hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ニューラルネットワーク回帰分析におけるパラメタの初期値の解析的導出

本研究の目的は、ネットワークモデルの繰り返し計算を用いたパラメタの推定法の加速のために、このパラメタθとWの良い初期値をいかにして簡単に求めるか、ということである。3層モデルの場合、第1層Xから第2層への仮のパラメタθ^<2*>,W^<2*>を、第2層の仮の出力が広範囲の単調増加関数群を生成するようにシステマティックに作成し、第2層から第3層への重みW^3を、変数選択により選ばれたO^<2*>のサブセットO^2への重みとして決定するという方式を用いる。具体的にはq個の説明変数行列Xの各列およびそれらの直交化したものごとにおよそ615の単調増加関数群を生成し、それから変数選択を行う。従って、変数選択の問題は、615×2×qの変数から効率よく第2層のニューロンの数n_2だけの変数を選択する問題となるが、ネットワークモデルの場合はYは多変量である場合が多いため、残差積和行列のトレースを最小とするような説明変数群を選択していくことになる。本研究においては前進ならびに後進のmaxr2法を用いた。3層ニューラルネットワークにおいて、第3層の入力は第1層に配置された各変数をロジスティク展開したものの線形結合として書き表すことができるが、初期値を求めるためにはこれらのロジスティク展開を効率的に行う必要がある。現在のところ、各変数ごとに、標準化した後にの3×7=21のロジスティク展開を求め、また、説明変数行列をGram-Schumit法により直交化したものの各列に関しても同様のロジスティク展開を施す。変数選択に関しては、SASのmaxr法を前進選択と更新選択の両方から行い、結果のよい方を利用することとした。3層モデルの場合、第1層Xから第2層への仮のパラメタθ^<2*>,W^<2*>を、第2層の仮の出力が広範囲の単層増加関数群を生成するようにシステマティックに作成し、第2層から第3層への重みW^3を、変換選択により選ばれたO^<2*>のサブセットO^2への重みとして決定するという方式を用いる。具体的には、q個の説明変数行列Xの各列およびそれらを直交化したものごとにおよそ615の単調増加関数群を生成し、それらから変数選択を行う。従って、変数選択の問題は、615×2×qの変数から効率よく第2層のニューロンの数n_2だけの変数を選択する問題となるが、ネットワークモデルの場合Yは多変量である場合が多いため、残差積和行列のトレースを最少とするような説明変数群を選択していくことになる。
インド初期仏教における涅槃の文献学的および学際的研究

ゴータマ・ブッダやその直弟子が説いたとされるインド初期経典中の涅槃に関する先行研究は,註釈の解釈に準じ,生前および命終の二時点を認め前提としつつも,いずれが真の涅槃かと未だ論争が続いている.本研究では,パーリ聖典を主資料として涅槃の諸語彙を網羅的に抽出し,文献学的手法を用い全用例を分析することで,真の涅槃の意味および二種涅槃[界]の成立過程を明らかにする.さらに,経典中の涅槃観が実際の信仰の現場でどう求められ具現化されたのか.この同様に重要な問いの答えを仏教美術等の他分野と連携を図り,学際的アプローチによって調査を行い,涅槃の全容解明に資する新たな知見を提供する.ゴータマ・ブッダやその直弟子が説いたとされるインド初期経典中の涅槃に関する先行研究は,註釈の解釈に準じ,生前および命終の二時点を認め前提としつつも,いずれが真の涅槃かと未だ論争が続いている.本研究では,パーリ聖典を主資料として涅槃の諸語彙を網羅的に抽出し,文献学的手法を用い全用例を分析することで,真の涅槃の意味および二種涅槃[界]の成立過程を明らかにする.さらに,経典中の涅槃観が実際の信仰の現場でどう求められ具現化されたのか.この同様に重要な問いの答えを仏教美術等の他分野と連携を図り,学際的アプローチによって調査を行い,涅槃の全容解明に資する新たな知見を提供する.
死後画像検査（オートプシー・イメージング）における安価な造影検査方法の確立

学生の系統解剖のご献体に対して、解剖固定液で希釈した経口造影剤を橈骨動脈より注入して造影CTを行った。この方法により、多くのご献体で頭部から下肢まで血管内が造影できた。また、臓器内も造影される事が確認できたが、細い血管内の血栓が原因なのか均一に造影される例はかなり少なかった。均一に造影する方法は確立出来なかった。司法解剖を行うご遺体では、造影剤を入れたことで体内の液体量が変化してしまう場合に、解剖時の所見が本来と異なってしまうため、CTのみで体内の液体量を正確に把握する必要があった。しかし液体の照合の検討が出来ず司法解剖のご遺体に対しては造影できなかった。死後画像検査(オートプシー・イメージング)におけるヨード造影剤等を用いた造影検査の方法を確立するという研究目的で、造影の死後CT検査を行っている。最初に、滴下による造影検査が十分可能であることをガストログラフィンを用いた方法で確認した。造影される領域を心臓は心腔内、他血管により分類し調べた。全ての例で造影剤が動脈内に注入されたことを確認することが出来た。動脈内の造影は全て造影されることはなく、死後の血栓により造影されない領域、造影されづらい領域が出現した。血栓の状態は死因や死後の状態により左右され、鋳型上の血栓や流動性の血液就下が見られたが、それぞれ造影のされ方にも違いがあり、一定の結果は得られなかった。この血栓を除去することは滴下のみでは出来ず、改善されていない。そのため、25年度の目的である、一定の結果を得られるまで至っていない。臓器別にも造影の有無の評価を行った。生前には見られない造影が、肺、膵臓周囲、後腹膜で多く見られたが、全ての症例で見られるわけではなく、死後の時間ともはっきりとした関係はなかった。腹部臓器は生前のように造影される症例が見られたほか、造影される領域が少ない症例もあった。特に腎臓の造影は他の臓器よりも造影される頻度が少なく、左右差も見られた。おそらく腎臓が背側にあり、死後の血栓が多く見られるためと思われるが、腎臓の造影が明瞭になされる方法は試すまでに至らず開発していない。死後画像検査(オートプシー・イメージング)に於いて、今日まで造影検査を行なっている施設は少ない。また、心肺装置を用いた方法が報告されているが、多くの施設で行える方法ではない。そこで、動脈から自然滴下するのみで造影検査が行えるかどうか、また安価にできるかどうかを目的に実験を行った。ご遺体は、学生の解剖実習を行うためのご献体を用いた。まず、造影前にCT検査を行い、その後、橈骨動脈を露出した。橈骨動脈にカニューレを挿入し、1mの高さから造影剤を自然滴下した。造影剤は今回安価なことよりガストログラフィンを用いた。ガストログラフィンは透明で水溶性である。造影剤を注入し終えたらもう一度CTを撮影した。CT撮影後、造影前と、造影後の画像と照らし合わせ、血管内の造影の状態、充実性臓器の造影の状態を確認した。造影を行った後のCTでは、下行大動脈は概ねすべての例で造影が確認できた。しかし、下行大動脈内には死後の血栓も多く(ほとんどすべて)の例で見られ、造影ごも残り続けた。分子血管は造影されたものが多く見られたが、造影の割合は下行大動脈より低くなった。充実性臓器では造影されるもの、造影されないものが様々見られ、左右差が見られるものもあった。死後の血栓が移動せずそれによる影響もあると考えた。以上の結果について、JRC2013(平成25年日本医学放射線学会総会)にポスター発表を行った。今回の発表において金賞の評価を頂いた。造影される領域を心臓は心腔内、他血管はそれぞれの主要な動脈により分類し調べ、全ての例で造影剤が動脈内に注入されたことを確認することが出来た。動脈内の造影はすべて造影されることはなく、死後の血栓により造影されない領域、造影されづらい領域が出現した。血栓の状態は死因や死後の状況により左右され、鋳型状の血栓や流動性の血液就下が見られたが、それぞれ造影のされ方にも違いがあり、一定の結果は得られなかった。生前には見られない造影が、肺、膵臓周囲、後腹膜で多く見られたが、すべての症例で見られるわけではなく、死後の時間ともはっきりとした関係はなかった。腹部臓器は生前のように造影される症例がみられた他、造影される領域が少ない症例もあった。特に腎臓の造影は他の臓器よりも造影される頻度が少なく、左右差もみられた。

おそらく腎臓が背側にあり、死後の血栓が多く見られるためと思われるが、腎臓の造影が明瞭になされる方法は試すまでに至らず開発していない。学生の系統解剖に用いるご献体に対して、橈骨動脈より解剖固定液で経口造影剤を希釈して注入する事で多くのご検体で頭部から下肢まで血管内に造影剤が行き渡る事が確認できた。また、臓器内にも造影剤が行き渡る事も確認できたが、血管内よりも臓器内は細い血管内の血栓が原因なのか全体に均一に造影される例はかなり少なかった。均一にするための方法は検討しきれなかった。司法解剖を行う予定のご遺体に関しては、体内液体を正確に確認できないと、造影剤が入ることで解剖時に胸水や腹水等の体内の貯留した液体の量が造影剤の分ずれてしまう可能性があり、液体量の照合が必要であったが、今回液体の照合の検討が出来ていないため、司法解剖のご検体に対しての造影検査は行えなかった。今後は、臓器に均一に造影剤が浸透する方法を検討し、全てのご遺体でほぼ均一な造影結果が得られる様に努力をする事、また、将来的に司法解剖を行う予定のご遺体でも造影剤の検査が行えるよう、造影をすることで有意義な結果が得られる証明と、造影前の画像評価で体内の液体がどこまで正確に測定できるか(水濃度であればある程度正確に測定出来る可能性はあるが、死後の場合は、血液が含まれたり等で臓器とのCT吸収値がかなり同じになってしまったり、また、死後変化で脂肪が液体状になっている事あり、その違いについても評価する必要がある)検討する必要がある。学生の系統解剖のご献体に対して、解剖固定液で希釈した経口造影剤を橈骨動脈より注入して造影CTを行った。この方法により、多くのご献体で頭部から下肢まで血管内が造影できた。また、臓器内も造影される事が確認できたが、細い血管内の血栓が原因なのか均一に造影される例はかなり少なかった。均一に造影する方法は確立出来なかった。司法解剖を行うご遺体では、造影剤を入れたことで体内の液体量が変化してしまう場合に、解剖時の所見が本来と異なってしまうため、CTのみで体内の液体量を正確に把握する必要があった。しかし液体の照合の検討が出来ず司法解剖のご遺体に対しては造影できなかった。造影効果が同一になる方法を模索する予定であったが、造影の方法を確立できていない。また、司法解剖予定のご遺体でも造影検査を検討しているが、体内の液体と造影剤が混ざることで液体量が解剖時に正確に測れない恐れあり、行うことができていない。画像診断25年度、26年度に引き続き、造影効果が同一になる方法を模索していく造影される前の体内の液体量を正確に測れる方法を模索していく。造影効果が同一になる方法を模索する予定であったが、造影の方法を確立できず、症例により造影のされ方が違ってしまったままとなっているため造影検査の方法は以前ガストログラフィンのみで行なっており、他の方法を試してはいない。今後他の造影剤の方法や、造影剤の希釈割合について比較検討を行わなければいけないと考えている。体内の液体量(腹水、胸水、膀胱内尿貯留等)をCTから正確に計測できることを確認するため、画像解析ソフト及びコンピュータを購入予定であったが、昨年度は購入するソフトを比較し、検討するのみで購入するための予算等組むまで至らず決定することが出来なかったため。25年度で行えなかった造影効果が同一になる方法を模索していく。造影効果が同一になる方法が見出されれば、それを用いて法医学の対象となるご遺体でも造影が可能かどうか検討する。25例の実施を予定する。前年度行えなかった造影剤の種類や造影剤の濃度を変更してよりよい造影効果が見られる造影剤、造影濃度を模索する。
モデル生成型定理証明に基づく分散知識情報処理システムの構築

以下のテーマについて研究を行った。1.冗長な探索の刈り込みに関する研究:モデル生成法の二つの冗長性、(1)証明に関連しない推論と(2)ケース分割後の重複証明、を刈り込む手法について、(a)証明に関連しない推論を抑制する手法として、ノンホーンマジックセット(NHM)法を考案し、ベンチマーク問題に対してNHM法の効果を実験的に確かめた。(c)畳込み法で得られる情報により、推論の関連性検査が行える事が判明し、畳込み法との相乗効果により枝刈り効果が増大する事が分かった。2. Java言語によるMGTPの実装:実装にあたっては、最も基本的なデータ構造である項のデザインを重点的に検討した。改良を重ね、実行効率の最適化を図ることができた。さらに、非ホーン節に対する場合分け実行の逐次化に関して、データ構造の複製を一切避けるようにした。4.制約処理と探索制御に関する研究:MGTPでは「Aではない」という否定情報は直接は表現できず、「Aであると矛盾する」という規則によって間接的に表現される。このため探索枝の絞りこみができず、冗長な枝を探索してしまうことがある。これを解決するために否定情報を直接扱う制約MGTPの開発を行い、その枝刈り効果を実証した。また、準最適解の探索に有効とされている遺伝的アルゴリズム(GA)の導入を検討した。本年度は、モデル生成型定理証明システムMGTPの推論高速化に、(1)逐次処理と(2)並列処理の二つの面から取り組んだ。(2)の研究は、分散知識情報処理システムを構築するための基礎技術を確立する狙いもある。1.逐次処理:MGTPの基本演算である連言照合と包摂検査では、内部データベースに対する二つの検索操作、matchable(照合するデータを検索)とidentical(一致するデータを検索)の二つの操作を煩雑に利用する。これらの操作を高速に行うことで定評のある弁別木プログラムを実装し、MGTPに組み込んだ。一般の弁別木プログラムは、格納するデータに変数が含まれているものとして処理を行っているが、MGTPで格納するデータには変数は含まれないので、変数に関わる処理を省略することができ、より効率的なプログラムを作成することができた。証明木が低い問題以外では、例外なく処理速度が向上(数割から数倍)することを確認した。2.並列処理:PVM(ネットワークで接続された異機種のコンピュータ及び逐次コンピュータを、単一の大きな並列計算機に統合するパッケージソフトウェア)を利用したMGTPの並列版を実装し、ネットワーク接続した3台のワークステーション上でMGTPが並列に動作する事を確認した。また、並列処理による速度向上を狙って、いくつかの負荷分散方式の実験を共有メモリ型並列マシン(CPU20台)上で行なった。PVMは、多くの計算機アーキテクチャ上で利用可能であり、PVM上でMGTPの並列処理が行なえる事は、"異機種"分散知識情報処理への道も開けてきたといえる。以上の他に、入力データをコンパイルする必要のないインタプリタ版MGTPの開発も行なった。本年度は、(1)汎用並列マシン上でのMGTPの効率的並列化手法の考案とその評価、及び(2)Java言語によるMGTPの実装を行った。(2)の研究は、多くのプラットホームで稼働しているJavaで実装を行うことにより、異機種分散システムを構築するための研究基盤を確立することを狙ったものである。1.汎用並列マシン上のMGTPの並列化:メモリ分散型並列マシンでは、プロセッサ(PE)間の通信速度が遅い。そこで、PE間通信を抑えるN逐次実行方式を考案した。従来の並列化方式が「仕事があれば並列に実行する」というものであったのに対し、新方式は、「PEが暇なら仕事を分配し、かつPE内は逐次実行」という考えに基づいている。試験例題において、従来方式では約2万回発生していたタスク割当回数が100回程度にまで削減され証明時間が短縮されるなど、顕著な効果を確認した。2.Java-MGTP:Java言語によりMGTPを実装した。最も基本的なデータ構造である項のデザインを重点的に検討した。

基本クラスTermにおいて、元来は定数項、変数項、複合項の各サブクラスが個別に有するはずのフィールド変数に対し、それらの和集合(共通集合ではない)を取った上、予めまとめて定義しているのがポイントである。これにより、キャスト等のオーバヘッドを最小限に抑え、実行効率の最適化を図ることができた。さらに、非ホーン節に対する場合分け実行の逐次化に関して、データ構造(オブジェクト)の複製を一切避けるようにした点も高効率化に貢献している。いくつかの例題を用い、Java版MGTPと従来版MGTPの実行性能を比較評価した。JITを適用したJava版MGTPでは、従来版に比べ実質的に最大10倍強の高速化を達成している。JITを適用しないJava版MGTPにおいても、概ね従来版MGTPと同等以上の速度で解くことができている。本年度は、(1)N逐次実行方式によるFolding-up付きMGTPの並列化とその評価、及び(2)Java-CMGTPの効率化技法の検討と評価、を行った。(1)は、深さ優先探索で真価を発揮する枝刈り手法(Folding-up)の能力をできるだけ落さない並列化手法、(2)は、多重環境の効率的実装法、の確立を狙った研究である。1. N逐次実行方式によるFolding-up付きMGTPの並列化:本来逐次処理に向いていると考えられている、関連性テスト付きfolding-up機能を持つMGTPを、既にMGTPの並列化に高い効果を上げているN逐次実行方式を用いて並列化し、それによる証明時間の短縮の可能性について評価を行い、次の結論を得た。●並列実行した場合、その性質上冗長な探索を行ってしまうため、証明時間がPE台数に比例するような台数効果を得ることは難しい。しかしながら、問題によってはある程度の効果を得られる。●逐次アルゴリズムでは永久に探索を行ってしまうような場合についても、それが冗長な探索である場合には、並列探索を利用して他PEによる枝刈りを行わせ、その効果を確認した。2. Java-CMGTPの効率化技法の検討と評価:JavaによるCMGTPの実装において、以下の実装技法が、従来のCMGTP処理系に比べて大きな性能改善をもたらすことが判明した。●複製によらない多重環境の実現●多重環境下での効果的な項インデキシング機構
トランスポゾンnDartを用いたイネ変異系統による高効率な遺伝子解析系の構築

イネの機能未知遺伝子の解析には、これまでにない変異を持つ系統の開発が有効である。イネ内在性のDNAトランスポゾンnDartは非自律性で、ゲノム中に一因子の自律性因子aDartから供給される転移酵素によって転移が引き起こされ遺伝子領域に挿入し易い性質を持っている。nDart/aDartをコシヒカリに導入したnDart-Koshiダグライン系統を創出し、3年で9000個体の変異系統を育生したので、全挿入領域の同定に向けて解析をおこなった。また、しばしば優性の変異体も出現するので、その中で不完全優性でわい性となる突然変異体Bdt1変異体の原因遺伝子を同定し、優性となる原因を明らかにした。イネの未知遺伝子やゲノム領域の解析にはこれまでにない変異系統の開発が必須である。申請者はイネ内在性のDNAトランスポゾンnDartを同定して解析を行ってきた。nDartの転移は自然栽培条件下で高効率に遺伝子領域に起こり、機能欠損だけでなく機能獲得型の変異体も得られ、不活化も可能な変異原である。nDartの転移システムを交配によってコシヒカリに導入し、遺伝子破壊系統(nDart-Koshiダグライン)を育成した。そこで既に確立しているnDartの挿入領域決定法を次世代シーケンサー用に改変して利用し、17,000系統を目標に全ての新規挿入領域を明らかにして、高効率で遺伝子やゲノム領域の機能解析を行える系を確立する。本年度は3000系統を育生し、解析を行った。また、光合成能力が欠損した変異体も選抜できたので、解析を行った。アルビノ変異は、光合成や植物の発達に重要な遺伝子に欠損を持っていると考えられるが、通常は枯死してしまうので、解析が難しい。我々はnDartの挿入によってアルビノ変異と正常な緑色の斑を持つ変異体snow white leaf1-varigeted(swl1-v)を生育し結実させることができた。slw1-vの後代からは、nDartが転移しないアルビノ表現型のみを示すswl1-stble変異体も選抜することができる。原因遺伝子を同定したところ、ドメインや機能が全く解析されていない新奇の遺伝子であった。swl1遺伝子のパラログは、ランソウには存在しないがコケから木本植物にまで保存されていることから、光合成に直接関与する遺伝子ではなく、色素体の発達に関与することが予想された。様々な発達段階の植物を用いた解析からSWL1遺伝子のmRNAは、様々な組織で恒常的に発現しているが翻訳段階で非常に厳密に制御されており、葉緑体の発達に従って翻訳される量が上昇し、チラコイド膜の発達に必須であることを明らかにした(Tsugane-Hyashi et al. 2014)。イネの未知遺伝子や機能を持つゲノム領域の解析には、これまでにない変異を持つ系統の開発が有効である。nDartはイネ内在性の非自律性のDNAトランスポゾンで、GC含量の高い遺伝子領域に挿入し易い性質を持っている。その挿入領域の同定は、AFLP法を改変したDart-トランスポゾンディスプレイ法を用いる事に因って、効率良く行うことができる。従来は変異体を選抜して原因遺伝子を同定する遺伝学的手法を用いてきたが、本研究計画では、nDartによる突然変異ラインにおけるトランスポゾンの挿入領域を網羅的に同定して逆遺伝学を行なえる基盤作りを行う事を目指す。本年度も3000個体の変異系統を育生したので、前挿入領域の同定に向けて解析をおこなった。また、しばしば優性の変異体も出現するので、不完全優性でわい性となる変異の原因を解明した。従来は変異体を選抜して原因遺伝子を同定する遺伝学的手法を用いてきたが、本研究計画では、nDartによるタギングラインにおけるトランスポゾンの挿入領域を網羅的に同定して逆遺伝学を行なえる基盤作りを行う事を目指す。また、しばしば優性の変異体も出現するので、不完全優性でわい性となる突然変異体Bushy dwarf tiller1変異体の原因遺伝子を同定し、優性となる原因を明らかにした。変異体の育成とDNAの抽出は問題なく進行している。新たな変異体を分離し原因遺伝子を同定することもできた。nDartの転移は、ゲノム中に一因子の自律性因子aDart1-27によって誘導され、次世代において自律性因子の分離において、転移は起こらなくなる。

その挿入領域の同定は、AFLP法を改変したDart-トランスポゾンディスプレイ法を用いる事に因って、効率良く行うことができる。従来は変異体を選抜して原因遺伝子を同定する遺伝学的手法を用いてきたが、本研究計画では、nDartによるタギングラインにおけるトランスポゾンの挿入領域を網羅的に同定して逆遺伝学を行なえる基盤作りを行う事を目指す。nDart/aDart1-27をコシヒカリに導入したMKー1系統を創出し、本年度も3000個体の変異系統を育生したので、全挿入領域の同定に向けて解析をおこなった。また、しばしば優性の変異体も出現するので、不完全優性でわい性となる突然変異体Bushy dward tiller 1変異体の原因遺伝子を同定し、優性となる原因を明らかにした。Bdt1変異体には、マイクロRNA156d遺伝子の転写開始点の上流におけるnDartへの挿入が起きていた。nDartの挿入により機能のあるマイクロRNAの発現量が上昇していることが、優性変異の原因となっていることを明らかにした。イネの機能未知遺伝子の解析には、これまでにない変異を持つ系統の開発が有効である。イネ内在性のDNAトランスポゾンnDartは非自律性で、ゲノム中に一因子の自律性因子aDartから供給される転移酵素によって転移が引き起こされ遺伝子領域に挿入し易い性質を持っている。nDart/aDartをコシヒカリに導入したnDart-Koshiダグライン系統を創出し、3年で9000個体の変異系統を育生したので、全挿入領域の同定に向けて解析をおこなった。また、しばしば優性の変異体も出現するので、その中で不完全優性でわい性となる突然変異体Bdt1変異体の原因遺伝子を同定し、優性となる原因を明らかにした。変異体の育生は、予定通り行う事ができた。また、優性変異の原因も明らかにする事ができた。当初予想しなかった系統を分離することができたため、次世代シーケンサーを使用した解析に改良を行う。植物分子遺伝順調に推移しているが、新しい技術は積極的に取り入れる。変異体の育生と挿入領域の同定については、当初の計画通りに行う事ができた。当初は得る事が困難だと予想されていた変異体の組換え個体が得られた。変異体の育成をして種子をとるために、次年度にかけて植物の生育する必要が乗じたため。次世代シーケンサーの試薬はしばしば変更されるので、新しい手法を順次取り入れ解析に供する。また、非特異の増幅を減らすために改善を試みる。研究はおおむね予定通り進行している。しかし、次世代シーケンサーを用いた解析は、新しい技術開発が目覚ましいので、新しい積極的に取り入れる。研究に使用している温室のイネの出穂が隣の温室からの補光の影響で遅れていることが判明した。そこで暗幕を設置してサンプルの育生を行ったがサンプルを破砕するチューブの数の決定に時間が掛った。暗幕の設置で植物の生育は回復したので、破砕用のチューブの数を設定することができた。
ルイス酸を高度に取り込むキレートアミン型イオン液体の開発と電気化学特性の研究

アルキルエチレンジアミンならびにアルキルジエチレントリアミンから成るプロトン性イオン液体(PIL)を新たに開発した。そして,それらにおける遷移金属イオンの錯形成について,可視吸収スペクトル,NMR,およびEXAFSにより詳細な構造化学的研究を行った。これらのイオン液体はキレートアミンを持ち,そのために遷移金属イオンをはじめとするルイス酸を取り込みやすいのが特徴である。これらの結果を基にして,本PIL系が大気中の二酸化炭素の吸着・放散に極めて有力であることを示した。更に,本PIL系をイミダゾリウム系のイオン液体に共存させて銅(II)イオンの酸化還元挙動への影響についても調べた。本研究では、研究代表者が独自に開発しているキレートアミン型のイオン液体を軸に、その機能性を特に発揮できる遷移金属を含む系の特異な性質を明らかにして行くことが主な目的である。今年度は5年ほど前に新規に開発したアルキルエチレンジアミンプロトン性イオン液体(PIL)を主な対象として、銅(II)イオンやニッケル(II)イオンとの常磁性緩和による相互作用を追求する点に成果があった。銅(II)イオンによる緩和時間の温度依存性の精密解析によりイオン液体中の錯形成の寿命を世界中の研究者に先駆けて決定することに成功し、それが通常の分子液体中に比べて特別長くなっていることを突き止めたのは大きな成果である。また本補助金の半額以上を投資して購入した紫外可視吸光分光計は、昨年5月に導入以来フル稼働し、銅イオンやニッケルイオンの錯形成に関する基本的で価値ある情報を数多く導き出し、研究の進展に大きく貢献した。連携研究者の原田准教授との協同研究では、高エネ研のEXAFSにより銅(II)錯形成に関する精密な構造についての情報を得た。この得られた情報も上記のNMRの動的データの解析に重要な役割を果たした。一方、研究代表者の開発したイオン液体を用いた産総研との二酸化炭素吸収に関する基礎研究、電力中央研・慶応大との金属錯体の電気化学挙動に関する研究など、協同研究も順調に進展し貴重な成果が得られつつある。特に、先行している産総研との協同研究は特許の出願を検討している。昨年に引き続いて,我々のグループが独自に開発したキレートアミンを持つプロトン性イオン液体(PIL)と遷移金属イオンとの相互作用を,本研究費交付によって購入した紫外可視近赤外分光光度計を基礎に,NMR緩和やEXAFS(つくばの高エネ研利用)を用いて広範に追及した。本年度は,数年間続けてきたアルキルエチレンジアミン型イオン液体中での銅(II)イオンの錯形成について論文を発表した。さらに,銅(II)イオンと比較する意味で,同じく二価の電荷を持つニッケル(II)やマンガン(II),鉄(II),コバルト(II)などのイオンとの相互作用について調べた。ニッケルイオンについては,銅イオンと異なる相互作用の特有の興味深いメカニズムが明らかにされた。また,マンガンや鉄,コバルトなどの金属イオンについては,イオン液体と徐々に酸化還元反応することが分かった。これは,一種の電気化学的な挙動と結びつく点で本研究プロジェクトの標題と関連している。一方で,極性基のアミンの数を1個増やしたジエチレントリアミン系のプロトン性イオン液体についてもエチレンジアミン系と同様に,銅イオンとの相互作用を調べた。わずかに分子構造が変わるだけでそれに応じて,より金属イオンを取り込みやすくなるとか,親水性が増すなどの顕著な効果が現れた。なお,アルキルエチレンジアミンも含めてこれらの一連のイオン液体のうち,疎水的なアニオンを持つものは水溶液から強く金属イオンを抽出できることを見出し昨年出版の論文で発表した。今年度は,更にこれらのイオン液体に取り込まれた金属イオンが,希硝酸溶液を用いることにより水層へ逆抽出できることを見出した。一方,産総研との協同研究により,我々の開発したPILが空中の二酸化炭素などの酸性ガスを効率よく吸着・脱吸着できることを見出し,昨年に特許出願している。本年度は博士前期課程二年の二名の院生を中心にした研究体制によって更に研究が進展し、研究代表者の勤務としても最終年度となる一年を充実した形で終えることができた。主に取り組んだ課題は二つある。一つは,triamineを極性基に持つプロトン性イオン液体と銅(II)イオンとの相互作用に関する研究で,これまで主に行ってきたdiamine-PIL系と比較しつつ研究を展開した。銅(II)イオンの錯形成によるイオン液体の13CNMR常磁性緩和から銅(II)イオンの錯形成の寿命を見積もった。先に報告したdiamine系に比べて寿命が著しく長くなっていることが分かった。また,diamine系とtriamine系双方のPIL系について3種類の色素を用いて極性に関する溶媒パラメーターを求めた。その結果,PILイオン対の片方のイオンの極性が高い方がイオン対を形成することによってむしろ極性が低くなることが分かった。二つ目の主な課題はアルキルエチレンジアミン遷移金属錯体の分子構造とイオン液体形成との関係である。銀,亜鉛,銅,ニッケルについて多数の金属錯体を単離し,電荷,カチオン側のアルキル鎖,対イオンの分子構造などの効果を系統的に調べた。その結果、一価のカチオンである銀錯体については、およそ予想されるような傾向が見られたがイオン間相互作用の強い二価のカチオン錯体については、分子構造の効果がより特異的に働き,単純な規則にはあてはまらないいくつかの興味深い結果が得られた。これらの研究を基礎として,研究課題に沿った共同研究も進んだ。

我々が開発したtriamine-PILが二酸化炭素吸収剤として優れていることは産総研との協同研究で明らかにされていたが,2016年1月に特許が公開された。また電力中央研との協同研究ではdiamine-PILを添加剤として銅(II)イオンのイミダゾリウム系IL中での電気化学挙動への効果を調べた。アルキルエチレンジアミンならびにアルキルジエチレントリアミンから成るプロトン性イオン液体(PIL)を新たに開発した。そして,それらにおける遷移金属イオンの錯形成について,可視吸収スペクトル,NMR,およびEXAFSにより詳細な構造化学的研究を行った。これらのイオン液体はキレートアミンを持ち,そのために遷移金属イオンをはじめとするルイス酸を取り込みやすいのが特徴である。これらの結果を基にして,本PIL系が大気中の二酸化炭素の吸着・放散に極めて有力であることを示した。更に,本PIL系をイミダゾリウム系のイオン液体に共存させて銅(II)イオンの酸化還元挙動への影響についても調べた。平成26年度は,本研究課題の成果について溶液化学シンポジウムとイオン液体討論会でそれぞれ1件,2件,大学院生による発表を行い,また,一名の博士前期課程院生を修了させた。学術論文発表では,上記のように無機化学分野で代表的なアメリカ化学会発行のInorganicChemistry誌に長編の論文を発表した。審査員からの評価も高かった。本研究課題と密接に関連する二酸化炭素吸収材としての我々の開発したキレートアミン型イオン液体の有用性が産総研(仙台)との共同研究で明らかにされ,特許出願するにまで至った。この研究については,昨年6月にカナダで行われたイオン液体を用いた分離分析の国際会議においても発表した。今年6月に開催される第7回イオン液体国際会議ででも発表の予定である。また,本研究課題で代表者の飯田は神戸大のセミナーで招待講演を行い,活発で有意義な議論を交わした。溶液化学最終年度に力点を置くのは,ジエチレントリアミン系のイオン液体である。この系はエチレンジアミン系に比べて,アミンの数が増えることによって金属イオンとの相互作用が増すとともに親水性が増加し,そのような構造変化に伴う協同的で顕著な効果が表れることが判明しつつある。これは,本研究課題の目的に沿った成果であり,興味深い。このトリアミン系は,一方で,上記のように産総研(仙台)と共同研究を行った結果,二酸化炭素の吸収と放出の可逆性がこれまで報告されたイオン液体系に比べて極めて高いことがわかり,目下特許出願中である。この共同研究との関連もあって,我々独自のジエチレントリアミン系のイオン液体は,更なる研究の推進により興味深い結果が得られることが期待される。研究の基本となるのは、新規のアミンキレート型のイオン液体の開発とその遷移金属イオンとの選択的相互作用である。これについては、これまで主に扱ってきたエチレンジアミン型に加えて、キレート部位のアミンをひとつ増やして金属イオンとのより強い相互作用が期待できるジエチレントリアミン型について、再結晶を取り入れた新たな精製法が見つかり研究が大きく進展した。
ライフスタイルと脳の働き　－超高齢社会を生き抜くための心理科学－

【運動介入】バランス運動介入が高齢者の認知機能に及ぼす影響を、二重課題介入、単一課題介入、待機の3群でのランダム化比較試験で調べた。行動データでは、2つの介入方法による違いはなかったが、介入によって実行機能が上昇する傾向がみられた。【音楽マスターズ】生涯にわたって楽器練習を継続する音楽群高齢者の脳機能を非音楽群と横断比較した結果、音楽群は実行機能やタッピングにおいて非音楽群よりも成績が優れ、また、小脳で灰白質容積が大きいことがわかった。【音楽介入】(1)ワーキングメモリ課題中の脳賦活の加齢変化を、前期高齢者と後期高齢者で横断比較した結果、後期高齢者は前期高齢者よりも前頭前野で過活動がみられた。(2)新たに取り組む楽器演奏訓練が高齢者の認知機能に及ぼす効果を、ランダム化比較試験で調べた。4か月の介入で、言語記憶の成績向上と、ワーキングメモリ課題中の脳賦活の減少(神経処理効率増大)がみられた。【多感覚統合】高齢者における若者に比した過剰な多感覚相互作用について、これまでに見出していた手のみならず、足の近傍空間においても過剰な多感覚相互作用を確認した。【歩行制御】転倒危険性の高い障害物回避場面を、バーチャルリアリティで再現したシステムを用い、実環境で訓練すべき衝突回避能力を、安全に訓練できるかどうかを調べ、その可能性が確認できた。【世代間交流】世代間交流によって向上する記憶の神経基盤について、健常高齢者と若者で検証をおこなった結果、高齢者が異世代(若者)から提示された記憶を想起している際に特異的に、背内側前頭前野や外側前頭前野などの記憶想起時の動機づけに関連する領域に有意な賦活が同定された。【脳構造解析】高齢者への運動介入による脳構造変化を調べるために、surface-baseの脳構造解析をおこない、運動介入の効果を前頭前野の灰白質容積や皮質厚などの形で見出した。ほとんどの項目で実験データ収集が完了または完了のめどがたち、データ解析結果もかなり見えてきている。収集したデータについては、最も解析に時間のかかる脳画像データも含めて解析を進め、結果の論文化、投稿に力を注ぐ。また、新たに収集するデータも含めて、研究成果の総合的な概観を示す。本年度は、スポーツマスターズ研究、運動介入研究、音楽介入研究、音楽マスターズ研究、多感覚統合研究、歩行制御研究、世代間交流研究などの研究項目について準備、実施等をおこなった。これまでに解析結果等が明らかになった主な項目について、以下に述べる。【スポーツマスターズ】長期的な運動習慣が高齢者の認知機能維持に効果をもつかどうかを調べるために、1つのスポーツを15年以上続けている運動群とあまり運動していない非運動群の高齢者を対象に、認知機能検査やfMRIによる横断的な比較をおこなった。運動群は非運動群に比べ、fMRIで測定した運動イメージ課題中の大脳基底核の活動が有意に高く、より実際の身体運動に近いイメージ操作をおこなっていることがわかった。ただし、行動成績は両群で差がみられず、今後の方針として、1)大脳基底核の高い活動の意味をより明確にするため、大脳基底核の体積の群間比較をおこなう、2)数年後に両群の縦断的な変化を調べる、などの展開が考えられる。【音楽介入】音楽訓練経験のない高齢者に楽器演奏訓練に取り組んでもらうことで認知機能が向上するかどうかを、ランダム化比較試験のデザインでおこない、認知機能の変化を訓練群と待機群で比較した。その結果、訓練による有意な介入効果がエピソード記憶でみられた。【多感覚統合】高齢者の身体近傍空間における感覚間相互作用の特性が運動機能と関連があるかどうかを調べた。その結果、高齢者は若年者よりも感覚間相互作用が過剰に起こりがちで、その程度は運動機能が低下しているほど大きいことが示唆された。本研究は、比較的多数の高齢者を対象にした3ヶ月にわたる介入の効果を複数期にまたいでデータ収集する研究項目を含み、その実施のみならず前後に実施するfMRIによる脳機能データの解析にもかなり時間を要する。そのため、明確な結果が出ている研究項目は限られるが、各研究項目の実験は進行しており、総合的に見た進捗としては計画に照らしておおむね順調である。

【歩行制御】転倒危険性の高い障害物回避場面を、バーチャルリアリティで再現したシステムを用い、実環境で訓練すべき衝突回避能力を、安全に訓練できるかどうかを調べ、その可能性が確認できた。【世代間交流】世代間交流によって向上する記憶の神経基盤について、健常高齢者と若者で検証をおこなった結果、高齢者が異世代(若者)から提示された記憶を想起している際に特異的に、背内側前頭前野や外側前頭前野などの記憶想起時の動機づけに関連する領域に有意な賦活が同定された。【脳構造解析】高齢者への運動介入による脳構造変化を調べるために、surface-baseの脳構造解析をおこない、運動介入の効果を前頭前野の灰白質容積や皮質厚などの形で見出した。ほとんどの項目で実験データ収集が完了または完了のめどがたち、データ解析結果もかなり見えてきている。計画した研究項目の主な結果を述べる。【運動介入】バランス訓練による運動介入が地域在住高齢者の認知機能に及ぼす影響を調べるために、ランダム化比較試験の介入研究をおこない、事前計測、介入、事後計測を終了した。【音楽マスターズ】楽器練習を継続する高齢者(音楽マスターズ)の脳機能が非音楽群よりも優れるかを横断的に調べるために、認知機能検査、脳計測をおこない、データ収集を完了した。【音楽介入】(1)音楽訓練経験のない小学生が楽器演奏訓練に取り組むことで認知機能が向上するかどうかを、ランダム化比較試験の介入研究で調べた。その結果、訓練による有意な介入効果がワーキングメモリでみられた。(2)次年度に本格的に実施する高齢者を対象とした楽器演奏介入研究について、参加者募集と事前検査をおこなった。【多感覚統合】高齢者は若年者よりも感覚間相互作用が過剰に起こりがちであるというこれまで得られた結果の発展形として、今年度は、足について調べる実験を、「ラバーハンド錯覚」の足バージョンとして、地域在住高齢者を対象に実施した。【歩行制御】隙間通過行動を再現したVR課題を作成し、実環境の行動再現力を検討している。前年度に、VRで再現困難だった点について、H29年度はVR環境での行動の不確実性に着目して、さらに検証を行った。【世代間交流】世代間交流によって変化する記憶の神経基盤とその加齢変化について、高齢者と若者を対象に、記憶成績に関する行動データおよび記憶課題中のfMRIによる脳活動データを収集した。【視線計測による軽度認知障害の検出】軽度認知障害と診断された患者と健常高齢者とを、アイトラッカーで計測した顔記憶課題中の視線布置で比較した結果、健常者では目に視線を集中させて記憶するのに対して、軽度認知障害者ではそのような集中がなく、視線が分散していることがわかった。昨年度の立ち上げではやや時間を要した研究項目があったが、データの収集は今年度で飛躍的に進み、各研究項目で実験は進行しており、総合的にみておおむね順調に進展しているといえる。解析が未完了のデータについては、その解析を進め、論文にまとめる。また、思ったような単純な結果が出なかった研究項目についてはさらなるデータ収集やデータ解析を進め、これまでのデータを生かせるようなまとめを試みる。収集したデータについては、最も解析に時間のかかる脳画像データも含めて解析を進め、結果の論文化、投稿に力を注ぐ。
X線とクライオ電子顕微鏡を併用したヒトLRH-1転写制御複合体の分子機構解明

最近、大規模な遺伝子解析、更には膵臓癌細胞の研究から、核内受容体LRH-1の遺伝子発現制御機構の破綻が膵臓癌と関係することが示され、創薬ターゲットとして注目されている。つまり、LRH-1の機能を抑制することができれば、膵臓癌に対する創薬において新たな道が拓かれる可能性が期待される。本研究では4つのドメインからなる全長LRH-1が活性化因子やDNAに結合した状態として、X線結晶構造解析、X線溶液散乱解析、クライオ電子顕微鏡解析によって立体構造を解明し、ドメイン間相互作用の分子機構を解明すると共に、新たなターゲット界面を見出すことにより、LRH-1の分子創薬基盤を構築する。
遺伝的多様性維持機構の解明：ヤチネズミ個体群の空間構造と個体数変動に着目して

mtDNAとncDNAの多様性は,理論上,mtDNAの方が著しく低くなると予想されている。これを実証するために,哺乳類,鳥類個体群の観察と個体群構造の分析を行った。その結果,予測とは異なり,多くの個体群でmtDNAの多様性がncDNAよりも高かった。これは,突然変異率がmtDNAでより高いという性質で説明できたが,データの大きなばらつきは個体数変動の結果であると考えられた。哺乳類,鳥類間の違い(哺乳類でmtDNAの多様性がより高い)は,分散行動の性差の違いで説明できた。これらの結果は,遺伝的多様性の維持機構において個体群構造が重要な機能を持つという報告者の仮説を支持するものである。研究代表者が提唱する遺伝的多様性の維持機構に関する仮説に基づく第1の予測「メスの分散距離が短いので,母系遺伝をするミトコンドリアDNAに基づく集団構造は核DNAに基づく構造よりも小さい」について石狩湾沿いのエゾヤチネズミ個体群を対象に分析し,予測を支持する結果を得,日本生態学会でその研究成果を発表した.第2の予測「オスは様々な集団から移入してくるので,オスの集団はメス集団よりも多様なミトコンドリアDNAを持つ」について石狩湾沿いのエゾヤチネズミ個体群を対象に分析し,予測を支持する結果を得,日本生態学会でその研究成果を発表した.第3の予測「個体群が大発生すると移動性が促進され遺伝的多様性が高まる」を検証するために個体数が大変動するスウェーデンの個体群を分析するため,スウェーデン農科大学が保有するヤチネズミの標本を共同で分析するプロジェクトを開始させた.研究代表者らが同大学を訪れ,約2000個体の組織サンプルを採取し,北海道大学に持ち帰った.持ち帰ったサンプルを整理し,捕獲記録と照合した.捕獲記録を分析した結果,スウェーデン個体群は0.5 haあたり0-20個体で変動し,ほぼ3年周期で高密度になる年が見られた.北海道の個体群と比較すると,平均的な密度はスウェーデン個体群で低く(北海道個体群の約三分の一),地域間の同調と周期性がスウェーデン個体群でより明瞭であった.スウェーデン個体群と北海道個体群は同種であるが,個体数の変動パターンにこのような違いが見られ,これが個体群の遺伝的な構造にどのような影響を与えているのかを次年度以降に分析する.研究代表者は,エゾヤチネズミ個体群の遺伝子分析に基づき,北海道本島の個体群では,ミトコンドリアDNAの多様性は核DNAのそれとほぼ同等か,ミトコンドリアDNAの方が高い,というパターンを見いだした.しかし,哺乳類におけるミトコンドリアDNAの有効遺伝子数は,核DNAのそれよりも理論上は四分の一であり,集団遺伝学上の理想集団においては,ミトコンドリアDNAの多様性は核DNAのそれよりも低くなると予想される.代表者は,理論的予測と実測値の違いを説明するために,「ミトコンドリアDNAに基づく集団構造は核DNAに基づく構造よりも小さく,核DNAに基づく集団に内包される,という分集団構造を持ち,ミトコンドリアDNA分集団間の移動によって,ミトコンドリアDNAに対してより高い多様性がもたらされる」という仮説を提唱した.これまでは,この仮説による予測をエゾヤチネズミ個体群を対象に着実に実証してきたが,本年度は,実証研究を進めるとともに,この仮説の一般性を検討するために,集団遺伝学の基本理論を再整理し,他の哺乳類個体群の分析結果をメタ解析することによって,仮説を補強することに努めた.その結果,哺乳類19種,80個体群のほとんどは理論予測とは異なる遺伝的多様性パターンを示し,哺乳類の野生集団は集団遺伝学上の理想集団とは異なる性質を持っていることを明らかにした.理論値からの逸脱の原因をシミュレーション分析によって解析した結果,代表者が提唱する仮説に基づく性質に加えて,哺乳類個体群は過去に強いボトルネック(非常な低密度)を経験していることが強く示唆された.研究代表者が提唱する遺伝的多様性の維持機構に関する仮説の一般性を検証する中で,個体群の空間構造に加えて,ボトルネックの効果が重要であることがわかった.これは,遺伝的多様性の維持機構に関する研究における大きな進展である.本課題では,検証すべき第3の予測として「個体群が大発生すると移動性が促進され遺伝的多様性が高まる」を考えてきたが,この予測の検証とともに,第4の予測「個体群がボトルネック(非常な低密度)になると遺伝的多様性が個体群間変異が大きくなる」ことについても検証する必要性が生じた.つまり,本課題の達成度は,当初に予定していた仮説を着実に実証しているのに加え,今後の発展につながる新規事実を発見したと自己評価できる.これらの研究成果は東アジア生態学会連合大会のシンポジウムで発表し,現在,論文執筆に入っている.前課題で分析したエゾヤチネズミ個体群において,北海道の属島である小さな島ではmtDNAの多様性が低いが,北海道本島の個体群ではmtDNAとncDNA両方の多様性はともに高いというパターンを見いだした。本研究の目的は,このパターンの一般性を他の地域の個体群を分析することによって確かめ,さらに文献調査によって哺乳類の他種と鳥類において,このパターンの一般性を実証することである。また,集団遺伝学理論と実証データとの整合性を個体群の内部構造に着目して説明することも目的とした。本研究の目的にそう先行研究から,哺乳類21種から132個体群,鳥類23種から113個体群の遺伝的多様性に関するデータを得た。その結果,ほとんどの個体群において理論値よりもmtDNAの多様性が高かった。ヤチネズミ個体群において,mtDNAに基づく個体群構造とncDNAに基づく分集団構造を比較した。

その結果,mtDNA分集団がncDNA分集団よりも小さいことが明らかになった。これは,メスは出生地に留まるが,オスは分散するという分散行動の性差の結果であると考えられた。観察されたmtDNAとncDNAの多様性の関係を説明するために,個体群構造を組み入れたシミュレーション分析を行った。その結果,哺乳類,鳥類個体群でmtDNAの多様性が理論値よりも高いという現象は,mtDNAの突然変異率がncDNAのそれよりも高いという性質によって説明できた。また,実証データの大きなばらつきは個体数変動の結果であると考えられた.哺乳類,鳥類個体群間で観察されたパターンの違い(哺乳類でmtDNAがより高い傾向がある)は,分散行動の性差の違いで説明されることがわかった。この結果,遺伝的多様性の維持機構において個体群構造が重要な機能を持つという報告者の仮説が支持された。mtDNAとncDNAの多様性は,理論上,mtDNAの方が著しく低くなると予想されている。これを実証するために,哺乳類,鳥類個体群の観察と個体群構造の分析を行った。その結果,予測とは異なり,多くの個体群でmtDNAの多様性がncDNAよりも高かった。これは,突然変異率がmtDNAでより高いという性質で説明できたが,データの大きなばらつきは個体数変動の結果であると考えられた。哺乳類,鳥類間の違い(哺乳類でmtDNAの多様性がより高い)は,分散行動の性差の違いで説明できた。これらの結果は,遺伝的多様性の維持機構において個体群構造が重要な機能を持つという報告者の仮説を支持するものである。研究代表者が提唱する遺伝的多様性の維持機構に関する仮説に基づく主要な3予測のうち,「メスの分散距離が短いので,母系遺伝をするミトコンドリアDNAに基づく集団構造は核DNAに基づく構造よりも小さい」と「オスは様々な集団から移入してくるので,オスの集団はメス集団よりも多様なミトコンドリアDNAを持つ」を支持する結果を得て,研究成果を学会で発表した.また,第3の予測「個体群が大発生すると移動性が促進され遺伝的多様性が高まる」を検証するために,その基盤となるスウェーデンのヤチネズミ個体群を分析するため体制を整えることができ,検証の見通しがたったため.検証すべき第3の予測として「個体群が大発生すると移動性が促進され遺伝的多様性が高まる」と第4の予測「個体群がボトルネック(非常な低密度)になると遺伝的多様性が個体群間変異が大きくなる」を検証する.また,これまでの成果を論文にまとめる.また,スウェーデン個体群の遺伝子分析は,北海道個体群で培われた手法が有効であることを確認した.平成28年度に本格的な分析を行う.28年度が最終年度であるため、記入しない。動物生態学遺伝的多様性の維持機構に関する仮説「メスの分散距離が短いので,母系遺伝をするミトコンドリアDNAに基づく集団構造は核DNAに基づく構造よりも小さい」と「オスは様々な集団から移入してくるので,オスの集団はメス集団よりも多様なミトコンドリアDNAを持つ」に関する研究成果を学術雑誌で発表する.第3の予測
蛋白質のアミロイド線維形成における水の役割

アミロイド線維は、蛋白質と水との相互作用の異常がもたらす構造状態である。アミロイド線維の構造安定性や形成機構を研究することは、蛋白質の構造や物性、水との相互作用に対する理解を深めるために重要である。透析アミロイドーシスに関わるβ2ミクログロブリンとアルツハイマー病に関わるAβペプチドを用いて、アミロイド線維の構造安定性やアミロイド線維形成の分子機構を研究して、以下の成果を得た。1.線維形成のリアルタイム観察:既に、全反射蛍光顕微鏡とアミロイド線維に特異的に結合するチオフラビンTを用いて、線維の伸長反応を一線維レベルかつリアルタイムで観察する方法を開発し、β2ミクログロブリンやAβペプチドの線維形成を観察してきた。今年度は特に、自発重合によるAβアミロイド線維形成を観察し、極めて多様な線維の形成されることを明らかにした。これを基に、アミロイド超分子構造の多様性の重要性を提案した。2.線維の配向と分光特性:アミロイド線維が流れによって配向し、特徴的な円二色性、直線二色性を示すことを発見した。特に直線二色性を基に、アミロイド線維の発色団の分子構造を推定できることを示した。3.蛋白質の凝集によってアミロイド核形成が促進されることを示した。また、線維形成は水との相互作用において天然構造とは異なる大きな変化を伴なうこと、熱測定や体積変化によってこれを検出できることを示した。全研究期間内では、蛋白質のフォールディングとアミロイド線維形成についての共通点と相違点を、明らかにすることができた。特に、水との相互作用において大きく異なる特徴を示した。アミロイド線維では露出した親水性基が水の広範な水素結合ネットワークを誘導している可能性がある。しかし、その分子論的な理解は未解決であり、今後の課題である。アミロイド線維は、蛋白質と水との相互作用の異常がもたらす構造状態と考えることができる。本研究では、透析アミロイドーシスに関わるβ2ミクログロブリンとアルツハイマー病に関わるAβペプチドを用いて、アミロイド線維の構造安定性やアミロイド線維形成の分子機構を研究し、以下の成果を得た。1.全反射蛍光顕微鏡を用いて、β2ミクログロブリンの線伸長過程を一分子観察した。この方法では、アミロイド線維に特異的な蛍光色素であるチオフラビンTを利用する。チオフラビンTを溶液中に添加することにより、アミロイド線維だけを特異的に観測することができる。これより、β2ミクログロブリンのアミロイド線維がシードより一方向に成長することが明らかとなった。Aβペプチドにおいてもアミロイド線維伸長反応を観測することに成功した。2.アミロイド線維とそれに類似した構造状態の安定性を、水素/重水素交換反応とジメチルスルフォキシドによる溶解、NMR測定を組み合わせて、残基レベルで解析した。今回用いたのは、剛直なアミロイド線維、フレキシブルなフィラメント状構造、β2ミクログロブリンの部分ベプチドが形成する剛直な線維である。その結果、アミロイド線維のコアが形成され、それが分子全体に成長してゆく、階層的な構造形成モデルを提唱した。3.β2ミクログロブリンのさまざまな変異体を作製し、ネイティブ状態の構造安定性、アミロイド線維の構造安定性を比較した。その結果、アミロイド線維の構造安定性が、アミロイド線維形成を支配する重婁な因子のひとつであることを明らかにした。1.昨年度に確立した「全反射蛍光顕微鏡を用いたアミロイド線維の一分子観察」を、Aβペプチドに適用した。シードに依存したアミロイド線維の伸長反応を、一線維レベルで、またリアルタイムで極めて鮮明な蛍光顕微鏡画像として観察することができた。これにより、Aβアミロイド線維が3本のプロトフィラメントから構成されること、モノマーペプチドが過剰に存在する条件下では線維形成速度は一定であり、定常状態反応に近いことなど、線維形成機構の詳細を推定することができた。2.アミロイド線維形成反応は立体特異的な反応であることをアミノ酸のL/D光学異性体を用いて研究した。この目的には、β2ミクログロブリンのK3ペプチドを用いた。シード依存性の伸長反応では、シードとモノマーペプチドのL/D異性が一致する時にのみ伸長反応が観測された。3.アミロイド線維形成反応の熱力学的機構を解析した。β2ミクログロブリンの酸性でのシード依存性アミロイド形成反応を等温滴定型熱量計によって測定し、アミロイド線維形成に伴う熱力学量を明らかにした。これを示差走査熱量計によって測定したβ2ミクログロブリンの熱変性に伴う熱力学量と比較した。この結果、ネイティブ構造と比較して、アミロイド線維のパッキングの程度は低いことが示唆された。「ネイティブ構造が側鎖主体の構造であるのに対して、アミロイド線維は主鎖主体の構造」という考えがあり、本結果はそれを支持する。