hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
食品成分の標的受容体分子の機能制御に基づく抗アレルギーシグナルの解明

本研究では、ヒト好塩基球(株化細胞)やマウスマスト細胞(正常細胞)を用いて、緑茶カテキン(エピガロカテキンガレートおよびそのメチル化体:EGCGおよびEGCG3"Me)の抗アレルギー活性(高親和性IgE受容体発現抑制作用およびヒスタミン放出抑制作用)について検討することを目的としている。1)ヒトにおける抗アレルギー作用(花粉症の改善など)が確認されている"べにふうき緑茶"に多く含まれる抗アレルギー茶葉成分EGCG3Meの作用機序を明らかにするため、緑茶カテキン受容体67kDa laminin receptor(67LR)を特異的にノックダウンしたヒト好塩基球様細胞株KU812に対するカテキンの効果を検討した。その結果、EGCG3"Meの高親和性IgE受容体発現抑制作用およびヒスタミン放出抑制作用は67LR発現の低下により阻害され、さらに、EGCG3"Meの細胞表面結合性も低下することが明らかとなった。また、EGCG3"MeはERK1/2リン酸化阻害活性および細胞骨格再編成活性(ミオシン軽鎖のリン酸化阻害活性)を示したが、これらの作用は67LR発現の低下によって阻害された。以上の結果から、EGCG3"Meは細胞膜上の67LRを介したERK1/2およびミオシン軽鎖のリン酸化阻害によってその抗アレルギー作用を発揮していることが示唆された。2)次に、マウスの骨髄細胞をサイトカイン(IL-3およびSCF)存在下で培養することで、マスト細胞へと分化させ、これら細胞に対する緑茶カテキンEGCGの抗アレルギー活性について検討を行った。その結果、EGCGは高親和性IgE受容体発現抑制活性およびヒスタミン放出抑制活性を示し、これらの作用に細胞表面結合性、ERK1/2およびミオシン軽鎖のリン酸化阻害作用が関与することが明らかとなった。以上の結果から、EGCGは、好塩基球(株化細胞)だけではなく、マスト細胞(正常細胞)に対しても抗アレルギー作用を発揮することが明らかとなった。本研究は、緑茶カテキンの抗アレルギー作用を明らかにするため、主要な緑茶カテキンであるエピガロカテキンガレート(EGCG)の高親和性IgE受容体(FcεRI)の発現抑制作用と、われわれが新たに見出した緑茶カテキンの抗ガン作用を仲介する細胞表面受容体67LR(67kDa laminin receptor)ならびに細胞膜の機能性マクロドメイン脂質ラフトとの関係について検討を行った。ヒト好塩基球様細胞株KU812におけるEGCGの細胞表面結合性ならびにFcεRI発現抑制作用は脂質ラフトの破壊により顕著に阻害され、さらに、細胞膜のラフト画分中にEGCGが局在し、非ラフト画分にはほとんど存在しないことが明らかとなった。このような結果から、EGCGが細胞膜上に存在するラフトに結合してその抗アレルギー作用を発揮していることが示唆され、ラフト局在分子が細胞表面上のEGCGの標的分子となりうる可能性が考えられた。そこで、最近、われわれが同定した緑茶カテキン受容体67LRの細胞膜における局在を検討したところ、67LRが脂質ラフトに局在していることが明らとなった。そのため、RNA干渉法により67LRの発現を特異的にノックダウンした細胞を構築して、EGCGのFcεRI発現抑制作用への67LRの関与について検討した。その結果、67LR発現の低下により、EGCGの細胞表面への結合性が低下するとともに、EGCGのFcεRI発現抑制作用およびその活性抑制に関わるERK1/2のリン酸化抑制作用の阻害が観察された。以上のことから、緑茶カテキンEGCGの抗アレルギー作用は、細胞表面上の脂質ラフトに局在する67LRへのターゲッティングによって開始され、それに引き続くERK1/2活性の低下が重要な役割を果たしていることが示唆された。本研究は、緑茶カテキンの抗アレルギー作用の分子的基盤を明らかにするため、主要な緑茶カテキンであるエピガロカテキンガレート(EGCG)のヒスタミン放出抑制作用と、われわれが新たに見出した緑茶カテキン受容体67LR(67kDa laminin receptor)ならびに細胞膜の機能性マクロドメイン脂質ラフトとの関係について検討を行った。ヒト好塩基球様細胞株KU812におけるEGCGの細胞表面結合性ならびにヒスタミン放出抑制作用は、脂質ラフトの破壊により阻害され、さらに、細胞膜のラフト領域にEGCGならびに緑茶カテキン受容体67LRが局在していることが明らかとなった。これらの結果から、ラブト領域中の67LRが、EGCGの細胞表面への結合を介したヒスタミン放出抑制に関与する可能性が考えられた。そこで、RNA干渉法により67LRの発現を特異的にノックダウンした細胞を構築し、EGCGのヒスタミン放出抑制作用への67LRの関与について検討した。その結果、67LR発現の低下により、EGCGの細胞表面への結合性が低下するとともに、EGCGのヒスタミン放出抑制作用の阻害が観察された。また、ヒスタミン放出は細胞内カルシウムレベルの上昇とそれに続く細胞骨格の再編成によって引き起こされるが、EGCGは細胞内カルシウムレベルには何ら影響を与えず、その細胞骨格を制御するミオシン軽鎖のリン酸化低下ならびにヒスタミン放出時に形成される細胞骨格(ラッフリング)の破壊を引き起こした。また、EGCGのこうした細胞骨格再編成作用は67LRを介して発現することも明らかとなった。以上の結果から、緑茶カテキンEGCGの抗アレルギー作用(ヒスタミン放出抑制作用)は、細胞膜の機能性マイクロドメイン"脂質ラフト"に局在する67LRへのターゲッティングによって開始され、それに引き続くミオシン軽鎖のリン酸化低下に基づく細胞骨格の再編成によって引き起こされることが示唆された。

本研究では、ヒト好塩基球(株化細胞)やマウスマスト細胞(正常細胞)を用いて、緑茶カテキン(エピガロカテキンガレートおよびそのメチル化体:EGCGおよびEGCG3"Me)の抗アレルギー活性(高親和性IgE受容体発現抑制作用およびヒスタミン放出抑制作用)について検討することを目的としている。1)ヒトにおける抗アレルギー作用(花粉症の改善など)が確認されている"べにふうき緑茶"に多く含まれる抗アレルギー茶葉成分EGCG3Meの作用機序を明らかにするため、緑茶カテキン受容体67kDa laminin receptor(67LR)を特異的にノックダウンしたヒト好塩基球様細胞株KU812に対するカテキンの効果を検討した。その結果、EGCG3"Meの高親和性IgE受容体発現抑制作用およびヒスタミン放出抑制作用は67LR発現の低下により阻害され、さらに、EGCG3"Meの細胞表面結合性も低下することが明らかとなった。また、EGCG3"MeはERK1/2リン酸化阻害活性および細胞骨格再編成活性(ミオシン軽鎖のリン酸化阻害活性)を示したが、これらの作用は67LR発現の低下によって阻害された。以上の結果から、EGCG3"Meは細胞膜上の67LRを介したERK1/2およびミオシン軽鎖のリン酸化阻害によってその抗アレルギー作用を発揮していることが示唆された。2)次に、マウスの骨髄細胞をサイトカイン(IL-3およびSCF)存在下で培養することで、マスト細胞へと分化させ、これら細胞に対する緑茶カテキンEGCGの抗アレルギー活性について検討を行った。その結果、EGCGは高親和性IgE受容体発現抑制活性およびヒスタミン放出抑制活性を示し、これらの作用に細胞表面結合性、ERK1/2およびミオシン軽鎖のリン酸化阻害作用が関与することが明らかとなった。以上の結果から、EGCGは、好塩基球(株化細胞)だけではなく、マスト細胞(正常細胞)に対しても抗アレルギー作用を発揮することが明らかとなった。
醗酵によるバイオマスの有効エネルギー化の研究

バイオマス、各種廃棄物等を醗酵原料とする生物燃料の効率的生産工程の改良と開発を目指し、ほぼ計画どおりの成果を得た。(1)各種酵母アミラーゼ遺伝子をクローニングし、アルコール酵母で発現させた(福井)。(2)キャサバ澱粉粕糖化用のグルコアミラーゼ高生産性Rhizopus sp.変異株を育成した(谷)。(3)キャサバ澱粉粕の併行複醗酵に用いるアミラーゼ系(Asp.saitoi+メイセラーゼ)を確定した(当山)。(4)植物繊維性物質の酵素糖化用セルラーゼ系を設計するため、23種類のセルラーゼ成分を単離精製した(荒井)。(5)好熱性アビセラーゼを好熱性放線菌培養上清より単離した(滝井)。(6)エタノール製造工程の中、コスト支配に最も効果的な要因は残糖率にあることを示した(田口)。(7)微粉砕米を原料とした無蒸煮アルコール醗酵に成功し、蒸煮醗酵法と遜色ないことを示した(藤尾)。(8)水素・ソルベント等の生産向上のため、Clostridium属菌のヒドロゲナーゼ遺伝子のクローニングに成功した(児玉)。(9)メタン・スラッジ中のClostridium butyricum T-7の分泌アミラーゼ遺伝子のクローニングに成功した(大井)。(10)下水処理場の活性汚泥を150°C処理すると固液分離が可能となり、同汚泥の有効利用法を提示した(永井)。(11)固定床による諸廃水のメタン醗酵の律速要因は負荷増大に伴う容積効率の低下であることを示した(久保田)。(12)微生物による低級炭化水素生産がスクワレンを基質として起こることを示した(福田)。(13)細胞融合法によりデヒドロジバニリン分解能とセロビオース分解能をもつ新規細菌の育種に成功した(清水)。(14)高温性アルコール醗酵酵母(43°C)の育種とZymomonas属菌用の宿主・ベクター系の開発とに成功した(外村)。(15)細菌キシラナーゼ系遺伝子とその産物について構造と機能の相関を解析した(岡田)。
高速大規模並列化有限要素法の確立とマルチスケール電磁界解析への応用に関する研究

並列化有限要素法の開発のために必要となる線形解法の効率的な並列化法の検討を目的として,2015年度は,(1)ブロックマルチカラーオーダリングを援用した並列解法の評価,(2)領域分割法のためのオーダリング手法の基礎検討,を行った.(1)辺有限要素法による電磁界解析では,線形方程式の解法として,前処理付きクリロフ部分空間法が広く使用されている.本解法には,行列ベクトル積と前進・後退代入が含まれるため,これらの計算部の高速化が必要である.前者については,Eisenstatの方法を適用することで,行列ベクトル積自体を省略できるアルゴリズムへ変換した.後者については,Reverse Cuthill-McKeeオーダリングから得られるレベル構造を使用したブロックマルチカラー(Modified RBMC)オーダリングを適用することで,効率的な並列化を実現した.Modified RBMCの使用により,行列のバンド幅が縮減され,収束特性の改善,キャッシュミスの低減に効果があった.さらに,Eisenstatの方法による一反復当たりの計算時間削減も達成できたため,開発した並列解法は,他の解法よりも概して高速に方程式を求解できた.(2)分散並列化に適したオーダリング(係数行列内の非零要素の並び替え)の開発は,効率的な並列化の実現といった観点から必須の検討項目である.そこで,マルチレベルグラフ理論に基づくMETISを援用したオーダリングを開発した.METISから得られる領域番号を基に,インターフェースに隣接する未知変数を後でリナンバリングする方法を実装した.集中メモリ下におけるオーダリングと比較した結果,開発したオーダリングは収束特性が悪く,計算時間の削減に効果がなかった.今後は,部分領域におけるオーダリングの再考,加法シュワルツ法の導入を行い,収束特性の改善について検討を進めていく.翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。
Yang-Baxter方程式の綜合的研究

三輪哲二と神保道夫は統計力学模型の観点から研究課題Yang-Baxter方程式の研究を進め、可解格子模型の新しい一般化を発見し、その局所状態確率とよばれる重要な量の計算に成功し、あるアファイン・リー環の対に対する分岐係数を用いた表式を得た。同じく高崎正久は、普遍グラスマン多様体の幾何学について新しい統一的観点を得ると共に、ゲージ場の可積分系の階層構造とその背後のリー環の関係を明らかにした。楠岡成雄は確率論的観点と方法により研究を進め、超混合過程について大きなずれの解析に成功するとともに、無限次元ジリクレ形式の極大性と場の量子論のヒュークローン模型について成果を得た。中西襄は場の理論の観点と方法により研究を進め、漸近的完全性とチャーンサイモン項を持つ3次元ゲージ理論についての解析に成功するとともに、局所ローレンツ対称性の超対称性への拡張を得た。河合隆裕は代数解析的観点と方法により研究を進め、解析的係数の線型微分方程式の解析的解の半大局的存在定理と陪特性曲面の凸性について重要な知見を得るとともに、赤外特異性の超局所解析に成功した。島川和久は位相幾何学的観点と方法により研究を進め、単項的G次数つき圏に付随した無限ループG空間の解明に重要な寄与を与えた。荒木不二洋は作用素環的観点と方法により研究を進め、量子統計力学の可解模型であるXY模型のマスター対称性の構造を明白にしたが、この結果は8頂点模型Yang-Baxter方程式に由来するハミルトニアンの可換量と直接関係があると予想され、今後の研究の発展が期待される。
放電現象を用いた材料作製法における伝熱解析

近年、放電加工による表面改質法が、工業的に有効な手法として注目されてきている。そこで本研究では、放電現象に関わる基礎的要因の把握を目的として、表面合金層形成過程における放電現象の伝熱解析を行なった。本年度は研究開始年度であることから、下記の実験を中心に伝熱現象の解析を行なった。1.SUS304の表面改質:放電加工処理により生成された表面改質層の組織観察を行なった。観察結果より、改質層内に凝固組織の形成が認められた。また、加工雰囲気および加工条件を変化させることにより、放電エネルギーの両極への分配が変化し、凝固組織の形態が変化したと考えられる。2.放電柱の温度測定:発光分析によりスペクトルを検出し、二線強度比較法により放電柱の温度を算出した。放電柱の温度は、電流値に依存せず約6000°C程度であった。このことから、放電直下は電極及び被加工物を昇華または溶融するような温度に達していると見なすことができる。3.圧粉体組織観察:被加工物全体への伝熱効果を調べるために、圧粉体を被加工物として、その熱影響組織を観察した。放電処理後、表面近傍には均一に緻密なバルク状の熱影響層が生成したが、中心部では圧粉体のままであった。このことは、表面近傍のみが熱影響を受けていることから、表皮効果によるものと考えられ、今後はこの効果も考慮した解析を行なう予定である。以上の結果から、今後は実際の放電現象の熱特性が把握できる圧粉体を中心に研究を進め、特異な熱サイクルを持つ放電の伝熱シミュレーションを行ない、さらに放電加工技術を新素材作製の一手段として開発する計画である。
共鳴励起による軌道選別表面電子状態分布の研究

(1).共鳴励起型STM装置の製作低温において共鳴励起した状態でのSTM測定およびSTMによるトンネル発光スペクトル空間マッピング測定が可能な低温型光学顕微分光トンネル顕微鏡を製作を行った。トンネル発光の集光系としてレンズをSTM装置内に設置し、真空装置外部に設置した光学系とあわせて集光し、光ファイバーで分光器へ導入して検出できるようにした。またSTM、STS制御装置とトンネル発光の光学測定装置の通信同期を行い、これによりSTMによる構造像、STSによる局所状態密度、トンネル発光の3つの同時測定を可能にした。(2).有機分子薄膜のトンネル発光スペクトル空間分布測定共鳴励起状態の局所状態分布を測定するための基礎研究として、金(111)表面上の有機分子(アルカンチオール)薄膜の共鳴励起状態を明らかにするために、STMによるトンネル発光スペクトルを測定した。今年度は、チオール基を二個有するオクタンジチオール薄膜のトンネル発光スペクトルと吸着による局所電子状態密度の相関を明らかにするために、STSとトンネル発光スペクトル空間マッピングの同時測定を液体窒素温度で行った。この測定を清浄Au(111)表面に対する結果と比較した。これにより吸着により、発光スペクトルは長波長側にシフトし、また長波長側に発光強度が増大することを示した。この変化は、STSにより求めた状態密度変化、すなわち、フェルミレベル近傍での状態密度の減少、0.2eV以上での増大とよく対応していることがわかった。これによりAu(111)上オクタンジチオール薄膜のトンネル発光変化は、吸着表面の局所状態密度変化によることを明らかにした。1.共鳴励起型STM装置の製作低温型トンネル顕微鏡(STM)に光学測定用レンズ・システムを組み込み、10K程度の低温状態でのSTM測定と共鳴励起した状態でのSTM測定およびSTMによるトンネル発光スペクトル空間マッピング測定が可能な低温型光学顕微分光トンネル顕微鏡を設計製作した。現在、立ち上げ、調整を行っている。2.有機分子薄膜のトンネル発光スペクトル空間分布測定今後、上記1.の装置を用い共鳴励起状態の局所状態分布を測定するための基礎研究として、有機分子薄膜の測定を行った。共鳴励起状態の測定を行う上で、励起状態の逆プロセスとしてのトンネル発光スペクトルを測定した。単原子ステップが観測される平坦な金薄膜上にアルカンチオール(デカンチオール)を吸着させ、そのトンネル発光スペクトル空間マッピングとSTM像の同時測定を行った。金上のアルカンチオール薄膜はエッチピット構造のある薄膜が形成されるが、トンネル発光スペクトル分解発光像において、このエッチピット幾何学構造と対応したスペクトル分解発光像が初めて測定できた。また、アルカンチオール薄膜のエッチピット構造とそれ以外の平坦構造のトンネル発光スペクトルを分離して測定できた。その結果、エッチピットおよびそれ以外の平坦構造の吸着状態が類似のものであることがわかった。このことは、アルカンチオール薄膜形成時にエッチングされた金薄膜の部分に同じ有機薄膜状態が形成されていることを示している。またデカンチオール薄膜の発光ピークは、約1.7eVに観測されることがわかった。1.共鳴励起型STM装置の製作前年度に引き続き共鳴励起した状態でのSTM測定およびSTMによるトンネル発光スペクトル空間マッピング測定が可能な低温型光学顕微分光トンネル顕微鏡を設計製作を行った。STM装置の測定精度を高めるために制御装置を新しいものに変更し、それに対応して、制御装置のSTM探針アプローチ駆動電源の製作も行った。また、トンネル発光を集光するための、集光光学系の大気部分の製作も行った。また、試料作成装置の製作も行い、真空蒸着および電子ビーム加熱も可能にした。2.有機分子薄膜のトンネル発光スペクトル空間分布測定共鳴励起状態の局所状態分布を測定するための基礎研究として、前年度に引き続き金(111)表面上の有機分子(アルカンチオール)薄膜の共鳴励起状態を明らかにするために、STMによるトンネル発光スペクトルを測定した。

前年度は、チオール基一個をもつデカンチオールの測定を行ったが、今年度は、チオール基を二個有するオクタンジチオール薄膜のトンネル発光測定を行った。デカンチオール薄膜のトンネル発光においては、吸着によるスペクトル変化は観測されなかったが、オクタンジチオールの場合、740nm付近で、吸着によるスペクトル変化が観測された。これは、吸着による電子状態密度変化が、フェルミ・レベルの上約0.4eV付近に生じていることを示唆している。3.C_<60>の分子軌道状態の研究C_<60>の共鳴励起STM測定のための基礎として、Si(111)表面にC_<60>が吸着することによる、C_<60>のLUMO状態の変化を測定した。LUMO状態の強度、エネルギーシフトが観測された。
At-211を用いる内用放射線治療に適した抗体フラグメント標識薬剤の開発

211Atの短い半減期(7.2 h)に着目し、その半減期に適した速やかな体内動態を示す抗体フラグメントの211At標識薬剤を開発した。本薬剤には、radioisotope標識抗体フラグメント投与後に腎臓において放射能が長時間観察される問題を解決するために、腎臓の刷子縁膜酵素により認識される代謝性リンカーを導入した。これにより、本211At標識薬剤を使用して作製した抗体Fabフラグメントは腎臓の放射能を低減することに成功した。本薬剤設計は211Atを用いる内用放射線治療への応用が期待される。アスタチン-211(211At)によるがんの内用放射線治療の実現に向けて、本課題では抗体フラグメントの211At標識薬剤開発を計画した。本課題では、211Atと安定に結合できる標識部位が薬剤の構成単位の一つとして重要である。従来の放射性ハロゲン標識と同様のbenzoate誘導体を用いる手法で作製した211At標識体は安定性が低いことが報告されていることから、当初の予定通り標識部位としてcloso-decaborate(2-)を有する基本骨格を合成した。一方で、C-At結合による安定な211At標識法を開発できれば、より低分子の生体分子に対して、その構造変化を最小限に211Atを導入することが可能となるため、211At標識薬剤の汎用性が大きく向上する。そこで、芳香環を有する2種のモデル化合物(At-Bn-COOH, At-Ph-COOH)の合成を行った。両化合物はスズーハロゲン交換反応により放射化学的収率75%、45%でそれぞれ得られた。その後の安定性の検討から、At-Bn-COOHが薬剤の基本骨格として有用であることが示唆された。α線放出核種の一つである211Atを内用放射線治療に応用するため、211Atの短い半減期(7.2 h)に適した速やかな体内動態を示す抗体フラグメントの211At標識薬剤の開発を行った。抗体フラグメントは速やかな体内動態を示す一方で、腎臓において放射能が長時間観察されることが治療に大きな制約を与える。本薬剤では、これまでヨウ素標識薬剤で腎集積の低減に成功した代謝性リンカーを導入する薬剤設計を適用した。本設計では、腎臓の刷子縁膜酵素による認識を受けることで代謝性リンカーが開裂し、尿排泄性の高い放射性代謝物が遊離する。本年度に作製した211At標識抗体Fabフラグメントは意図した通り腎臓の集積を投与早期から低減することに成功し、腎臓における代謝を利用する薬剤設計が211At標識薬剤に適用できることを認めた。一方で、胃への集積が投与後の時間経過とともに増加しており、211Atが生体内で抗体フラグメントから脱離したことが示唆された。今後、211Atを安定に結合させることで、より実用性の高い211At標識薬剤の開発が期待できる。211Atは半減期が短い一方で、その標識薬剤は比較的高分子への応用例が多く示されている。これは、211At標識低分子化合物の生体内における安定性が低いと考えられているからである。211At標識Fabの実験結果を受けて、安定な結合方法を検討したところ、211At標識アミノ酸誘導体が生体内で安定に存在することが明らかとなった。この結果はこれまでの通説を覆すものであり、本標識技術を応用することで、抗体フラグメントの211At標識薬剤の安定性を改善できる可能性をもつ。今後標識部位にアミノ酸誘導体を用いた標識薬剤の開発を実施し、安定性の改善を図る予定である。新規標識部位の検討、および今後の評価実験に用いる候補化合物を研究課題に追加して実施したことで、やや計画が遅れている。放射性薬剤今年度の研究において、211At標識抗体フラグメント投与後に放射性代謝物として遊離することが予想される基本骨格の合成を終え、標識条件についても検討できた。抗体と標識部位との間に導入するリンカーについても合成を終えていることから、リンカーの選抜試験へと移行する。選抜したリンカーを有する211At標識薬剤を作製し、評価実験に移行する。抗体とのconjugateの作製までを今年度に予定していたが、研究の進捗状況がやや遅れたことから今年度の購入を見送ったため、残予算が生じた。標識薬剤の合成に用いる試薬や抗体などの購入、放射性ヨウ素、実験消耗品、および実験動物の購入に充てる予定である。また、これまでの研究成果を発表するために国内外の学術会議への参加費にも研究費を充てる予定である。
平面分割の数え上げに現れる行列式・パフィアンと数理物理モデルへの応用研究

いろいろな対称性を考慮した平面分割の数え上げでは、その母関数が行列式やパフィアンで与えられることが多い。ここでは、それらの行列式やパフィアンの評価の仕方について研究の進展があった。これらの行列式やパフィアンの評価はハンケル行列式や直交多項式と密接な関係があると思われる。最近の研究においてハンケル型のパフィアンをデ・ブルンの公式によってセルバーグ積分の特別な場合に帰着する手法の研究が進展した。セルバーグ積分は直交多項式やDunklオペレータと密接に関連しており、その評価は直交多項式の多変数化によって行うことができる。また、これらのハンケル型行列式・パフィアンと対称性を考慮した平面分割の数え上げ問題に現れる行列式・パフィアンとの関係は成分の母関数を考えることによって得られる。これらの行列式・パフィアンに密接に関係していると思われる直交多項式はassociated Jacobi多項式である。このことはハンケル型の行列式・パフィアンの成分として直交関数のモーメントを考える。数え上げ問題に関連したモーメントの母関数の連分数展開を調べることによって、考察すべき測度がassociated Jacobi多項式のそれであることを見る。2011年度は,5月30日6月3日に香港市立大学で開催されたInternational Conference on Asymptotics and Special Functionsに参加した。この研究集会はMourad Ismail等が主催し,直交多項式や組合せ論のいろいろな話が訊けてたいへん有意義だった。また,共同研究者のJiang Zeng氏がHankel Pfaffianについての研究発表を行い,聴講者のコメントによりHankel Pfaffianの評価法としてde Bruijnの公式によるSelberg積分の利用が考えられることがわかった.また,この際Christoph Koutschan氏と会い,PfaffianのZeilberger's Ansatzを考案し,コンピュータによる計算方法について議論した.また6月1317日には,アイスランドのReykjavik大学で開催された第23回形式的幕級数と代数的組み合わせ論に関する国際会議(FPSAC'11)に出席し,多くの代数的組み合わせ論に関する最新の講演を聴いた。その後8月8日10日に東京女子大学で開かれた第50回実函数論・函数解析学合同シンポジウムに参加し,alpha determinant等の面白い講演を聴いた.また9月28日10月01日に信州大学で開催された日本数学会秋季総合分科会に参加し、和歌山大学の田川氏とMehta-Wang-Nishizawaの行列式とその証明について共同研究を行った。この行列式はq=1の場合はRandom行列の問題に関係してMehta-Wangによって研究された。Nishizawaによってq-analogueが証明されたがこれを拡張すると行列式の値がAskey-Wilson多項式の特別な場合になることを証明した。田川氏とは引き続き、その数え上げ問題への応用を研究するが、行列式の値として出てくる有理式が複雑である。また、2月にはハワイ大学に長期滞在している萩原氏を訪ねてJ.B.Nation先生のセミナーに出席し、萩原氏と共同研究を行った。特に符号理論と線形計画法の話や複素鏡映群を使った符号理論の話が興味深かった。
糖尿病モデルマウスにおける低酸素環境とポドサイト障害

糖尿病性腎症におけるポドサイト障害の進展に慢性低酸素が関与している可能性を糖尿病性腎症自然発症マウスを用いて検討した。正常圧性低酸素(11-12%O_2濃度)飼育装置で糖尿病性腎症自然発症マウスdb/dbマウス(雄)を飼育した。8-24週齢の屠殺時まで低酸素で飼育した群(Hypoxia群:n=4)と、8-20週齢まで飼育後、常酸素で4週間飼育して屠殺した群(HypoNormoxia群:n=3)について、8-24週齢まで常酸素で飼育した対象群(Normoxia群:n=3)と腎病変を比較した。腎病変は、糸球体のサイズ、微小血管瘤、メサンギウム領域拡大の程度、内皮細胞マーカーの糸球体分布、ポドサイトマーカーの分布について検討した。病理組織学的には、Normoxia群ではメサンジウムに中等度のびまん性硬化を認めた。一方、Hypoxia群の糸球体はびまん性に腫大し、Normoxia群に比べ係蹄面積も有意に増加していた。また、Hypoxia群とHypoNormoxia群では微小血管瘤の形成が目立ったが、Normoxia群ではあまり認められなかった。HypoNormoxia群では、不規則な糸球体腫大があり結節性硬化糸球体を認めた。糸球体内皮細胞マーカーの検討では、染色陽性面積率は8週齢db/dbマウスでは多かったが、24週齢のマウスでは減少していた。さらに24週齢間の比較でもNormoxia群に比べ、HypoNormoxia群で少なく、Hypoxia群ではさらに有意な低下を認めた。WT-1による、糸球体当たりのポドサイト数には上記3群間に有意な差は認められなかったが、単位面積当たりのポドサイト数はHypoxia群で有意に減少していた。以上より、慢性低酸素環境が内皮細胞障害惹起し微小血管瘤を引き起こすこと、さらに高血糖刺激による基質蛋白の蓄積により、結節形成を伴う進行性の糸球体硬化が生じる機序が示唆された。低酸素群で糸球体腫大しても、WT-1陽性で示されるポドサイト数に変わりがないことから、ポドサイト当たりの過剰濾過(メカニカルなストレッチ負荷)が生じている状態が推測された。今後、飼育数を増やし、再現性の確認を行う予定である。糖尿病性腎症における腎障害の進展に慢性低酸素が関与している可能性を、糖尿病性腎症自然発症マウスを用いて検討した。8-24週齢の屠殺時まで低酸素で飼育した群(Hypoxia群:n=11)と、8-24週齢まで常酸素で飼育した対象群(Normoxia群:n=12)の8、12、24週齢の腎の組織学的解析、腎mRNA(VEGF-A、PAI-1、MCP-1、TGFβ-1、CTGF)のreal timc PCR法による定量、血液データ、尿アルブミン、尿NAG、尿VEGF-Aなどを検討した。尿アルブミンは、低酸素飼育開始後2週目から有意に増加し、高値が継続した。しかし、腎VEGF-A mRNA、尿VEGF-A、免疫染色による糸球体VEGF-A陽性領域の何れも、両群間に有意な差を認めなかった。Hypoxia群はNomoxia群に比べ、糸球体サイズの増加、PAS陽性領域の増加、ポドサイト数の減少、微小血管瘤の増加、糸球体CD34陽性領域の減少を認めた。TGFβ1・CTGF mRNAは有意な変化を認めないものの、MCP-1 mRNAは12週齢以降で、PAI-1 mRNAは24週齢でHypoxia群がNormoxia群に比べ有意に増加していた。以上より、慢性低酸素環境は、VEGF-AやTGFβ-1を介さず尿蛋白の増加や糸球体腫大・硬化病変などの糸球体障害を生じさせ、MCP-1・PAI-1 mRNAの増加がこれらの組織病変の増悪に関与している可能性が推測された。来年度はレーザーマイクロダイセクション法により糸球体のみのmRNAの解析を行い、さらなる詳細な検討を行う予定である。正常圧性低酸素(12%O_2濃度)飼育装置を用い、8週齢の雄db/dbマウスを、16週間低酸素で飼育した群(H群:n=8)、正常酸素で飼育した群(N群:n=8)に分け、12、24週齢の腎組織学的解析に加え、laser microdissection法で糸球体を単離しmRNA(VEGF-A、VEGF-R1/R2、PAI-1、MCP-1、TGFβ1、CTGF、Ang1、Ang2、CD34、Nephrin)をreal time PCR法で定量し、検討した。尿アルブミンは、低酸素開始2週から有意に増加し、高値が継続したが、VEGF-A・VEGF-R mRNAは、両群間に有意な差を認めなかった。H群はN群に比べ、糸球体サイズの増加、ポドサイト数の減少、微小血管瘤の増加を認めた。H群はN群に比べ、TGFβ1・CTGF・Ang1・Ang2 mRNAは、24週齢で有意に増加していた。

MCP-1 mRNAは、12週齢、24週齢共に有意にH群で増加し、糸球体内F4/80陽性マクロファージ数もH群で有意に増加していた。以上より、慢性低酸素環境は、尿蛋白増加や糸球体の腫大と硬化性病変を促進し、その成因にはMCP-1や硬化性および血管新生因子の発現亢進が関与している可能性が示唆された。
細胞分裂期におけるモーター蛋白質の機能解析

Kidは分子量73kDaのタンパク質で、N末端にキネシン様モーター領域を、C末端にDNA結合領域をもつ構造からkinesin like DNA binding protein(Kid)と名付けられたクロモキネシンである。本研究の目的である、Kid遺伝子をコンディショナルに欠損するマウスの作製及び作製したマウスから樹立したKid欠損細胞株を用いた細胞分裂期におけるKidの機能解析に関して、本年度は以下ような研究実績を上げた。1)KidのマウスホモログmKidゲノム遺伝子の単離を行い、ターゲティングベクターの構築を行った。この際、ターゲティングベクターにはKid遺伝子を挟む形でLoxP配列を挿入し、Creリコンビナーゼを発現させることによりコンディショナルなKid遺伝子欠損ができるように工夫した。構築したターゲティングベクターのES細胞への導入、相同組み換えを起こしたES細胞のスクリーニングを行い、複数の相同組み換えES細胞クローンを得た。更に相同組み換えES細胞由来のキメラマウスを作製し、キメラマウスと野生型マウスとの掛け合わせからヘテロ組み換えマウスを得た。2)ヘテロ組み換えマウス同士の掛け合わせによって得られた胎児から、Kid遺伝子の両アリールがLoxP配列に挟まれたmKid遺伝子に組み換わったMEF(mouse embryonic fibroblast)を得た。また、レトロウイルスを用いてCreリコンビナーゼを発現させる系など、Kid遺伝子欠損細胞株を樹立するために必要な準備を整えた。同時に、Kid遺伝子欠損細胞株樹立後に発現させる目的で、Kidの各種変異体(リン酸化部位変異体、領域欠損変異体)をGFP融合タンパク質として発現させるベクターの構築を行った。Kidは分子量73kDaの蛋白質で、全長cDNAの塩基配列解析によりN末端にkinesin様モーター領域を、C末端にDNA結合領域をもつ構造からkinesin like DNA binding protein (Kid)と名付けられた。細胞分裂前期では核内に一様に分布し、前中期及び中期では染色体および紡錘体極と紡錘糸微小管上、後期には動原体近傍に局在している。その後、細胞質分裂を経てG1期には核内に再び一様に分布し、発現が低下する。本研究はKidの遺伝子をコンディショナルに欠損するマウスを作製し、作製したマウスから樹立したKid欠損細胞株を用いて細胞分裂期におけるKidの機能解析を目的とする。本年度の研究実績は以下の通りである。1)KidのマウスホモログmKidゲノム遺伝子の単離を行いtargeting vectorの構築を行った。Targeting vectorにはloxP配列を挿入し、Creリコンビナーゼを発現させてコンディショナルなKidの遺伝子欠損ができるようにした。2)構築したtargeting vectorをES細胞へ導入し、相同組換えを起こしたES細胞をスクリーニングしキメラマウスを得た。3)キメラマウスからヘテロ組み換えマウスを得た。今後は得られたホモ組み換えマウスのMEF (mouse embryonic fibroblast)にレトロウイルスを用いてCreリコンビナーゼを発現させ、Kid遺伝子欠損細胞株を樹立する。得られた細胞株に複数あるリン酸化残基のそれぞれの変異KidをGFP融合蛋白質として発現させ、分裂期における局在、また細胞周期や染色体の異常を解析する。
美術教育と美術館教育が協働する、地域に開かれた対話型鑑賞教育プログラム開発

1、研究目的中学校美術科と美術館が協働することによって、生徒と地域住民が関わり、学校と美術館が目指している美術教育の成果を地域に反映させるプログラムを開発・実践する。2、研究方法(1)ストックホルム近代美術館「ゾーン・モデルナ」の実地調査スウェーデンのストックホルム近代美術館を視察し、青少年教育を目的とした事業「ゾーン・モデルナ」のプログラムを調査した。教師が美術館教育に協力し、そのつながりから生徒が主体的に美術館活動に参加する経緯をふまえて実現した取組である。当時の成果をまとめた資料冊子の収集を行い、現地美術館スタッフの説明を受けた。また、館内の見学と、学校と美術館の関わりに関する経過を調査した。(2)美術館教育と連携したスウェーデンの高等学校授業視察スウェーデン市街地の美術館を利用して、プログラムを実施している高等学校の美術授業を視察した。生徒の頻繁な美術館利用とその場での鑑賞活動を基盤として、発想構想を広げる題材を教師が設定し、プロセスを観察する様子を映像で記録した。また、授業の構想や展開方法について説明を受けた。(3)地域性を構想したプログラム開発地域住民の関わり方の構想を目的に、学校や美術館に属さず美術文化の継承に携わる人物を招き、美術授業との関連を持たせる段階を試みた。また、美術を通した青少年教育の観点から、日本文化の題材を設定した。(4)学校と美術館の教育活動の関連を交流するホームページ「美術鑑賞」の作成美術館の教育普及活動への参加報告や美術館を利用した授業の取組報告をまとめたホームページを公開した。3、研究成果美術教育と美術館教育の直接的な連携とともに、広く一般に美的価値を伝える人物を招くことによって、本校研究協議会では地域性を鑑みたカリキュラムが提案できた。また、スウェーデンでの視察によって、青少年に対する美術館教育の実態を調査することができた。
22q11.2欠失症候群の顎顔面異常に関わる頭蓋底軟骨の分化制御メカニズムの解析

DGCR2は22q11.2欠失症候群のゲノム欠失領域に位置する遺伝子である。そのマウス相同遺伝子Sez12のノックアウトマウスは22q11.2欠失症候群と類似した顎顔面異常を示し、軟骨細胞の成長不良で頭蓋底軟骨結合が早期に消失する。Sez12ノックアウト軟骨細胞ではTGF-betaシグナルが亢進し、Sez12によるTGF-betaシグナル制御が予想された。そこでSez12欠失による各種増殖分化シグナルの変化を軟骨細胞・マウス個体で検討する。またDGCR2多型の変異をヒト培養細胞で再現し、TGF-betaシグナルへの影響を検討し、DGCR2変異と顎顔面骨格成長との関連性を追求する。
古典・量子混合物理計算による光物質相互作用の解明と光直接記録への応用

光を古典論、物質を量子論により時空間同時解析する混合物理計算法を開発し、物質の波動関数から求めた分極電流、トンネル効果などを考慮できる解析を実現した。本開発法を適用し、円偏光を照射して磁化反転を行う光直接記録の超高密度化に向けたシステム設計を行った。ナノメートルオーダの局所円偏光を生成するアンテナと粒子状記録媒体を利用することで、現行記録方式に比べ記録速度は最大10万倍、記録密度は数倍の向上が可能となる。また、提案システムは、アンテナおよび記録媒体の位置変化や、アンテナ製作プロセスで生ずる加工ずれに対して、高い記録安定性を有することも明らかにした。1.古典・量子混合物理計算法の開発光を古典論(:マックスウェル方程式)、物質を量子論(:シュレディンガー方程式)により時空間同時解析し、信頼の高い数値シミュレーションが可能な古典・量子混合物理計算法を開発した。これにより、光物質相互作用に物質の波動関数から求めた分極電流、量子力学的トンネル効果などを考慮した混合物理シミュレーションが可能となった。多重井戸型のポテンシャルに電子が拘束される解析モデルでは、トンネル効果が顕著に表れるため、本提案手法でのみ物質中の電流密度やナノ物質近傍の電磁界を正確に計算できる。また、非調和型のポテンシャルに電子が拘束されるモデルに対しても、本提案手法の有効性を示した。信頼性に関する検証では、シミュレーション結果を必要な計算精度内に制御できることを明らかにした。また、クラスタコンピュータによる分散コンピューティングを行い、10倍程度の高速化も併せて実現した。2.ナノ物質の共鳴吸収プロセス解析と周波数分散モデルの検証局在表面プラズモンが励起された微小金円柱列に対して共鳴吸収プロセス解析と周波数分散性モデルの検討を行った。分極の局所的効果のみを考慮する従来モデルでは、円柱サイズが10 nm以下、円柱間距離が5nm以下になると、共鳴吸収が起きる波長、共鳴のピーク値ともに、数値結果と報告されている実験値に違いが現れた。円柱サイズ、円柱間距離が更に小さくなるにつれ、この傾向は顕著となり、従来の分散モデルは破綻することを確認した。一方、非局所的効果を考慮した新しい分散モデルでは、共鳴吸収が起きる波長、ピーク値とも数値結果が改善され、実験値と一致する傾向となった。円偏光を照射し磁化反転を行う光直接記録の高密度化に関してシミュレーション検証を行った.光直接記録の高密度化には,ナノメートルオーダの局所円偏光を生成するナノアンテナの利用が必須である.今年度は,アンテナ製作プロセスを考慮した加工ずれが生成光へ与える影響を解析した.具体的には,シミュレーション設計した局所円偏光生成可能な理想形状のナノアンテナに,ナノメートルオーダの加工ずれを考慮した.理想形状からのずれに応じて局所生成光の円偏光度は低下し,最終的に直線偏光に近い楕円偏光となった.次に入射光の偏光度および入射角度を再検討し,加工ずれを有するアンテナ形状に対して局所円偏光が生成可能な条件を求めた.導出した条件を満足する入射光を利用することで,加工ずれを有するナノアンテナに対しても局所円偏光を生成でき,高密度記録に利用可能であることを明らかにした.ナノアンテナに利用する微小金属を数ナノメートルまで隣接し,非局所的効果を考慮した光学応答モデルの検証を行った.非局所的効果を考慮すると,プラズモン共鳴時に分極電荷は金属の境界面から金属内部にも広がって分布すること,共鳴時の電界強度は低減し短波長側へシフトすることを明らかにした.光と物質の相互作用を高精度かつ高効率に解析可能な古典・量子混合物理計算法を用いて,物質の量子状態制御に向けた新規光パルス設計法を開発した.解析モデルは細管内に拘束された電子で,その基底状態ならびに第1励起状態間の光スイッチング動作を検証した.設計したパルス列を入射した際の細管内量子波束の時間応答波形より,基底状態ならびに第1励起状態間のスイッチングがほぼ100%の精度で行えることを明らかにした.本研究の目的は,古典・量子混合物理計算法により光物質相互作用を解明し,現行の磁気記録に比べて最大10万倍高速な光直接記録方式の高密度化実現に向けたシミュレーション設計および検証を行うことである.今年度主に研究を行った,1)古典・量子混合物理計算法による光制御パルスの設計,2)非局所的効果を考慮したナノ物質の共鳴吸収プロセス解析,3)高密度光直接記録方式に向けた高ロバスト性のナノアンテナ設計,は以下に述べる理由により問題なく実現できており,「本研究はおおむね順調に進展している」と判断する.昨年度開発した古典・量子混合物理計算法を応用し,物質が生成する近接場の影響も考慮したシミュレーションを行い,物質の量子状態制御を可能とする光制御パルスの設計法を提案した.設計した光制御パルスを用いると,細管内に拘束された量子波束の基底状態ならびに第1励起状態間のスイッチングがほぼ100%の精度で行えることを示し,開発手法の妥当性と正当性を明らかにした.ナノ物質の共鳴吸収プロセス解析では,微小金属を10ナノメートル以下で等間隔に配置したモデルに対して解析を行い,非局所的効果による分極電荷,共振時の波長およびピーク値の特性を明らかにした.複数の微小金属を直線状に配置した場合,配置間隔を変化させることで近接場光の位相制御が可能となることも併せて示した.また,高ロバスト性を有するナノアンテナ実現に向け,アンテナ製作プロセスで生ずる加工ずれを考慮したモデルを解析し,局所円偏光生成の条件を求めた.

入射波の偏光度および入射角度,アンテナの厚み等を調整することで,加工ずれを考慮したモデルに対しても局所円偏光が生成でき,ロバスト性の高いナノアンテナを実現した.前年度に比べ,より詳細な計算モデルを構築し,古典・量子混合物理計算法の更なる高精度化及び計算時間と計算精度の最適化を行った.また,光物質相互作用が量子論だけでは解析不可能となり,混合物理計算が必須となる物理条件を導出した.簡易的な数式のみを用いる提案手法は,数値計算を実行することなく物理モデルの推定が可能で,高信頼性を維持したまま計算時間の低減を実現した.この成果により,物質が生成する近接場は局所的であるものの,電子を拘束するポテンシャル構造などにより,その影響は大きく変化することを明らかにした.また,開発手法は,物質の電子状態を制御する光パルスの設計などに応用できることも併せて示した.ナノ物質の共鳴吸収プロセス解析においては,非局所的効果と近接場の関係を,複数の微小金属を配置した解析モデルに対して明らかにした.非局所効果を考慮すると,金属の配置及び形状を変化させることで,近接場光の共振波長及び位相が正確に制御できることを発見し,伝搬するプラズモンの波長シフト量をゼロにできる金属配置を提案した.これらの研究成果を総括し,光直接記録方式のシミュレーション検証を行い,従来よりも安定性の高い記録システムの構築を行った.提案システムは,ナノアンテナにより局所円偏光を生成し,高密度化を実現する.本システムの実験による検証を目的に,連携研究者がナノアンテナを試作した.試作アンテナは,シミュレーション設計した理想的な形状に比べて数ナノ程度の加工ずれが生じることを実験的に確認した.また,試作アンテナの加工ずれは局所生成光に影響を与え,安定した光直接記録を実現するためには位相補正が必須となることを明らかにした.上記の結果を踏まえ,加工ずれを生じたナノアンテナに対して局所円偏光が生成できる入射光の条件を確立し,試作アンテナに対してもロバスト性の高い,超高密度な光直接記録の実現可能性を示した.光を古典論、物質を量子論により時空間同時解析する混合物理計算法を開発し、物質の波動関数から求めた分極電流、トンネル効果などを考慮できる解析を実現した。本開発法を適用し、円偏光を照射して磁化反転を行う光直接記録の超高密度化に向けたシステム設計を行った。ナノメートルオーダの局所円偏光を生成するアンテナと粒子状記録媒体を利用することで、現行記録方式に比べ記録速度は最大10万倍、記録密度は数倍の向上が可能となる。また、提案システムは、アンテナおよび記録媒体の位置変化や、アンテナ製作プロセスで生ずる加工ずれに対して、高い記録安定性を有することも明らかにした。本研究の大きな目的は、光を古典論(:マックスウェル方程式)、物質を量子論(:シュレディンガー方程式)により扱う古典・量子混合物理計算法を開発し、高密度光直接記録の実現に向けたシミュレーション検証を行うことである。今年度の研究課題である、1)フルベクトル解析可能な古典・量子混合物理計算法の開発、2)ナノ物質の共鳴吸収プロセス解析と分散モデルの検証は、以下に述べる理由により「おおむね順調に進展している」と判断する。今年度は、古典・量子混合物理計算法を開発し、ナノ物質の波動関数から求めた分極電流、量子力学的トンネル効果などを光物質相互作用に考慮できる混合物理シミュレーションを実現した。
北海道・東北と樺太におけるアイヌ・和人間の北方交易圏の実態研究

本研究は、平成2528年度科研費(挑戦的萌芽研究)「北海道・東北を中心とする北方交易圏の理論的枠組み構築のための総合的研究」(研究代表者百瀬響、課題番号25580150)での成果を発展させ、東北・北海道の日本海沿岸地域(石狩・余市地方)・樺太における「北方交易圏」の交流の実像を通時的に明らかにする。近世から近代を通じ、東北ー樺太ー北海道日本海沿岸地域に存在した交易圏と婚姻圏に関して、各地域の博物館・アイヌ系住民らと連携し、物質文化・古文書・オーラルヒストリー等の史資料から、地理学・歴史学・文化人類学等諸分野の手法を用い、かつてこれらの地域に存在した交易・婚姻圏の実態を探る。
巨大膜蛋白質・脂質二重膜複合体の高精度分子動力学計算システムの開発

我々は,生体膜によって隔てられた細胞内外にわたる物質輸送を理解するために,膜輸送タンパク質の立体構造に基づいた分子シミュレーションを行った.本研究では、特に、生体のカルシウム濃度の維持に重要な役割を担っている筋小胞体カルシウムポンプに関する計算を行った.カルシウムポンプは,分子量約11万(アミノ酸残基数994)の巨大なタンパク質であり,10本の膜貫通ヘリックスと3つの大きな水溶性ドメインを持っている.このため,この膜タンパク質が生体膜を構成する脂質二重膜中でどのような形で安定化しているのかを理解することは,その機能を理解する上で本質的に重要な課題であった.我々は,カルシウム結合型,非結合型の2つの立体構造を用いた原子数25万以上の巨大なシステムの分子動力学計算を10nsec実行した.それぞれの状態において,脂質二重膜に対するカルシウムポンプの配向を変えた複数の初期構造モデルを試した.計算で得られたトラジェクトリを用いて,膜貫通ヘリックスの安定性を調べることにより,カルシウムポンプの脂質二重膜に関する最も安定な配向を明らかにした.分子生物学およびX線構造解析の技術の進歩により、これまでは大変困難であった膜タンパク質の立体構造が次々に明らかになりつつある。また、その立体構造に基づき、膜輸送タンパク質による生体膜を隔てた物質輸送のメカニズムの理解が格段と進みつつある。さらに、膜輸送タンパク質による物質輸送機構を深く理解するためには、1)膜輸送タンパク質のみならず周囲の溶媒分子や脂質二重膜を露わに考慮し、その相互作用が機能とどのように結びついているか調べること2)膜輸送タンパク質の構造変化が物質輸送とどのように相関しているか理解することが重要であると考える。本研究では、特に、生体のCa2+の濃度の維持に重要な役割を担っている筋小胞体カルシウムポンプを用いた全原子分子動力学計算を行うことにより、上記の2点を理解したい。特に本年度の研究では、1)の理解を目標とした。脂質二重膜としては、筋小胞体カルシウムポンプが最大の活性を示すことが知られているDOPC(di(18:1))を用いた。まず、脂質二重膜と溶媒のみを含む系の分子動力学計算を行うことにより、膜厚、表面積などの基本的な物性が実験値と良く一致することを示した。さらに、この脂質二重膜に膜タンパク質を埋め込むソフトウェアを開発し、脂質二重膜・膜タンパク質複合体のモデリングに成功した。現在、この手法で、カルシウム結合型の構造およびカルシウム非結合型の構造に関する分子動力学計算を実行中である。これらの計算では含まれる原子数がそれぞれ、約28万と25万でありこれまでに報告された膜タンパク質に関する分子動力学計算では最大級の計算である。我々は,生体膜によって隔てられた細胞内外にわたる物質輸送を理解するために,膜輸送タンパク質の立体構造に基づいた分子シミュレーションを行った.本研究では、特に、生体のカルシウム濃度の維持に重要な役割を担っている筋小胞体カルシウムポンプに関する計算を行った.カルシウムポンプは,分子量約11万(アミノ酸残基数994)の巨大なタンパク質であり,10本の膜貫通ヘリックスと3つの大きな水溶性ドメインを持っている.このため,この膜タンパク質が生体膜を構成する脂質二重膜中でどのような形で安定化しているのかを理解することは,その機能を理解する上で本質的に重要な課題であった.我々は,カルシウム結合型,非結合型の2つの立体構造を用いた原子数25万以上の巨大なシステムの分子動力学計算を10nsec実行した.それぞれの状態において,脂質二重膜に対するカルシウムポンプの配向を変えた複数の初期構造モデルを試した.計算で得られたトラジェクトリを用いて,膜貫通ヘリックスの安定性を調べることにより,カルシウムポンプの脂質二重膜に関する最も安定な配向を明らかにした.
多彩な細胞機能を司るAAAファミリープロテアーゼFtsHの研究

大腸菌では唯一のAAAタンパク質、FtsHを研究し、これが細胞増殖に必須のAAAプロテアーゼであり、特異的基質を分解して細胞機能を調節することを明らかにしてきた。熱ショック応答の制御機構、特にDnaKシャペロン系とFtsHの協調的制御機構について解析し、DnaKシャペロン系がFtsHによるσ^<32>の効率的な分解に必要で、これはσ^<32>の構造変換である可能性を強く示唆する結果を得た。FtsHはリポ多糖合成酵素の一つLpxCを分解して膜脂質成分の生合成を調節することを明らかにした。ftsHが欠損するとLpxCが増加し、結果としてリポ多糖が過剰生産される。このため、ペリプラズム空間に異常な層状の膜が形成され致死となる。リン脂質の合成を上昇させるような変異によって、ftsH欠損による異常な膜形成と致死作用は抑制された。おそらく膜の異常に起因すると思われるが、温度感受性ftsH変異株において、増殖可能な温度でミニFプラスミドの分配異常を観察した。また、コリシン寛容性とFtsHの関係についても解析した。FtsHの構造と機能の関係について、膜貫通領域・ペリプラズム領域の機能を解析し、これらの領域(特に2番目の膜貫通領域)がFtsHのオリゴマー形成に重要であることを明らかにした。AAA ATPaseを特徴づけるSRH領域についての系統的なアラニン置換変異体から得られた結果と構造モデリングから、SRHで保存されたアミノ酸残基がオリゴマーを形成する隣のサブユニットに結合したATPの加水分解に重要であるという「分子間触媒モデル」を提唱した。基質タンパク質がリング状のオリゴマーの中央の穴を通過する「糸通しモデル」はAAA型シャペロンが基質タンパク質をアンフォールドする機構をうまく説明できる。そのほか、ドメイン構造がAAAタンパク質と類似したAAA^+タンパク質の一つRuvBの機能素子の予測を行い、AAAとAAA^+の類似点と相違点を明らかにした。FtsHプロテアーゼがもつAAA型ATPaseを特徴づけるSRHモチーフが、ATPase活性に重要であることを明らかにした。その結果と、最近発表されたAAA蛋白の一つNSFの結晶構造をもとに、ATP加水分解におけるSRHの機能を説明するモデルを提唱した。このモデルにおいて、FtsHはオリゴマーを形成し、ATPを結合しているFtsHのSRHとその隣に位置するFtsHのSRHがATPのγリン酸基と相互作用し、共にATPの加水分解に関わる。特に、隣の分子のSRHのアルギニン残基は、低分子量G蛋白のパートナー蛋白GAPのアルギニンフィンガーと機能的に類似している。FtsHのオリゴマー形成には、N末端側の膜貫通配列とともに、ペリプラズム領域が重要である。FtsHの構造解析とシャペロン機能の解析のため、ATPaseドメインだけを分離したところ、これらはモノマーとして存在し、ATPase活性を示さなかった。このことも、オリゴマー形成がATPase活性に必要であるという考えを支持する。カゼインが、FtsHの良い基質となることを発見し、試験管内プロテアーゼ活性のアッセイ系を確立できた。この系において、FtsHのNTP分解活性とプロテアーゼ活性には強い相関関係が認められた。今後この系は、基質とFtsHの相互作用の解析系としても有効である。σ^<32>のFtsHによる分解におけるDnaKシャペロンの役割は、σ^<32>がRNAポリメラーゼコアに再結合するのを阻害するという間接的なものであるという仮説のもとに、RNAポリメラーゼコアとの親和性が低下した変異σ^