新規配列を持ち,この新規配列が非常に伸びやすいことを明らかにした。
水環境中残留医薬品類の多面的評価と薬理活性の除去性能評価

数多くの医薬品成分が水環境中から検出されている。一方で、機器の高精度化に伴い、分析対象を決めたターゲット分析では、上・下水道や環境中で分析対象物質の構造がわずかに変化しただけでも検出できないというジレンマが生じる。このような背景から、分析対象を定めないノンターゲット分析が普及しつつあるが、膨大な検出ピークの同定には時間を要する。そこで本研究では、水環境中に残留する医薬品等の薬理活性物質の俯瞰的評価手法を確立するため、薬理活性を直接検出可能なGタンパク連結型受容体を組込んだin vitroアッセイ(GPCRアッセイ)と、液体クロマトグラフータンデム四重極質量分析計(LC-MS/MS)によるターゲット分析、LCー飛行時間型MS(LC-QTof-MS)による予測スクリーニングを組み合わせた手法の検討を行っている。2018年度は、下水処理場の放流水に対し、3アプローチにより過年度に得られた分析結果を精査するとともに、ターゲット分析の拡充等の以下の検討を行った。GPCRアッセイで確認された拮抗活性値と、ターゲット分析により検出された濃度と検出成分の比活性値との間には、用いるGPCRによっては乖離が確認された。この乖離を埋めるため、ターゲット分析対象外の市販薬の精密質量を用いたLC-QTof-MS分析結果のスクリーニングによる存在予測、対象市販薬の売上調査、活性の定量化(比活性値の測定)、GPCRアッセイにより検出された拮抗活性値に対する寄与と下水処理放流水中の存在が予見されたいくつかの成分について、ターゲット分析による定量方法を確立した。その後、近畿圏の下水処理場より放流水を採取し、ターゲット分析を行い、実試料から検出した。これらの結果より、注視すべき水環境中の薬理活性およびその原因物質、下水処理過程における処理性、下水処理水受水河川における存在実態を提示した。予測スクリーニング結果をもとに、先行研究において開発した約50種の医薬品成分の一斉分析法へこれまでにいくつかの新規物質の追加を検討した。具体的には、先行研究において水環境中から検出された薬理活性の内、特に活性が高かったアンギオテンシンII受容体(AT1)拮抗薬(ARB)成分5種と分解産物1種、ヒスタミン(H)1受容体拮抗薬(H1RB)成分4種、H2受容体拮抗薬(H2RB)成分3種、β受容体拮抗薬(βRB)成分の分解産物1種など合計20成分以上を追加した。予測スクリーニングは、医薬品を中心に、環境中での検出事例がある成分と、その代謝産物など、約450成分の精密質量情報をもとに作成したライブラリーにより行った。ターゲット分析の分析精度の検討を終えた後、下水処理場放流水中の存在実態を把握した。並行して、予測スクリーニングで存在が予見された成分や、ターゲット分析対象に追加した成分について、比活性値を実測した。下水処理水から検出され、かつ比活性値が実測されている成分については、検出濃度と比活性値の積より理論的な活性値(理論値)を算出し、GPCRアッセイにより検出された実測値と比較した。AT1拮抗作用については、ターゲット分析成分と比活性値データの蓄積から、両値に正の相関が確認された。H1とβRB拮抗作用については、両値に未だ大きな乖離が確認された。H1拮抗活性については、2018年度にターゲット分析に追加したepinastineの寄与が大きいことが確認された。atenololやpropranololに代表されるβRB拮抗薬は、ARBのように化学構造が類似していることから、質量分析における共通フラグメントの検出により、βRB拮抗活性に寄与する化学物質の探索を試みた。その結果、これまでに国内では検出事例の無いbisoprololの存在を確認し、標品を用いた検討から、同物質を同定した。過年度までのバイオアッセイでは、主に向精神薬・抗血圧治療薬の標的であるドーパミン受容体(D2)、主に胃酸分泌抑制薬の標的であるムスカリン性アセチルコリン受容体(M1)に対する拮抗活性についても検出されたが、ターゲット分析により定量された検出濃度と、検出成分の活性値をもとにした理論的な活性値(理論値)との間で乖離が確認された。これは、分析対象外の医薬品成分や代謝産物、他の活性化学物質の存在や、交差反応、複合作用などが予想される。そこで、バイオアッセイでは、前年度の調査において高濃度かつ高頻度で検出された薬効分類の活性について、日本での販売実績をもとに当該薬効成分の活性値の測定を引き続き行いつつ、交差反応や複合影響についての情報を収集し、結果を再評価する。予測スクリーニングでは、バイオアッセイを行った試料中の未同定成分の確認を引き続き進める。バイオアッセイ、予測スクリーニングによる成果より、必要に応じてターゲット分析の対象成分を拡充する。バイオアッセイ、ターゲット分析、予測スクリーニングによるアプローチについて、上記の検討を終えた後、下水および下水処理水に対しこれらのアプローチを再度適用し、本手法により、環境中に残留する医薬品の存在実態の把握と、現行下水処理における処理能力の評価を行う。我々が使用する医薬品の成分による水生生物への影響が観測または懸念されている。しかし、現行の研究アプローチは、分析用標準物質が販売されている比較的古い薬剤に対する分析(ターゲット分析)であり、標準物質が販売されていない、または特許が有効な比較的新しい薬剤に対する分析や分解産物に対する分析(予測スクリーニング)ができていない。本研究の目的は、水環境中残留医薬品に起因する問題の解決と今後の影響評価に向け、多面的に残留医薬品の実態を評価することにある。

具体的には、これまでの主研究アプローチである対象を決めた機器分析(ターゲット分析)に加え、培養細胞を用い水試料から直接薬理活性を検出できる試験(バイオアッセイ)を実施する。また、バイオアッセイにより残留医薬品の薬効分類を絞り込み、高感度分析機器(四重極飛行時間型質量分析計:QTof-MS)を用いた未同定の薬理活性物質の同定(予測スクリーニング)を試みる。さらに、同定された医薬品または薬理活性物質について、現行の下水処理場における除去性能を実態調査から明らかにする。目的達成に向け、バイオアッセイ、ターゲット分析、予測スクリーニングの3つのアプローチにより研究を遂行する。公共下水処理場や下水処理水の割合が高い河川(桂川、淀川)より水試料を採取し、各アプローチへ供する。並行して、ターゲット分析による下水処理過程における処理性能の把握、バイオアッセイによる活性の定量化(比活性値の測定)、予測スクリーニングによるターゲット分析から漏れている活性物質の存在推定を行う。これらの結果より、注視すべき水環境中の薬理活性およびその原因物質、下水処理過程における処理性、下水処理水受水河川における存在実態を提示する。先行研究において開発した約50種の医薬品成分の一斉分析法へ、いくつかの新規物質の追加検討を行った。具体的には、先行研究において水環境中から検出された薬理活性の内、特に活性が高かったアンギオテンシンII受容体拮抗薬(ARB)成分5種、ヒスタミン(H)1受容体拮抗薬(H1RB)成分3種、H2受容体拮抗薬(H2RB)成分3種や、これらの代謝産物を含む関連物質など合計約20成分について検討を行った。分析精度についての検討を終えた後、5カ所の下水処理場と、下水処理水の割合が高い桂川、宇治川、木津川の最下流部、その下流の淀川枚方大橋において表層水を採取し、各成分の存在濃度の把握調査を3回実施した(ターゲット分析)。3回の下水処理場調査のうち1回は、処理工程に沿って試料を採取し、処理性能評価を行った。3回の調査において、一部もしくはすべての下水処理水試料をバイオアッセイに供した。バイオアッセイの結果、ARB、H1RBに関する活性のほか、β受容体拮抗薬(βRB)に関する活性が検出された。ターゲット分析の結果、対象成分約70種の中で、ARB、H1RBが比較的高濃度で検出され、さらにARB分解産物、βRB分解産物もそれぞれ1種が比較的高濃度で検出された。高濃度で検出された成分は、調査を行った河川の最下流部(枚方大橋)でも比較的高濃度で検出された。検出されたARB分解産物、βRB分解産物の生成を確認するため、下水処理場より活性汚泥を採取し、その生成挙動を確認した。予測スクリーニングに向け、ターゲット分析対象成分の標準溶液を、新規導入したQTof-MSで測定し、その特性の把握を試みた。具体的には、イオン化条件や精密質量測定のための校正、結果の解析手順について検討を行った。数多くの医薬品成分が水環境中から検出されている。一方で、機器の高精度化に伴い、分析対象を決めたターゲット分析では、上・下水道や環境中で分析対象物質の構造がわずかに変化しただけでも検出できないというジレンマが生じる。
感光材料における色素増感の動的機構の解明

本研究では、写真の分光増感における電子移動過程の研究で世界で初めてフェムト秒時間分解蛍光測定を用いて、増感色素の間の励起エネルギー移動と臭化銀への電子注入過程を観察した。1)臭化銀のナノ結晶表面の色素会合体から光誘起電子注入速度を測定した。これはピコ秒からサブピコ秒で起こる極めて速い過程であることを見出した。最も速いもので2x10^<12>s^<-1>程度(即ち0.5ピコ秒程度の短時間で起こる)。2)電子注入速度は臭化銀結晶系({111}面をもつ八面体乳剤と{100}面を持つ立方体)、結晶の大きさ(0.9-0.04μm)、によることを発見した。3)結晶の周りの銀イオン濃度(pAg)などによって変化を大きく受けることを初めて実測し、その原因を考察した。4)色増感色素にある条件を満たす別の色素を共吸着させることによって、増感感度を飛躍的に増大させる技術(強色増感またはスーパーセンシタイゼイション)の微視的な機構を明らかにした。5)感光色素間のエネルギー移動は時間分解蛍光異方性観測を行って、臭化銀のナノ八面体結晶の(111)面に整列した(<110>方向)色素間のエネルギー移動が約100フェムト秒(0.1ピコ秒、速度にして10^<13>s^<-1>の超高速度)で起こることを観測した。写真の色増感は銀塩微粒子上に吸着した色素からの光励起電子移動によって起こる。世界最高の時間分解能を持つフェムト秒蛍光寿命測定装置を主として用いて、色増感機構の超高速ダイナミクスの基礎的研究を行った。すでに工業的には銀塩の結晶系と大きさの制御、過剰に与える銀イオン量の制御、吸着色素の種類、色素会合状態(通常J会合体と呼ばれる特殊な配列状態)の制御、異種添加色素による強色増感(スーパーセンシタイゼーション)など会合状態の制御などを通して、細密性感度、色調、色感、安定性などを向上させてきた。写真工業においては、早い時期にすでにサブミクロンのテクノロジーを達成し、さらに表面マイクロエネルギー制御や表面色素配列技術などを独自に進歩させている。したがって本研究の内容も多岐にわたることとなる。初期段階として流動性ゼラチンに分散させた試料を用いて吸着色素の蛍光寿命の測定を種々の条件で行った。研究の後半(次年度)では実際に近いフィルム上の同一システムの研究を行う予定である。分散システム測定用試料架台を作成した。銀塩の結晶形(立方晶形、斜方晶形)によって原子の現れる面が異なるので、吸着分子の電子環境は異なり、電子移動速度も異なると考えられる。実際、結晶形によって吸着色素の蛍光寿命が異なることを初めて見出し、これが表面マイクロエネルギー条件によるとの仮説で実験結果を説明した。結晶粒子サイズもハロゲン化銀の空間電荷層が伝導帯と荷電子帯エネルギーのバンドベンディングを与え電子移動の速さに影響を与えるものと思われる。実際蛍光寿命の変化が認められた。これらについて現在解析を行っている。高性能フェムト秒蛍光寿命測定装置を用いて、色増感機構の超高速ダイナミクスの基礎的研究を行った。この時間より遅い時間分解能の研究はこれまで存在したが、フェムト秒の実験は世界ではじめてである。このことは単に速い実験を行った意義にとどまらない。なぜならば色素増感の初期過程即ち色素間の電子移動と色素から臭化銀への電子移動は主としてフェムト秒からピコ秒の短い時間領域で起こることを本研究によって証明できたからである。

銀塩の結晶系(立方晶系(100面)と斜方晶形(111面))と結晶の大きさ(ナノサイズからサブミクロンサイズ)、過剰に与える銀イオン量(pAg)、色素会合状態(通常J会合体と呼ばれる特殊な配列状態)、異種添加色素による強色増感(スーパーセンシタイゼーション)などと初期過程の関係を本研究によって、初めて明らかにすることが出来た。具体的にはエマルジョン銀塩単結晶に吸着した色素の蛍光寿命の測定を上記の種々の条件で行った。さらに乾燥させたフィルム上の同一システムの研究を行った。このため測定用試料架台を作成した。銀塩の結晶形によって吸着色素の蛍光寿命が異なることを初めて見出した。立方晶形では電子移動が遅く、斜方晶形では速かった。また、(111)面上の実験において蛍光の時間分解異方性実験からエピタキシャル吸着した色素間のエネルギー移動の速さを初めて測定した。結晶粒子サイズ依存性はハロゲン化銀の空間電荷層が伝導帯と荷電子帯エネルギーのバンドベンディングを与え電子移動の速さに影響を与えるものと思われる。後者では電子移動が最速の電子移動速度を与えるエネルギー関係が成り立っているものと推測した。
高精度比較ゲノム解析を用いた糸状菌のタンパク質分泌生産メカニズムの解明

本研究は、トリコデルマ・リーセイのセルラーゼ生産系をモデルとして糸状菌におけるタンパク質分泌生産メカニズムに関する知見を得ることを目的としている。野生株から取得されたセルラーゼ高生産変異株系統樹を対象として、ゲノム配列の比較解析を行い、各変異株において変異が生じていた遺伝子を明らかにした。数種の遺伝子の破壊および変異復帰解析の結果、炭素源異化抑制に関与する転写調節因子Cre1、菌体内βーグルコシダーゼの転写活性化因子BglR、菌体内の主要なβーグルコシダーゼであるBGLIIをコードする遺伝子の変異がトリコデルマ・リーセイのセルラーゼ生産能の向上をもたらしたことが明らかとなった。トリコデルマ・リーセイのセルラーゼ高生産変異株系統の中から,セロビオースやソルボースを炭素源とした時に標準株と比べて極めて高いセルラーゼ生産性を示すPC-3-7株に特に着目して解析を進めている.比較ゲノム解析から見出したアミノ酸変異をともなう変異遺伝子の中から,セルラーゼ高生産化に影響を与えると考えられる3つの遺伝子(βーグルコシダーゼ遺伝子BGLII,転写調節因子BglR,転写抑制因子Cre1)について,変異復帰および遺伝子破壊解析を進めてきた.昨年度までの解析から,PC-3-7においてBGLIIの変異がセルラーゼの高生産に重要である事が示唆されていた.しかしながらPC-3-7株は標準株から6世代の突然変異処理を経た菌株であり,BGLII遺伝子以外の多くの変異の影響を受けていると考えられ,BGLIIのみの影響を正確に評価できていると判断することが困難であった.そこで,BGLII変異の真の影響を解析するために標準株のBGLII破壊および変異導入を行いセルラーゼ生産性に与える影響を解析した.その結果,標準株のBGLII遺伝子の変異によってタンパク質の機能が一部失われることが非常に高いセルラーゼ生産性をもたらすことが明らかとなった.変異型BGLIIの糖転移活性によってセロビオースから生産される物質がセルラーゼの誘導物質である可能性が強く示唆されたことから,どのような物質なのかメタボローム解析を進めている.BglRに関しては,変異のバックグラウンドが少ない標準株で遺伝子破壊の影響をトランスクリプトームの観点から解析を進めている.Cre1の変異に関しては、遺伝子の破壊解析および変異復帰解析の結果を論文として報告した(Biosci. Biotechnol. Biochem. 77(3), 534-543, 2013).これらの成果については,学会にて発表している(7件).これまで、トリコデルマ・リーセイのセルラーゼ高生産変異株系統樹の中から、セロビオースやソルボースを炭素源とした時に標準化部と比べて極めて高いセルラーゼ生産性を示すPC-3-7株に特に着目して解析を進めてきた。比較ゲノム解析から明らかとなった一塩基変異のうち遺伝子内に存在し、なおかつコードするタンパク質のアミノ酸変異をもたらすものについて解析したところ、βーグルコシダーゼII、転写活性化因子BglR、炭素源異化抑制因子Cre1の変異がセルラーゼ高生産化の原因ということを明らかとしてきた。PC-3-7株から得られた変異株PCD-10株は、大規模培養を行った場合にPC-3-7株よりも高い酵素生産性を示すが、フラスコレベルでの生産性はほとんど変わらない。PCD-10株の全ゲノム配列を次世代シークエンサーで解析し、PC-3-7と比較したところ、少なくとも3遺伝子に変異が生じていることが明らかとなった。これらの遺伝子を解析するための遺伝子破壊用もしくは変異復帰用のDNA断片を構築した。トリコデルマ・リーセイにおいてセルラーゼの生産が培養時のpHの影響を受けることが明らかとなっているため、種々のpH条件下における各変異体の酵素生産性を解析した。その結果、標準株においては高pHになるにつれて酵素生産性が低下するのに対してセルラーゼ高生産変異株では高pHにおいても高い酵素生産性を維持していた。この表現型は標準株から取得されたN25株において観察されたため、N25株の全ゲノム配列を解析して標準株と比較した。その結果、100個以上の一塩基変異が見出され、その中でコードするアミノ酸の変異をもたらす遺伝子は少なくとも3遺伝子あることが明らかとなった。これらの成果については学会にて発表している(4件)本研究は、トリコデルマ・リーセイのセルラーゼ生産系をモデルとして糸状菌におけるタンパク質分泌生産メカニズムに関する知見を得ることを目的としている。これまでに申請者が進めてきたトリコデルマ・リーセイのセルラーゼ高生産変異株系統樹の比較ゲノム解析から、アミノ酸変異をともなう変異遺伝子を数十個同定している。変異株の中でPC-3-7株はセロビオース、ソルボースを誘導炭素源としたときに親株であるKDG-12株と比較して極めて高いセルラーゼ生産性を占めす。KDG-12からPC-3-7の間で生じた変異遺伝子は9個であり、そのうち転写調節因子をコードしている遺伝子に着目した。この転写調節因子は真菌でのみ見られるZn(2)-Cys

(6)タイプDNA結合ドメインを有しており、この転写調節因子をコードする遺伝子の遺伝子破壊実験、変異箇所の回復実験を行ったところ、本因子はセロビオース(セロオリゴ糖)に応答して菌体内のβーグルコシダーゼ群の転写を活性化することが明らかとなり、本因子をBglRと名付けた。この成果は、学会で発表すると共に論文として発表した(Fungal. Genet. Biol. (2012) In press)。PC-3-7で生じていた変異遺伝子のうち別の解析ターゲットとして菌体内βーグルコシダーゼ(BGLII)をコードする遺伝子の変異に着目した。これまで、トリコデルマ・リーセイにおけるセルラーゼの誘導発現において、セルロースから生じたセロビオースが菌体外のβ-グルコシダーゼの糖転移活性によって変換されたソホロースが最終的な誘導物質として働くと考えられていた。しかしながら、菌体内のβーグルコシダーゼであるBGLIIのセルラーゼ誘導における働きは全く明らかにされていなかった。そこでbgl2の破壊実験および変異回復実験を行った結果、復帰株はセロビオースを炭素源としたときのセルラーゼ生産性が低下したことから、セルラーゼ誘導生産にBGLIIが関与していることが明らかとなった。この成果は学会でも発表しており、現在論文投稿準備中である。24年度において,これまでの比較ゲノム解析の結果からトリコデルマ・リーセイのセルラーゼ生産条件において大きな影響を与えている遺伝子を3個の遺伝子を同定するに至った.これにより,当初の計画であったタンパク質高生産化に関与する遺伝子の決定および機能評価を完了した.そのため本年度の達成度は大きいといえる.現在,ロングリードタイプのDNAシーケンサーを用いたゲノム解析も進めており,変異株のゲノムデータの精微化を進めている.また,トランスクリプトーム解析と比較ゲノム解析をリンクさせたデータベースの構築を進めている.23年度において、これまでゲノム配列を決定してきたトリコデルマ・リーセイのセルラーゼ高生産変異株に加えて新たに4株のデータ加えることができた。ショートリードタイプのゲノムシークエンサーを用いたゲノム配列の決定についてはほぼ完了し1塩基多型を中心とした変異点の同定が完了した。この時点で、ある程度その機能が予想されるターゲット遺伝子に対して、予想24年度に計画していた遺伝子破壊、変異回復実験を前倒しで行い、トリコデルマ・リーセイのセルラーゼ生産性に大きな役割を果たす因子であることを明らかにすることができたことから本年度の達成度は大きいといえる。また、マイクロアレイによるトランスクリプトーム解析についても主要な変異株について完了し表現型とリンクさせたデータベースの構築を進めている。ロングリードタイプのDNAシーケンサーを用いて得られたデータと,これまでのショートリードタイプのDNAシーケンシングデータを統合し,SNPおよびIn/Del情報の精密化をはかる.また,当初の研究計画には無かったが,トランスロケーションによるゲノム変異に関しても情報を取得する.このデータベースからタンパク質高生産化に関与する遺伝子を選定する。
結晶格子の標準的実現と磁場付き推移作用素のスペクトル解析

周期性をもつグラフ(有限グラフのアーベル被覆グラフ)を結晶格子という。結晶格子に周期的な磁場がかかっている場合の電子の振る舞いを表す有界自己共役作用素を磁場付き推移作用素という。まず、結晶格子の「磁場付き推移作用素」を定義し、それが妥当な定義であることの証拠として、中心極限定理を得た。即ち、磁場付き推移作用素が時間無限大でユークリッド空間の磁場付きラプラシアンに収束することを示した。更に、このときのユークリッド計量および、極限に現れるベクトル・ポテンシャルの幾何学的意味を明らかにした。次に群のコホモロジーを用いて結晶格子における「磁場」を定義し、磁場付き推移作用素のスペクトルの磁場に関する依存の滑らかさを調べた。磁場付き推移作用素を磁場によって定まるC*環の元と見ることが本質的である。C*環の連続場および、非可換トーラスの微分構造を用いて、磁場に滑らかに依存する自己供役な作用素のスペクトル端は磁場に対してリプシッツ連続性を持つことを示した。また、磁場のないばあい、すなわち結晶格子のランダム・ウォークに関して大偏差原理が成立することを示し、その幾何学的意味をあきらかにした。結晶格子のスケールをゼロに収束させると、有限次元ベクトル空間にバナッハ距離を入れた距離空間にグロモフ・ハウスドルフ収束するが、この極限距離空間と大偏差に現れるレート関数に関係があることを観察し、バナッハ距離が結晶格子の幾何で具体的に求まることを示した。有限グラフのアーベル被覆である無限グラフを結晶格子と言う.正方格子,三角格子,六角格子などの周期性のあるグラフのことで物理に頻繁に現われる大切なグラフである.結晶格子に磁場がかかっている場合の電子の運動は磁場付き推移作用素によって記述できる.結晶格子にはアーベル群が作用するが,磁場付き推移作用素はこのアーベル群と可換ではなく,この非可換性が物事を予想以上に複雑にする.例えば,ユークリッド空間の周期的磁場付きラプラシアンのスペクトル構造は単純で,完全に解析されているのとは対照的に,その離散版である磁場付き推移作用素のスペクトルの構造は磁場が無理数であるときにはカントール集合になる.このスペクトルの磁場に対する依存の仕方は変形量子化理論で用いられる,C環の連続場のアイデアを使う.J. Bellissardは非可換トーラスのK理論を用いて量子ホール効果を説明するなど,C^*環アプローチは有用である.このアイデアを拡張することで結晶格子の磁場付き推移作用素に対して、スペクトルのLipschitz連続性を示した.また,等質化のアイデアで,中心極限定理を得た.極限に現われるユークリッド空間の磁場付きラプラシアンのベクトル・ポテンシャルを群コホモロジーの完全系列の結晶格子の標準的実現を用いて説明した.また,磁場のない場合の結晶格子上のランダム・ウオークの極限定理についても幾何の立場で研究を行っている.正方格子上のランダム・ウォークに関する古典的な極限定理を,結晶格子に拡張することによって,その幾何的な意味合いを解明し,結晶格子の調和写像や,空間としてのグロモフーハウスドルフ収東という全く新しい観点から極限定理を記述することに成功した.周期性をもつグラフ(有限グラフのアーベル被覆グラフ)を結晶格子という。

結晶格子のスケールをゼロに収束させると、有限次元ベクトル空間にバナッハ距離を入れた距離空間にグロモフ・ハウスドルフ収束するが、この極限距離空間と大偏差に現れるレート関数に関係があることを観察し、バナッハ距離が結晶格子の幾何で具体的に求まることを示した。
全身性強皮症におけるM4マクロファージの役割

強皮症は血管内皮障害および線維化を特徴とする疾患であり、近年M2マクロファージがその病態に重要な役割を果たしていることが明らかとなっている。本研究において着目するM4マクロファージは血小板や形質細胞様樹状細胞から産生されるCXCL4により単球から分化誘導される。CXCL4は、発症早期びまん型SScにおいて優位に上昇し、皮膚硬化、間質性肺病変、肺動脈性肺高血圧症と関連があることが報告された。本研究では、SScのバイオマーカーとして知られているCXCL4により単球から分化誘導されるM4マクロファージと発症早期びまん皮膚型SScの病態との関連性について検討し、新規治療戦略を模索することを目的とする。
口腔発癌における唾液中上皮増殖因子プロモ-タ-作用に関する研究

上皮増殖因子(EGF)は、強力な細胞増殖因子で、マウスでは顎下腺が主要産生臓器で、唾液中にも高濃度に検出される。動物実験系で皮膚・胃・乳腺・膵臓での発癌の促進因子としてEGFが作用する可能性が指摘されているが、口腔癌での効果は明らかにされていない。本研究は、平成元年度に、ハムスタ-頬嚢での発癌に必要な条件を検討し、6週間のDMBA塗布で、頬嚢上皮細胞はイニシエイトされているが、未だ腫瘍形成に至らない段階にあることを確認した。平成2年度では、6週間でDMBAを終了し、次に、顎下腺摘出あるいは顎下腺摘出とヒトEGFであるウロガストロン(UG)投与の頬嚢腫瘍形成に及ぼす影響を検討した。顎下腺を摘出した群としない群との比較で、頬嚢あたりの腫瘍個数に差があり、腫瘍体積でも4倍の差があることから、顎下腺摘出は、腫瘍発生と増殖に抑制的に作用することが明らかとなった。顎下腺摘出後にUGを0.25mg/kg週3回投与すると、顎下腺摘出による腫瘍数の減少が、倍分的に回復することから、頬嚢腫瘍系において顎下腺のEGFが重要な働きをするものと考えられた。今後、EGFと他のプロモ-タ-因子との関連につき研究を発展させる必要があり、平成2年度では、ハムスタ-頬嚢系でプロモ-タ-作用が報告されている単純ヘルペスウイルスに関しても研究を行った。ヒト歯肉の器官培養系でのHSV感染実験で、歯肉組織はHSVの1・2型ともに同様の感受性を示すことが明らかとなった。また、癌の分化療法に用いられるhexamethylene bisacetamide(HMBA)はHSV増殖を促進することによりHSVの再発病変を誘発する可能性が強く示唆された。これらの知見をもとにし、HSV初感染と再発をハムスタ-で成立させ、EGFとの相加・相乗的効果を今後検討する方針である。上皮増殖因子(EGF)は正常細胞の増殖と分化に関与するだけでなく、実験動物に皮下投与した場合、乳癌や皮膚癌の発生を促進することが報告されている。しかし、唾液や尿に多量に含まれるEGFがこれら体液と接する粘膜の発癌過程に関与するか否かは十分検討されておらず、EGFのプロモ-タ-作用についての結論も出ていない。本研究の目標は唾液EGFのプロモ-タ-作用の検証であるが、口腔発癌でのプロモ-ション作用を検定する条件は確立しておらず、また唾液自身に口腔癌に対するプロモ-ション作用があるか否かも不明である。この点で、唾液と同様にEGFを含む尿に関しては、尿中の膀胱発癌促進物質の存在がすでに明らかにされている。そこで、本研究を遂行する第一段階として、(1)口腔発癌のプロモ-ション物質検出条件の設定と並行して、(2)尿中プロモ-タ-物質(Cancer Res 1983:43:1774)のEGFとの関連性を検討した。(2)に対して、ラット尿よりゲル濾過で得た、in vivoにて膀胱発癌を促進する分画につき、ポリアミン合成の律速酵素であるオルニチン脱炭酸酵素(ODC)誘導活性とEGFレセプタ-の競合活性を指標に、各分画について測定を行った。その結果、ODC誘導活性とプロモ-ション作用の強い分画(分子量54Kdと6.1Kd)にEGF活性を認めた。ODC活性は抗EGF抗体で完全に抑制された。

プロモ-タ-物質検出の一指標としたODC誘導活性の主役は尿中EGFであり、この分画のプロモ-タ-作用にEGFの関与が示唆された。この結果をふまえ、ヒト尿より調整したEGFを用いたEGFを用いた実験を行っている。(1)に関して、dimethylbenzanthvaceneの0.5%溶液をハムスタ-頬襄に週2回で10-12週塗布することで腫瘍形成を確認した。そこで、8週塗布でイニシエ-ション処置を終了し、顎下腺摘出と非摘出の動物の頬襄に90%グリセリンに溶解したEGF(0.2mg/kg)を塗布し、粘膜表面から投与されたEGFの口腔発癌への効果を検討している。上皮増殖因子(EGF)は強力な細胞増殖因子で、マウスでは顎下腺が主要産生臓器であり、唾液中にも高濃度に検出される。シリアンハムスタ-頬襄に9,10ーdimethy1ー1,2ーbenzanthracene(DMBA)を塗布し誘発する口腔発癌系を用いて、顎下腺摘出と顎下腺摘出後のEGF投与の腺瘍形成に及ぼす影響を検討した。6週令ハムスタ-を4群に分け、6週間の0.5%DMBA塗布後、2ー4群には顎下腺摘出手術を行った。その後、1と2群には生食の皮下投与、2群と4群にはそれぞれ、0.025mg/kgと0.25mg/kgのヒトEGFであるウロガストロン(UG)の皮下投与を週3回行った。UG投与8週後に、動物を屠殺し頬襄、胃、肝、腎を摘出した。体重ならびに肝・腎の重量に各群で差をみとめなかった。1ー4群の頬襄あたりの腫瘍数は、3.4,2.1,2.5,3.2であり、1・4群と2群との間で有意差(P<0.05)を認めた。腫瘍体積においても1・4群が高値を示した。更に、前胃腫瘍個数でも、1・4群が2群より高い値を示した。この結果より、顎下腺EGFは、ハムスタ-頬襄ならびに胃腫瘍形成に重要な役割を果すものと考えられた。頬襄腫瘍形成には複数の因子がプロモ-タ-として関与すると思われる。EGFと他の因子の関連につき研究を発展させるため、ハムスタ-頬襄発癌を促進すると報告されている単純ヘルペウスウイルス(HSV)を用いて、口腔HSV感染症に関する研究を行った。ヒト歯肉の器官培養系で、HSVの1・2型ともに同様の感染様式を示した。癌の分化療法に用いられるhexamethylene bisacetamide(HMBA)はHSV増殖を促進することによりHSVの再発病変を誘発する可能性が強く示唆された。これらの知見をもとに、HSV初感染と再発をハムスタ-で成立させ、EGFとの相加・相乗的効果を今後検討する方針である。
全部床義歯装着者の咀嚼能力と顎堤吸収に関する研究

目的および方法:全部床義歯装着者の咬合・咀嚼能力と顎堤吸収との関連を検討するために,本学歯学部附属病院補綴科外来にて,同一術者・材料・術式による全部床義歯を製作・装着し,良好な経過を辿っている高齢無菌顎患者28名(平均年齢75.6±4.8歳)を被験者として,新たに考案した義歯支持基盤レプリカ法により義歯支持基盤面積,体積,平均高さを,咬合力計(日本光電社製)により最大咬合力を,篩分法により咀嚼効率を,CTスキャナにより咬筋断面積を各々測定した.また,若干正常有歯顎者42名(平均年齢25.5±2.4歳)を被験者として,種々の吸収因子が関与しない状態の無歯顎顎堤を想定し,歯肉頬移行部を再現した下顎研究用模型より歯冠部を切除した後に基礎床を製作してレプリカ法による各パラメータを,また,デンタルプレスケール(富士写真フィルム社製)により最大咬合力を測定した.なお,プレスケールの測定値は回帰式により咬合力計のそれに換算した.結果および考察:若干正常有歯顎者の仮想義歯支持基盤を表示するパラメータは全部床義歯装着者の床下支持基盤のそれよりも有意に大きい値を示し,抜歯による廃用性萎縮が顎堤吸収に大きく関与していることが示唆された.全部床義歯装着者の最大咬合力は,加齢に伴い統計学的に有意に低下したが,咬筋断面積の加齢変化には有意差は認められなかった.また,義歯支持基盤面積の増減が咀嚼効率に及ぼす影響は特に大きく,咬合・咀嚼圧が付加される方向に対して直交する面である義歯支持基盤面積が咀嚼機能の確保に重要であることが示唆され,顎堤の保全のためには可及的に大きな義歯床が必要であることが推測された.全部床義歯の支持基盤である顎堤の吸収には,解剖学的因子,新陳代謝的因子,補綴学的因子が関与しているとされているが,その相互関係については未だ明らかにされていない.そこで,本研究は,正常有歯顎者10名,全部床義歯装着者20名を被験者として,義歯支持基盤と最大咬合力および咀嚼効率について検討した.全部床義歯装着者の義歯支持基盤を評価するために,パノラマX線写真より算出された顎堤高さ指数と新たに考案した義歯支持基盤レプリカ法による義歯支持基面積,義歯支持基盤体積を測定した.また,種々の吸収因子が関与しない状態の無歯顎顎堤を想定し,正常有歯顎者の歯肉頬移行部を再現した下顎研究模型より歯冠部を切除した後に,義歯床を製作し,レプリカ法により義歯支持基盤面積と体積を測定した.さらに,プレスケール,日本光電社製咬合力計により最大咬合力および篩分法による咀嚼効率を測定した.得られた結果は以下の通りである.1.全部床義歯装着者において,最大咬合力,義歯支持基盤面積,義歯支持基盤体積の3項目を独立変数,咀嚼効率を従属変数として重回帰分析を行ったところ,独立変数と従属変数との間に有意な相関(R=0.843)が認められ,特に最大咬合力,義歯支持基盤面積は高い偏相関係数を示した.このことは,高い咀嚼機能の発現には,最大咬合力,義歯支持基盤面積が重要な因子となっていることを示唆するものである.2.義歯支持基盤面積,体積について,正常有歯顎者と全部床義歯装着者とを比較したところ,全部床義歯装着者のそれらは正常有歯顎者のそれに比して有意に減少しており,特に,義歯支持基盤体積の減少が著明であった.したがって,支持基盤の評価に用いるレプリカ法が,抜歯により高さ方向を主体とする吸収が生じ,さらに種々の吸収因子の関与によって吸収が進行して行く過程の記録,評価に有用であることが示唆された.目的および方法:全部床義歯装着者の咬合・咀嚼能力と顎堤吸収との関連を検討するために,本学歯学部附属病院補綴科外来にて,同一術者・材料・術式による全部床義歯を製作・装着し,良好な経過を辿っている高齢無菌顎患者28名(平均年齢75.6±4.8歳)を被験者として,新たに考案した義歯支持基盤レプリカ法により義歯支持基盤面積,体積,平均高さを,咬合力計(日本光電社製)により最大咬合力を,篩分法により咀嚼効率を,CTスキャナにより咬筋断面積を各々測定した.また,若干正常有歯顎者42名(平均年齢25.5±2.4歳)を被験者として,種々の吸収因子が関与しない状態の無歯顎顎堤を想定し,歯肉頬移行部を再現した下顎研究用模型より歯冠部を切除した後に基礎床を製作してレプリカ法による各パラメータを,また,デンタルプレスケール(富士写真フィルム社製)により最大咬合力を測定した.なお,プレスケールの測定値は回帰式により咬合力計のそれに換算した.結果および考察:若干正常有歯顎者の仮想義歯支持基盤を表示するパラメータは全部床義歯装着者の床下支持基盤のそれよりも有意に大きい値を示し,抜歯による廃用性萎縮が顎堤吸収に大きく関与していることが示唆された.全部床義歯装着者の最大咬合力は,加齢に伴い統計学的に有意に低下したが,咬筋断面積の加齢変化には有意差は認められなかった.

また,義歯支持基盤面積の増減が咀嚼効率に及ぼす影響は特に大きく,咬合・咀嚼圧が付加される方向に対して直交する面である義歯支持基盤面積が咀嚼機能の確保に重要であることが示唆され,顎堤の保全のためには可及的に大きな義歯床が必要であることが推測された.目的および方法:全部床義歯装着者の咬合・咀嚼能力と顎堤吸収との関連を検討するために,本学歯学部附属病院補綴科外来にて,同一術者・材料・術式による全部床義歯を作成・装着し,良好な経過を辿っている高齢無歯顎患者28名(平均年齢75.6±4.8歳)を被験者として,新たに考案した義歯支持基盤レプリカ法により義歯支持基盤面積,体積,平均高さを,咬合力計(日本光電社製)により最大咬合力を,篩分法により咀嚼効率を,CTスキャナにより咬筋断面積を各々測定した.また,若年正常有歯顎者42名(平均年齢25.5±2.4歳)を被験者として,種々の吸収因子が関与しない状態の無歯顎顎堤を想定し,歯肉頬移行部を再現した下顎研究用模型より歯冠部を切除した後に基礎床を製作してレプリカ法による各パラメータを,また,デンタルプレスケール(富士写真フィルム社製)により最大咬合力を測定した.なお,プレスケールの測定値は回帰式により咬合力計のそれに換算した.結果および考察:若年正常有歯顎者の仮想義歯支持基盤を表示するパラメータは全部床義歯装着者の床下支持基盤のそれよりも有意に大きい値を示し,抜歯による廃用性萎縮が顎堤吸収に大きく関与していることが示唆された.全部床義歯装着者の最大咬合力は,加齢に伴い統計学的に有意に低下したが,咬筋断面積の加齢変化には有意差は認められなかった.また,義歯支持基盤面積の増減が咀嚼効率に及ぼす影響は特に大きく,咬合・咀嚼圧が付加される方向に対して直交する面である義歯支持基盤面積が咀嚼機能の確保に重要であることが示唆され,顎堤の保全のためには可及的に大きな義歯床が必要であることが推測された.
ゲノムワイド関連解析に基づく酸性土壌耐性の分子的理解

世界の農耕地に広がる酸性問題土壌では、主にアルミニウム(Al)や酸(H+)が作物の生育を阻害する。本研究では、モデル植物シロイヌナズナ約200系統の約20万個の一塩基多型(SNP)とAlおよびH+ストレス耐性の関連解析(ゲノムワイド関連解析:GWAS)を実施した。その結果、両耐性バリエーションについて、それぞれ約70%を説明する100以上の耐性関連遺伝子領域を検出し、新規Al耐性関連遺伝子を同定した。また、主要Al耐性遺伝子リンゴ酸トランスポーターの転写制御領域におけるいくつかの遺伝子多型がAl耐性に関与していることを明らかにした。H24年度はシロイヌナズナ野生株を用いたストレス耐性評価により酸性土壌ストレス耐性のナチュラルバリエーションを評価し,その形質値からゲノムワイド関連解析(GWAS)を実施し,耐性関連候補遺伝子を絞り込んだ具体的には、アルミニウムストレス、酸ストレス、活性酸素ストレス、及びコントロール区で約200系統のシロイヌナズナ野生株を水耕栽培し根長を測定した.ストレス下でのコントロール区に対する根伸長割合から,各系統のストレス耐性レベルを評価してGWASの形質値とした.用いた野生株集団の遺伝的構造をSTRUCTUREまたはPCA解析により評価した.それらの値と根長形質値をTASSELまたはGAPITに導入し,約20万個のSNPとストレス耐性レベルと関連性の高いSNPを推定した.その結果,各ストレスに強く関連した上位のSNPは各ストレスに特異性を示し,アルミニウムストレスや活性酸素ストレス耐性形質に関しては特に強い関連性を示すSNPが観察された.酸ストレス耐性に関しては,著しく高い相関を示すSNPは得られなかった。現在はこれらの遺伝子についてサブ系統や遺伝子破壊株などを用いて詳細な解析を行っている.これらのSNPの他にも高い確率でいくつかの耐性関連SNPが見いだされ,これまでに報告のある耐性遺伝子座近傍のSNPも関連を示し,ストレス耐性形質がポリジーン系によって支配されていることが遺伝的に示唆された.また,相互作用を示すエピスタシスの解析にも取り組みいくつかのペアが有意に検出された.来年度はこれらの位置情報から耐性遺伝子の解析を進める.これまでに、約200系統のシロイヌナズナエコタイプを用いて、酸性土壌耐性(主にアルミニウムストレス耐性、低pHストレス耐性)に関するゲノムワイド関連解析(GWAS)を行い、耐性に関連するゲノム領域(SNP:一塩基多型)を多数検出した。両ストレスにおいて耐性形質と関連性の高いSNP群を比較したところ、それらは互いに異なるSNPであり、この2つのストレス耐性バリエーションに関与する遺伝的主要因は異なることが示唆された。また、遺伝学的背景で分集団に分けた場合、有意な産地間差は確認されなかった。一方、分集団の中で有意に異なる耐性を示すエコタイプは確認された。Al耐性に高い関連性を示したあるSNPの近傍にはAl耐性遺伝子のひとつであるリンゴ酸トランスポーターALMT1が存在した。同遺伝子のプロモーター領域にも関連SNPが検出されたことから、エコタイプ間のプロモーター配列を比較したところ、耐性型エコタイプにはインサートが確認された。また、それらの耐性型エコタイプは感受性エコタイプに比べてALMT1遺伝子発現量が高いことから、そのインサート多型が発現量亢進に関与している可能性が示唆された。一方、その他の既報の耐性遺伝子には特に関連性の高いSNPは検出されなかった。しかし、耐性への関与が報告されていないイオントランスポーターやリン酸化酵素遺伝子などにも関連性の高いSNPが検出され、これらが未解明の耐性機構の一部を担っている可能性がある。今後は、現在整備中の実験材料を使用して、逆遺伝学的手法や、遺伝学的手法によってそれら遺伝子の機能解析を行っていく。農業上重要形質である酸性土壌耐性は、多数の遺伝子に支配されるポリジーン形質である。本研究では、シロイヌナズナを用いた全ゲノムにわたる一塩基多型(SNP)と耐性程度の相関性を調べるゲノムワイド関連解析(GWAS)により、酸性土壌耐性に関わる遺伝子座の網羅的解析と耐性差の仕組みを分子レベルで明らかにすることを目的とした。世界中に分布する約200系統のシロイヌナズナを用いて、酸性土壌で問題となるAl及び低pHストレスに対する耐性を根の生育率により評価した。その結果、Al耐性は低pH耐性に比べて幅広い耐性差を示したことから、Al耐性には効果の大きいまたは複数の遺伝子の寄与が考えられた。また、集団構造解析ではおおまかに6つの地域の分集団に分かれることが示された。分集団間においてAl耐性差は観察されなかったが、分集団内では著しいAl耐性/感受性を示す複数の系統が存在し、自然突然変異体の可能性が示唆された。一方、低pHストレスに関しては、耐性/感受性を示す分集団が観察された。このように遺伝的背景が異なる系統群に関して、根の生育率と約20万SNPsを用いたGWASの結果、ゲノムワイドに有意なSNPが多数検出され、それらは両ストレス耐性間で異なっていた。これらのSNPsの表現型予測能力を評価したところ、Alまたは低pHストレス耐性に関連する140 SNPsまたは160 SNPsによって耐性バリエーションの約70%が説明できることが明らかとなった。有意なSNPにリンクする遺伝子の中には、Al耐性遺伝子リンゴ酸トランスポーター遺伝子AtALMT1が含まれており、そのプロモーターには、耐性と関連のあるトランスポゾンを含む複数の多型が存在した。また、レポーター遺伝子によるプロモーター多型活性試験と系統間の遺伝子発現量解析からAtALMT1プロモーター多型はAl耐性と相関を示すことが明らかにされた。

農業上重要形質である酸性土壌耐性は,多数の遺伝子に支配される典型的なポリジーン形質である.本研究では,ゲノムワイド関連解析(GWAS)により,酸性土壌耐性差の原因となっている遺伝子群の同定を試みた.酸性土壌ストレスの主要因であるアルミニウム(Al)とプロトンについて,シロイヌナズナ206系統の耐性を根長により評価し,約20万SNPを用いてGWASを行った.リッジ回帰分析により,約150 SNPにより両耐性形質の約70%が説明されることが示された.また,これらの酸性土壌耐性関連遺伝子座は,塩耐性や過酸化水素耐性に関するGWAS解析により同定された耐性関連遺伝子座とは異なっていた.プロトン耐性関連SNP近傍には,耐性に関連が示唆されている細胞壁安定関連遺伝子やpH恒常性維持に関わる分子シャペロン遺伝子などが検出された.一方,Al耐性では,Al耐性遺伝子リンゴ酸トランスポーターAtALMT1,耐性に関連が示唆されているテルペノイドやカロースの合成遺伝子が存在した.また,AtALMT1プロモーター上の関連SNPを耐性型にもつ系統群は,感受性型に比べて約2倍程度AtALMT1発現量が高く,シロイヌナズナAl耐性への寄与率は40%程度であった.プロモーター多型を組換えたシロイヌナズナを評価したところ,トランスポゾンの挿入が耐性の原因のひとつであることが明らかとなった.しかし,ある分集団内の耐性差はこの変異では説明できなかった.両耐性関連遺伝子の候補について,それぞれ100弱の遺伝子破壊株シロイヌナズナの耐性をスクリーニングしたところ,いくつかの遺伝子破壊株で感受性が確認された.以上のことから,シロイヌナズナのAl耐性差に関与する遺伝子群は,AtALMT1遺伝子の発現制御に関与するものが多いと考えられたが,その他の機構に多くの遺伝子群が関与していることが明らかとなった.また,ほとんど明らかにされていないプロトン耐性に関しても新規耐性遺伝子の関与が示唆された.世界の農耕地に広がる酸性問題土壌では、主にアルミニウム(Al)や酸(H+)が作物の生育を阻害する。本研究では、モデル植物シロイヌナズナ約200系統の約20万個の一塩基多型(SNP)とAlおよびH+ストレス耐性の関連解析(ゲノムワイド関連解析:GWAS)を実施した。その結果、両耐性バリエーションについて、それぞれ約70%を説明する100以上の耐性関連遺伝子領域を検出し、新規Al耐性関連遺伝子を同定した。また、主要Al耐性遺伝子リンゴ酸トランスポーターの転写制御領域におけるいくつかの遺伝子多型がAl耐性に関与していることを明らかにした。これまでに行ったゲノムワイド関連解析(GWAS)から、酸性土壌耐性関連候補遺伝子を同定し、それら上位候補に関してT-DNA挿入遺伝子破壊株の耐性試験を行ったが、耐性または感受性の表現型が十分に得られなかった。その場合、遺伝子機能重複や偽陽性の可能性があるが、目標にしていた多重変異体破壊株作成や、機能重複を抑えて標的遺伝子の発現抑制ができる遺伝子組換え体の作成にやや遅れが生じている。
歩行における高度踏破性及び頑健性を実現するための筋骨格・神経機構の構成論的解明

脳・身体・環境の相互作用から生み出される歩行の高度踏破性及び頑健性を実現するための筋骨格・神経機構の解明を目指し,ヒト・サル・ラットを対象に,計測データから運動機能を明らかにする解析的研究と,神経筋骨格モデルやロボットを用いて機能的役割を明らかにする構成論的研究を行った.その結果,ヒト運動解析では,位相応答曲線を同定して位相調整機構を明らかにし,サル運動解析では,4足・2足歩行での一次・補足運動野の寄与,ラット運動解析では,障害物跨ぎ越し歩行での小脳皮質の寄与を明らかにした.構成論的研究では,ラット神経筋骨格モデルや2脚ロボットを用いて,高度踏破性・頑健性に寄与する神経制御系の役割を検証した.脳・身体・環境の相互作用から生み出される歩行の高度踏破性及び頑健性を実現するための筋骨格・神経機構の解明を目指し,ヒト・サル・ラットを対象に,計測データから運動機能を明らかにする解析的研究と,神経筋骨格モデルやロボットを用いて機能的役割を明らかにする構成論的研究を行った.その結果,ヒト運動解析では,位相応答曲線を同定して位相調整機構を明らかにし,サル運動解析では,4足・2足歩行での一次・補足運動野の寄与,ラット運動解析では,障害物跨ぎ越し歩行での小脳皮質の寄与を明らかにした.構成論的研究では,ラット神経筋骨格モデルや2脚ロボットを用いて,高度踏破性・頑健性に寄与する神経制御系の役割を検証した.脳・身体・環境の動的相互作用から生成される歩行の高度踏破性及び頑健性を実現するための筋骨格・神経機構の解明を目指し,ヒト・サル・ラットを対象に運動計測データに基づいて運動機能を明らかにする解析的研究と,神経筋骨格モデルに基づくシミュレーションを通して機能的役割を明らかにする構成論的研究を行った.ヒトの運動解析では,振動台とトレッドミルを用いて外乱を加えた歩行の運動計測を行った.その結果,外乱前後の運動に位相差が存在し,等位相面を用いて外乱後の復帰過程を記述することで,接地・離地時の位相調整機構を明らかにした.サルの運動解析では,トレッドミル上で四足・二足歩行遂行時の大脳皮質・一次運動野の単一神経細胞活動と体幹・四肢の筋活動を記録した.その結果,一次運動野は運動により生じる律動的な体性感覚を受け取りつつ,皮質下の神経機構で生成される定常的な律動的活動をより高次レベルで環境適応的にオンラインで修飾することが示唆された.ラットの運動解析では,障害物跨ぎ越し歩行での小脳皮質の関与を調べるため,中間部・外側半球部,そしてプルキンエ細胞の活動とその可塑性に寄与する下オリーブ核を破壊した.その結果,中間部では破壊側に跨ぎ越す前・後肢の膝・足関節に過屈曲が見られ,外側半球部では破壊側前肢の爪先軌道が障害された.下オリーブ核では爪先軌道に複数の変曲点が生じ,軌道が著しく障害されることが判明した.シミュレーションでは,既に開発していたラットの後肢筋骨格モデルに,筋活動の協調構造を示す筋シナジーや感覚情報による運動指令の調整を示す位相リセットや肢間協調制御など生理学的知見に基づく神経制御モデルを導入し,障害物跨ぎ越し歩行を行った.その結果,肢間協調制御がより高い障害物の回避,位相リセットが跨ぎ越し後の安定化に寄与することを明らかにした.更に前肢の解剖計測も開始し,全身筋骨格モデルもほぼ完成した.昨年度に引き続き,脳・身体・環境の動的相互作用から生成される歩行の高度踏破性及び頑健性を実現するための筋骨格・神経機構の解明を目指して,ヒト・サル・ラットを対象に運動計測データに基づいて運動機能を明らかにする解析的研究と,神経筋骨格モデルに基づくシミュレーションやロボットを用いて機能的役割を明らかにする構成論的研究を行った.ヒトの運動解析では,外乱を負荷できるトレッドミルを用いて,ランダムな速度外乱が頻繁に入る環境下での計測を行い,位相応答曲線の同定を行った.その結果,ベルトの加速と減速による外乱が,共に遊脚期間を短縮して支持脚期間を延長させるという同一の運動変化を生じさせることが明らかになった.サルの運動解析では,無拘束状態でトレッドミル上を四足と二足で交互に歩行する際の大脳皮質・補足運動野から単一神経細胞活動を記録した.その結果,補足運動野は体幹姿勢と肢のステッピングとの協調的制御に寄与し,前頭葉性歩行障害の病態を説明し得る神経基盤の一つであることが示唆された.ラットの運動解析では,障害物跨ぎ越し歩行での小脳外側半球部片側破壊の影響を調べた.その結果,小脳外側半球部は平面歩行時の前肢及び後肢の制御にはほとんど寄与せず,障害物を最初に跨ぎ越す前肢において,肘関節の運動に関わる筋活動のタイミング制御と爪先の軌道生成に関与することが示唆された.構成論的研究では,昨年度までにヒト歩行解析とロボット実験から明らかにした左右分離型トレッドミル上での適応メカニズムを更に明確にするため,ラットの後肢神経筋骨格モデルのシミュレーションを行った.その結果,左右のベルト速度が異なる特殊な環境でも,生理学的知見に基づく位相リセットにより適応的に歩行を継続でき,左右の位相差やデューティー比などがベルトの速度差に応じて適応的に変化し,ヒトや4足動物で見られる適応と同様の現象が起こることを確認した.