hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
可変長プローブを用いたDNAチップの設計およびDNAシーケンス解析に関する研究

今年度の研究では、昨年度に引き続き配列データの視覚化を中心に研究を行った。昨年度まで開発をしたシミュレーティッドアニーリングを用いた自己組織化マップのアルゴリズムの見直しを行ない、プローブの表現を離散表現から確率値を用いた連続値表現にし、平均場近似をもちいたシミュレーティッドアニーリングを用いることで、自己組織化マップ上でのプローブの整列性を改善し、解析を行なうシーケンス上の連続的な領域が、マップ上でもより連続的な領域としてマッピングされるアルゴリズムを開発した。また、2層自己組織化マップを用いて、1層目に生成されたプローブの情報を第2層でさらに整列させるように改良を行った。このアルゴリズムを用いて、生物種毎、人のパスウエイ毎ののDNAシーケンスおよび遺伝子領域から翻訳されたアミノ酸配列の学習、および、マッピングを行ない、シーケンスが連続した領域に写像されること、および、それぞれのグループ毎にマップ上に領域が形成されることを確認した。ただし、このようにして形成される領域の生物学的な意味の評価を今後行なっていく必要があると考えられ。将来的にDNA配列間の比較、DNA配列グループ間の比較、および、メタゲノム解析等に応用可能であると考えられる。平成19年度にはWorkshop on Self Organizing Maps 2007(WSOM2007)およびJSBI年会において、研究成果の発表を行なった。現在、本システムはWindows上で動作するGUI上で動作するように作成されているが、学会においては、WEBアプリケーションとして公開して欲しいという声があり、今後の課題となっている。今年度、本研究においては、自己組織化マップを用いたシーケンス解析に適したDNAプローブ群の選択、および、その2次元平面上での配列方法を主に研究を行った。また、本年度の研究ではDNAチップ自体に用いるDNAプローブよりもむしろ、最近の研究例でみられるDNAシーケンス群の自己組織化マップを用いた可視化にもちいるDNAプローブに関して研究を行った。特に今年度の研究成果として、シミュレーティッドアニーリングを用いたバッチ型自己組織化マップアルゴリズムの開発が挙げられる。バッチ型の自己組織真マップは一般的な逐次更新型の自己組織化マップのアルゴリズムに対して、学習データを与える順番に関係なくマップが生成されることや、学習が高速に行えることが知られている。本研究の手法では、バッチでマップ全体を更新する際に、DNAシーケンス上で近く配置される可能性高いプローブが2次元のマップ上でも近くに配置されるように方向付けて更新を行うようにし、解析対象となるDNAシーケンスがマップ上の連続した領域に写像されるようにした。このようなアルゴリズムでDNA配列を学習させることで、DNA配列上の各領域や、アミノ酸配列に飜訳された際の機能に応じてマップ上に配置され、未知配列の機能予測や、様々な領域の予測に用いることが可能であると考えられる。今年度の主要な設備備品であるDNAシーケンス解析システム1式は、これらのソフトウェアの開発、DNAシーケンス解析および学会等でのデモンストレーションに用いるために購入した。ワークステーションとしては一般的なワークステーションに比べメモリーが安価で大量に搭載可能なPowerMacを購入し、現在現実的に可能である最大容量の8Gbyteのメモリーを搭載した。また、Windows環境での開発も考え、Athron64X2とメモリー4Gbyteを搭載したPCを購入した。これらのコンピュータは最新のワークステーションと比較しても損色ない性能を持ち、今後の解析システムの開発に十分であると考えられる。今年度の研究は、主に配列データの視覚化を中心に行った。これは昨年度の自己組織化マップの国際会議において、遺伝研の研究グループによる、生物間のゲノムの比較やメタゲノム解析に、固定長シーケンスの発生頻度ベクトルを用いた発表があり、一定の成果を収めており、本研究のプローブベースの方法を用いることにより、より詳細な解析が可能になると考えたためである。解析手法としては、昨年度開発したシミュレーティングアニーにリングを用いた自己組織化マップを用いて引き続き、DNAシーケンスデータのマッピングの実験を行った。学習アルゴリズムに関しては、昨年度と同じアルゴリズムを用い学習を行い、学習後のマッピングのアルゴリズムを変更した。具体的には、マッピングの際のミスマッチを許容し、最適なマッピングを探索することで、できるだけ長い部分配列が連続的にマッピングされるように改良を行った。結果としては、連続的にシーケンスをマッピングすることが可能になり、遺伝子グループや生物種の配列が、昨年度までのマッピング手法と比較してよりまとまってクラスタリングされるようになった。ただ、現状では生物学的に正しくマッピングされているかの検証が行われておらず、更なる解析が必要であると考えられる。また、今年度はDNAシーケンスのみでなく、自己組織化マップを用いたアミノ酸配列の解析も行った。アミノ酸配列においても、DNAシーケンスの場合と同様に連続的にシーケンスがマップされることを目標としているが、アミノ酸の種類(20種)はDNAの種類(4種)に比較して多いため、従来のアルゴリズムを用いるとメモリーを大量に消費し、計算時間が長くなってしまう。そこで、アルゴリズムの大幅な見直しを行い、計算量が多いシミュレーティッドアニーリングを行わなくても、連続的にシーケンスをマッピング可能なアルゴリズムを開発した。この結果についてはGIW2006のポスターセッションにて発表を行った。今後、さらに改良を行い、このアルゴリズムをDNAシーケンス解析へフィードバックを行う予定である。また、来年度はWorkshop on Self Organizing Mapが開催される年であり、投稿をする予定である。また、本研究の副産物として、パレート型学習を行う自己組織化マップのアルゴリズムを開発した。

本アルゴリズムは、一般的なマルチモーダルデータに適用可能であり、このアルゴリズムのバイオメトリクスデータへの適用に関する研究も行い、国際会議で発表を行った。さらに、今後、大規模なシーケンスデータの解析を行う際に、計算速度が問題になる。この問題に対してグラフィックスアクセレータを用いたGPUコンピューティングの適用を検討している。今年度の研究では、昨年度に引き続き配列データの視覚化を中心に研究を行った。昨年度まで開発をしたシミュレーティッドアニーリングを用いた自己組織化マップのアルゴリズムの見直しを行ない、プローブの表現を離散表現から確率値を用いた連続値表現にし、平均場近似をもちいたシミュレーティッドアニーリングを用いることで、自己組織化マップ上でのプローブの整列性を改善し、解析を行なうシーケンス上の連続的な領域が、マップ上でもより連続的な領域としてマッピングされるアルゴリズムを開発した。また、2層自己組織化マップを用いて、1層目に生成されたプローブの情報を第2層でさらに整列させるように改良を行った。このアルゴリズムを用いて、生物種毎、人のパスウエイ毎ののDNAシーケンスおよび遺伝子領域から翻訳されたアミノ酸配列の学習、および、マッピングを行ない、シーケンスが連続した領域に写像されること、および、それぞれのグループ毎にマップ上に領域が形成されることを確認した。ただし、このようにして形成される領域の生物学的な意味の評価を今後行なっていく必要があると考えられ。将来的にDNA配列間の比較、DNA配列グループ間の比較、および、メタゲノム解析等に応用可能であると考えられる。平成19年度にはWorkshop on Self Organizing Maps 2007(WSOM2007)およびJSBI年会において、研究成果の発表を行なった。現在、本システムはWindows上で動作するGUI上で動作するように作成されているが、学会においては、WEBアプリケーションとして公開して欲しいという声があり、今後の課題となっている。
遠縁の植物間のクロロプラストDNA導入に関する研究

この研究は,C_3植物に,C_4植物の葉緑体を導入することによって,光合成活性の高い植物を作るという実用的面だけではなく,遠縁の植物からの遺伝子(葉緑体)導入の可能性を明らかにするため行い,以下の結果を得た.(1)トウモロコシの葉緑体は,45%と30%のショ糖液の間に得られ,核から精製することができた.(2)トマトのプロトプラストの材料として斑人りの系統からの実生やカルスからのもの,暗黒条件下で育成したもの,あるいはパラコ-トやアトラジンのような葉緑体の合成阻害剤で処理してものも用い,単離量は,Pectolyase Vー23とCellulase“Onozuka"RS,Driselaseを混ぜて用いた時,多かった.(3)細胞融合装置を用いた時,トウモロコシの葉緑体が大きかったり,プロトプラストと葉緑体の比重の違いためか同じ層に集まらなかったりして,葉緑体の取り込み率は,高くて1%ぐらいしか達成できなかった.(4)トマトのプロトプラストの培養では,カルスまで得られたが,個体は得られなかった.ただし,技術の確認のため行ったレタスの培養では,比較的容易に再分化個体が得られた.(5)個体の馴化率は,それまでの培養条件が重要で,移植時の苗の状態に左右された.(6)ctDNAの分析で,トマトの栽培種と野生種は,区別ができた.以上のことより,個体の育成はできなかったが,一連の各過程は,達成可能なことが明かにできた.著者自身および研究室としては,この研究を通して多くの新しい技術に挑戦し,学ぶことができた.今後,プロトプラスト培養の容易な材料に変えてこの研究は継続するつもりである.また,これらの経験,技術を他の研究にも生かしたい.この研究は,C_3植物に,C_4植物の葉緑体を導入することによって,光合成活性の高い植物を作るという実用的面だけではなく,遠縁の植物からの遺伝子(葉緑体)導入の可能性を明らかにするため行い,以下の結果を得た.(1)トウモロコシの葉緑体は,45%と30%のショ糖液の間に得られ,核から精製することができた.(2)トマトのプロトプラストの材料として斑人りの系統からの実生やカルスからのもの,暗黒条件下で育成したもの,あるいはパラコ-トやアトラジンのような葉緑体の合成阻害剤で処理してものも用い,単離量は,Pectolyase Vー23とCellulase“Onozuka"RS,Driselaseを混ぜて用いた時,多かった.(3)細胞融合装置を用いた時,トウモロコシの葉緑体が大きかったり,プロトプラストと葉緑体の比重の違いためか同じ層に集まらなかったりして,葉緑体の取り込み率は,高くて1%ぐらいしか達成できなかった.(4)トマトのプロトプラストの培養では,カルスまで得られたが,個体は得られなかった.ただし,技術の確認のため行ったレタスの培養では,比較的容易に再分化個体が得られた.(5)個体の馴化率は,それまでの培養条件が重要で,移植時の苗の状態に左右された.(6)ctDNAの分析で,トマトの栽培種と野生種は,区別ができた.以上のことより,個体の育成はできなかったが,一連の各過程は,達成可能なことが明かにできた.著者自身および研究室としては,この研究を通して多くの新しい技術に挑戦し,学ぶことができた.今後,プロトプラスト培養の容易な材料に変えてこの研究は継続するつもりである.また,これらの経験,技術を他の研究にも生かしたい.トマトのプロトプラスト培養は、種や品種によって難易に差があり、斑入り株の得られた品種`メイト'の葉片や葉由来にカルスからは、十分な量のプロトプラストが得られなかった。そこで、その種子を無菌的に播種して10日前後の苗をプロトプラスト単離に用いた。実生では、成長点を含む子葉由来のプロトプラストと胚軸由来のプロトプラストでは、後者の方が分裂が盛んであるようで、現在追試中である。また、プロトプラストからの固体の再生が比較的容易とされているトマト属の野性種(Lycopersicon pimpinellifolium)の増殖を行っており、今後この実生を用いてのプロトプラスト培養も検討する予定である。プロトプラスト培養技術の習得のため、平行して行ったレタスのプロトプラストでは、固体を再生することができた。すなわち、これまでは、初代培養に浸透圧調整のためのマンニト-ルを加えていなくてもよいとされていたが、マンニト-ル濃度を0.4Mから0.2M,OMと継代の度に下げることにより、その後の分裂および再分化に好影響を与えることを見出した。クロロプラストDNAの同定については、まず、ホウレンソウで切断したバンドが得られ、現在、ホウレンソウでもようやくバンドが見られるようになったが、トウモロコシでは、まだ、バンドが得られていない。現在、検討中である。トマトの葉緑体のDNA分析は、放射性物質をプロ-ブとして用いない方法で単離に成功し、制限酵素で切断した後、アガロ-スゲル電気泳動法で分離ができるようになった。

この方法で、栽培種のトマト(L.esculentum)と野生種(L.pimpinellifolium)のDNAバンドを比較した結果、両種は、検出された91本のバンドのうち、87本が共通で、残り4本のうち、2本ずつは、どちらか一方の種に特異的に検出されることがわかった。しかし、トウモロコシの葉緑体のDNAは、検出することができなかった。トマトと同じく、ナス科のタバコやナスでは、プロトプラストからの再分化が比較的容易で、トマトでもプロトプラストからの再分化に成功したとする報告があるが、トマトは、タバコやナス、キク科のレタスなどに比べるとプロトプラスト培養は困難な植物であることが知られた。そこで、同じトマト属で、プロトプラストからの個体の再生が比較的容易とされている前述のトマト属の野生種(L.pimpinellifolium)を用いて、プロトプラスト培養を行なった。しかし、その野生種を用いてもプロトプラスト培養には成功しなかった。このように、プロトプラスト培養は成功しなかったが、並行してトマトのプロトプラストとトウモロコシのクロロプラストの融合も試みた。融合は、電気的パルスにより行ない、肉眼では、一部融合が観察されたが、分裂が見られなかったので、融合したものかどうかの判断はできなかった。この研究は,C_3植物に,D_4植物の葉緑体を導入することによって,光合成活性の高い植物を作るという実用的面だけでなく,遠縁の植物からの遺伝子(葉緑体)導入の可能性を明らかにするため行い,以下の結果を得た.(1)トウモロコシの葉緑体は,45%と30%のショ糖液の間に得られ,核から精製することができた.(2)トマトのプロトプラストの材料として斑入りの系統からの実生やカルスからのもの,暗黒条件下で育成したもの,あるいはパラコ-トやアトラジンのような葉緑体の合成阻害剤で処理したものも用い,単離量は,Pectolyase Yー23とCellulase "Onozuka"RS,Driselaseを混ぜて用いた時,多かった.(3)細胞融合装置を用いた時,トウモロコシの葉緑体が大きかったり,プロトプラストと葉緑体の比重の違いためか同じ層に集まらなかったりして,葉緑体の取り込み率は,高くて1%ぐらいしか達成できなかった.(4)トマトのプロトプラストの培養では,カルスまで得られたが,個体は得られなかった.ただし,技術の確認のため行ったレタスの培養では,比較的容易に再分化個体が得られた.(5)個体の馴化率は,それまでの培養条件が重要で,移植時の苗の状態に左右された.(6)ctDNAの分析で,トマトの栽培種と野生種は,区別ができた.以上のことより,個体の育成はできなかったが,一連の各過程は,達成可能なことが明かにできた.著者自身および研究室としては,この研究を通して多くの新しい技術に挑戦し,学ぶことができた.今後,プロトプラスト培養の容易な材料に変えてこの研究は継続するつもりである.また,これらの経験,技術を他の研究にも生かしたい.
光化学有機オキシダントの生成と反応

本研究においては、ホスファジン(【1!】)の一重項酸素酸化反応について検討を行なった。詳細な生成物分析、種々の捕捉実験やコントロール実験の結果より本反応は下式に示す様なカルポニルオキシド(【6!_】)及びその分子内環化体であるジオキシラン(【8!_】)の生成を伴なう事を明らかにした。又、本反応溶液より発光が見られた事より、ジオキセタンタイプの中間体を経由していると推測されるが、実際【^31P】-NM化測定の結果、初めてホスファジオキセタン(【9!_】)及びその前駆体であるホスファジオキサジアジン(【(10)!_】)の検出に成功した。
抗酸化物質クルクミンを用いた歯周病治療戦略の可能性/血管機能を指標とした解析

本研究課題では、高血圧モデルであるSHRSPにおけるP. gingivalis感染の影響を検討した。我々の得た結果は、歯周病モデルと高血圧モデルの両方で、内皮機能の変化が歯肉組織内に生じていることを示唆した。活性酸素により酸化ストレスが誘発されることが、歯周病と高血圧モデルの両方の血管に対する作用に関係しているのであろう。また、口腔内微小循環と大動脈の血管機能の障害は、歯周病の場合でも高血圧等の循環障害の場合でもROSが関与している可能性が示唆された。我々は抗酸化作用の強いクルクミンの抗酸化能をESR法を用いてin vitroで確認した。今後はin vivoでのさらなる検討が必要である。近年、高血圧症や糖尿病などの全身疾患のリスクファクターとして歯周病が関与している可能性が疫学的に証明されはじめ、ペリオドンタル・メディスン;歯周医学という概念が広がりつつある。わが国の3大死因疾患中の心疾患・脳血管疾患や糖尿病合併症である循環障害は血管内皮細胞の機能低下を伴う動脈硬化性疾患であり、これらの循環器疾患が歯周病菌であるPorphyromonas gingivalis(Pg)の感染により増悪するという疫学的報告がある。これに加え、Pgが血行性に全身に伝播することにより、末梢性に多形核白血球が活性酸素種を遊離しているという報告もあるが、これらPg感染と活性酸素と循環器疾患との因果関係は明確になっていない。本研究課題では脳卒中易発症性高血圧モデルラット(SHRSP)にPgを感染させたモデルを使って、歯周組織循環障害と全身血管の機能障害の解析を行い、さらには血管傷害への活性酸素の関与の解明を行うことを目的とした。本年度は、1)レーザードップラー法を用い、SHRSPの歯肉反応性充血を測定し、SHRSPではコントロールと比べて歯肉微小循環にどのような変化があるか2)SHRSP、コントロール群に歯周病菌であるPorphyromonas gingivalis(Pg)を感染させ、レーザードップラー法を用いてPg感染により歯肉微小循環がどのように変化するかを検討した。反応性充血反応は、最大血流量(Peak)、最大血流量の半減時間(T1/2)、増加血流量(Mass)を用いて評価した。この結果、SHRSPにPgを感染させると、血管弛緩反応の促進と、血管弾性の低下傾向が認められた。この結果はPg菌がSHRSPの口腔内微小循環に影響を与える可能性を示唆しており、歯周病治療にとって意義深い。今後は抗酸化物質を用いた実験を行い、抗酸化の観点から歯周病治療を検討していく予定である。循環器疾患と歯周病との間には深い関連性があるといわれてきている。近年,高血圧症や糖尿病などの全身疾患のリスクファクターとして歯周病が関与している可能性が疫学的に証明され,ペリオドンタル・メディスン;歯周医学という概念が広がりつつある。わが国の代表的な死因疾患中の心疾患・脳血管疾患や糖尿病合併症である循環障害は血管内皮細胞の機能低下を伴う動脈硬化性疾患であり,これらの循環器疾患が歯周病菌であるPorphyromonas gingivalis(Pg菌)の感染により増悪するという疫学的報告がある。これに加え,Pg菌が血行性に全身に伝播することにより,末梢性に多形核白血球が活性酸素を遊離しているという報告もあるが,これらPg菌感染と活性酸素と循環器疾患との因果関係は明確になっていない。一方,活性酸素は生体内に産生系と消去系とが同時に存在し,バランスを保っている。歯周病や循環器疾患ではこのバランスが破綻し病態が悪化すると考えられている。このため活性酸素を除去することのできる抗酸化物質の効果が注目されている。本研究課題では,口腔と全身の血管反応を主たる測定系として抗酸化作用の強い「抗酸化物質クルクミンを用いた歯周病治療戦略の可能性」の探求を目的として研究を行っている。本研究課題では,高血圧モデルラット(SHRSP),コントロール群,Pg菌を感染させた動物モデルを用いた実験を行っている。本年度は,1)摘出血管を用いた等尺性張力変化を指標とした血管機能の解析2)Pg菌感染による歯槽骨吸収量の測定を行った。SHRSPでは血管弛緩反応が抑制され,この反応には活性酸素種の関与が確認された。現在,クルクミンの生体への投与方法や血中濃度などについて検討を重ねている。今後,抗酸化の観点から歯周病治療を検討していく予定である。高血圧モデルラットであり,酸化亢進モデルとしても知られている「脳卒中易発症性高血圧モデルラット(SHRSP)」,コントロール群,Pg菌を感染させた動物モデルを用いて実験を行っている。27年度以降は抗酸化物質であるクルクミンを経口摂取させたラットのPg感染による骨吸収量を測定し,高血圧症と歯周病の進行と抗酸化物質の効果を解析する。という予定であった。生体内投与後に血中濃度を測定する必要があると判断したため,その実験も並行して行うこととした。現在,投与方法と血中濃度の維持,その効果について検討を重ねている。コントロール群,SHRSP,Pg群ともに長期にわたっての飼育と管理が必要となるため,継続して実験を行っている。循環器疾患と歯周病との間には深い関連性があるといわれている。近年,高血圧症や糖尿病などのリスクファクターとして歯周病が関与している可能性があることが疫学的に証明され,ペリオドンタル・メディスン(歯周医学)という概念が広がりつつある。

我が国の代表的な死因疾患中の脳血管障害や心疾患,または糖尿病合併症である循環器疾患は血管内皮細胞の機能低下をともなう動脈硬化性疾患である。これらの循環器疾患が歯周病菌であるPorphyromonas gingivalis (Pg菌)の感染により増悪するという疫学的な報告があるが,このメカニズムは明らかになっていない。とくに,歯周病や循環器疾患の悪化の要因として活性酸素種の関与も指摘されているが,これらの因果関係も明確になっていない。活性酸素種は生体内に産生系と消去系とが同時に存在し,そのバランスを保っている。歯周病や循環器疾患ではこれらのバランスが破綻することにより血管障害等がおこると考えられている。このため,活性酸素を除去する抗酸化物質を用いることにより,血管機能や病態の改善が期待できると考えられる。本研究課題では,口腔内と全身の血管反応を主たる測定系として,抗酸化作用の高い抗酸化物質「クルクミン」を用いた歯周病治療戦略の可能性の探求を目的として研究を行っている。本研究課題では,高血圧モデルラット(SHRSP)とコントロールラット(WKY)にPg菌を感染させた動物モデルを用いた実験を行っている。本年度は,1)摘出血管標本を用いた等尺性張力変化を指標とした血管機能の解析と活性酸素種との関連性の検討2)高血圧モデルにおけるPg菌感染誘発性の歯槽骨吸収の測定3)ESRを用いたin vitroでのクルクミンの活性酸素消去能の測定行った。現在,クルクミンの投与を行い,検討を重ねている。今後,抗酸化の観点から歯周病治療を検討していく予定である。高血圧モデルラットであり,酸化ストレスが亢進したモデルとしても知られている「脳卒中易発症性高血圧モデルラット(SHRSP)」およびコントロール群(WKY)にPg菌を感染させた動物モデルを用いた実験を行っている。本年度は抗酸化物質であるクルクミンを経口摂取させたラットのPg菌感染による骨吸収量を測定し,高血圧将と歯周病の進行と抗酸化物質の効果を解析する予定であった。抗酸化物質の血中濃度の測定と,電子スピン共鳴法(ESR法)による抗酸化物質の活性酸素消去能を測定する必要性があると判断したため,その実験を先行させた。現在,継続して実験を行っている。近年,生活習慣病と歯周病との関連性が注目されており,歯周病そのものが生活習慣病であるという考え方だけでなく,歯周病が,死因疾患ともなる高血圧,動脈硬化といった循環器疾患を増悪させるリスクファクターとなる可能性が示されており,これら循環器疾患と歯周病の増悪には活性酸素の関与が示されている。活性酸素は生体内に産生系と消去系とが同時に存在し,バランスを保っている。歯周病や循環器疾患ではこのバランスが破綻し病態が悪化すると考えられている。このため活性酸素を除去することのできる抗酸化物質の効果が注目されている。本研究課題では,口腔の血管反応を主たる測定系として抗酸化作用の強い「抗酸化物質クルクミンを用いた歯周病治療戦略の可能性」の探求を目的として研究を行った。本研究課題期間中に,ラットに歯周病菌であるPg菌を感染させ,骨吸収量を測定した。この骨吸収に活性酸素が関与していると考え,抗酸化物質クルクミンをラットに経口摂取させ,その効果を解析した。
スパースモデリングによる大規模ゲノムコホート解析

平成28年度に完成した遺伝子×遺伝子ならびに遺伝子×環境相互作用のための高次元変数選択法ソフトウェアを、実際のゲノムコホートデータをテストデータとして適用して、この手法の妥当性を検証し、適宜修正を行ってきた。具体的には、前向きゲノムコホートで取得された健康診断データを応答変数として横断的解析を行い、次に、疾患二値データや前向きデータへの適用を順次試みた。手順の詳細は以下のとおり。1)環境暴露データの取り込み。宮城県住民を対象とした東北メディカル・メガバンク機構の前向きゲノムコホートで取得されていた環境暴露データについて、各変数のコーディングを行った。2)ゲノムワイドSNPジェノタイプデータの取り込み。この前向きゲノムコホートで取得されていた100万程度のSNPsのジェノタイプデータを取り込んだ。特に、SNPのクラスタリングエラーが相互作用検索時に深刻な偽陽性を生むことが知られているので、各SNPのクラスタリングに関するQCデータを利用し、低いクオリティのデータを事前に排除出来る工夫を行った。3)相互作用解析の実行。上記のデータをテストデータとして高次元変数選択法ソフトウェアにかけ、横断的な健康診断データを応答変数にして遺伝子×遺伝子ならびに遺伝子×環境相互作用の検索を実施した。これによって検出された相互作用候補を、機能的情報などから詳細にアノテーションを行い、データベース化した上で、追試研究に提供した。4)疾患二値データ(罹患・非罹患)の利用。上記集団において前向きに取得された疾患データや健康診断データを利用し、これらの応答変数に対して効果を持つ相互作用を検索し、上記の手順を繰り返すことによって、疾患感受性に寄与する相互作用候補をリストアップした。29年度が最終年度であるため、記入しない。まず全相互作用項も含めた全ての説明変数に関して尤度やP値などの尺度でランキングを作成して、そこから妥当な個数の上位変数を取り出し(周辺回帰スクリーニング)、その上位変数セットに関して高精度の罰則回帰を施すという二段階の手法の実装を行った。これはFanらの開発した超高次元パラメータ空間における高次元変数選択法であり、Sure Independence Screening(SIS)と呼ばれる。これまでの研究で、もっとも基本的な相互作用単位である二座位のSNPは、3×3の分割表(罹患・非罹患で更に×2)で集計され、何らかのモデルに従って各セルがコーディングされる。遺伝学分野で頻用されるモデルでは、アリルの相加的増加を(0、1、2)としてコーディングし、これをあたかも疾患発症に対する連続的な効果に等しいとして扱うが、このモデルの強い制限が原因で、相互作用を検出することが困難となる。これを回避するために、分割表の各セルを個別に評価するCell-wise Dummy Coding(CDC)と、balanced accuracyのような指標で分割表を柔軟に再構成するAdaptive Dummy Coding(ADC)の二種類のコーディング法を開発し、SISの枠組みにこれを組み込んだソフトウェア実装を行った。まず実際のゲノムデータにこれらのコーディング法を適用して得られた周辺回帰ランキング統計量(尤度やオッズ比やp値)の分布を詳細に検査し、特に上位ランキング変数の抜き出し基準の更なる統計学的検討を行った。また、得られたランキング統計量を重みとしたリッジ回帰の枠組みへの適用も試みた。大規模ゲノムコホートの研究が生産する網羅的データは少標本高次元の特徴を持ち、典型的なスパースデータ(真の効果をもつ因子は少数)であって、これを統計学的な保証を持って有効に分析する方法が存在しない。本研究では、このような本質的困難の解決策として、最先端の統計学分野でp>>n問題の解決のために開発されてきた高次元変数選択法のような柔軟な各種の統計手法を遺伝学分野に応用し、実際のゲノムコホートデータに適用して、統計学的保証を持って相互作用検索を実現可能にすることを目的としている。具体的には、これまで、申請者ら自身が研究を行ってきたゲノムデータにおける超高次元変数選択法SISの手法や、周辺回帰をリッジ回帰の重みとして用いる柔軟手法をさらに発展させ、実際のゲノムコホートデータでの遺伝子×遺伝子相互作用ならびに遺伝子×環境相互作用への適用を行っている。それらの進捗は当初の研究計画に沿って予定通り実施されている。

これによって検出された相互作用候補を、機能的情報などから詳細にアノテーションを行い、データベース化した上で、追試研究に提供した。4)疾患二値データ(罹患・非罹患)の利用。上記集団において前向きに取得された疾患データや健康診断データを利用し、これらの応答変数に対して効果を持つ相互作用を検索し、上記の手順を繰り返すことによって、疾患感受性に寄与する相互作用候補をリストアップした。平成28年度で完成した遺伝子×遺伝子ならびに遺伝子×環境相互作用のための高次元変数選択法ソフトウェアを、実際のゲノムコホートデータをテストデータとして適用して、この手法の妥当性を検証し、必要があれば、適宜修正を行う。まずは、東北メディカル・メガバンク機構の前向きゲノムコホートで取得された健康診断データを応答変数として横断的解析を行い、次に、疾患二値データや前向きデータへの適用を順次試みる。29年度が最終年度であるため、記入しない。
腎臓の機能不全を起因とするがん進展メカニズムの解明

腎がんの発症に至るまでの分子メカニズムは不明のままである。申請者は、腎臓の再生に関わるタンパク質として新たにRsp1を同定した。このRsp1は糖尿病性腎症および急性腎障害によって増加するだけでなく、腎がんの患者においても発現の上昇が認められていおり、予後の不良とも関連がみられた。これらの先行解析から、Rsp1は原疾患の段階から腎がん悪性化までの一連のプロセスに深く関与している可能性が示唆された。本研究では、「腎臓の再生と機能維持」と「腎がんの進展と悪性化」というRsp1の二面性を明らかにして、腎がん発症の理解と抑制を目指した基礎研究を展開する。
機械実習の「ヒヤリ・ハット」危険予知トレーニングビデオ教材の開発

1.研究目的最近の学生の中には、「家の中でコンピューターゲームばかりしている」「手先を使った遊びの経験が少ない」など、戸外で身体を使った遊びやものづくりの体験が少ない学生が多く存在する。そのため、ものづくりの面白さを体験したことがないばかりでなく、機械を扱うときの危険予知が不足している学生が増えてきている。実習中に、漫然と工作機械を扱ったり、自分が間違った操作していることや更には危険に近づいている状態を認識できない学生など、ヒヤリ・ハットが多く発生していても危険に対して鈍感で無頓着な学生が増えている。そこで、過去に発生したヒヤリ・ハットの報告を基に、学生実習で使用する機械の基本作業が安全で確実に行えるように、危険予知トレーニングビデオ教材を開発することを目的とする。2.研究成果旋盤作業のビデオ教材を作製した。内容としては、バイトの取り付け、加工物の取り付け、切削加工、測定の作業等である。バイトの取り付けでは、突き出しすぎた取り付け、敷板がずれている、押しつけボルトの不足、斜めに取り付けた等の内容とした。また加工物の取り付けでは、体が起動レバーに当たる、二つの爪で取り付ける、チャックハンドルをチャックに取り付けたまま等の内容とした。また切削加工では、主軸台の上に物を置く、刃物台の位置が右側にある、切りくずを素手で触る、削りたての加工物に触る、加工中の人に話しかける、足元に切りくずが散乱している等の内容とした。また測定の作業では変速レバーを入れたまま測定する、体が起動レバーに当たる等の内容とした。この教材を機械実習に試しアンケートをとった。その結果、危険予知の感受性が高まったと思うと回答した学生が多く、この教材が危険に対する感受性の向上、安全への意識の向上につながったと考えられる。今後はフライス盤等の他の作業の教材を開発する予定である。
群体ホヤの発光物質

原索動物の群体ホヤ、クラベリーナミニアータ(Clavelina miniata)は、伊豆半島の下田付近の岩盤に固着して生息しており、力学的な刺激によって緑色に発光する。クラベリーナは、透明な皮(被嚢)に包まれており、被嚢の中に発光に関わる細胞(ファゴサイト)が存在する。個虫を摘んだり、つついたりするような力学的な刺激によって細胞が破壊されると、535nmをピークとする光を放出する。単離した被嚢細胞を、高感度カメラを接続した顕微鏡下に設置し、微小針で1細胞づつ機械的に破壊することによって、1細胞の発光を確かめることができる。その結果、発光には2価陽イオン(カルシウムイオン、マグネシウムイオン、またはストロンチウムイオン)が必要なことが明らかになった。すなわち、カルシウムイオンとマグネシウムイオンは10mM、ストロンチウムイオンは50mMで発光が最大になった。さらに発光至適pH=7.7であることも明らかになった。ファゴサイトの細胞膜が破壊されて、海水が細胞質に流入し、カルシウムイオンとマグネシウムイオンが発光を起こさせると考えられる。ホモゲナイズしたファゴサイトの発光活性は、遠心沈殿画分に回収された。したがって、発光物質は細胞骨格または膜成分に結合していると予想された。実際、沈澱画分には、青色励起光で緑色蛍光を発生する顆粒が観察された。本画分をゲル電気泳動したところ、蛍光を持ったタンパク質が分離できた。これが発光に関与しているか否かを明らかにするために、現在さらに精製を進めている。ファゴサイトの細胞膜が破壊されて、海水が細胞質に流入すると光ることから、海水中の何らかの物質が発光に関わっていることが予想される。より詳細な発光条件の解明のために本研究では、単離した被嚢細胞を種々のイオンを含む人工海水中で破壊したところ、発光にはカルシウムイオンまたはマグネシウムイオンが必要なことが明らかになった。すなわち、カルシウムイオンとマグネシウムイオンを含まない人工海水中では、発光が著しく阻害された。さらに、10mMカルシウムイオン(天然海水中のカルシウムイオン濃度)で発光が最大になることが、フォトンカウンターを用いた定量から、明らかになった。一方、1mM以下の濃度では、ほとんど発光しなかった。マグネシウムイオンも10mM付近で最大の発光量をもたらしたが、カルシウムイオンにくらべて約10%の発光量であった。以上の結果から、クラベリーナミニアータの発光は、比較的高濃度のカルシウムイオンで制御されていることが明らかになった。
超大規模解析手法を用いた溶接力学・構造崩壊挙動統合解析手法による船体構造解析

船体をはじめとする大型の薄板鋼構造物においては、外力が作用した際に幾何学的非線形性に起因する座屈などの大変形現象が発生する可能性があり、想定を超える荷重が作用した際には構造物の最終強度を上回り、構造物が崩壊することも想定される。そのため、事前に構造物の最終強度を高精度に予測する必要があり、こうした現象を予測するためには、幾何学的な非線形性と材料学的な非線形性を同時に考慮し、解析を実施する必要がある。特に船体構造などの溶接を用いて製作される構造物においては、溶接時の変形や残留応力の最終強度への影響についても検討する必要があると考えられる。本研究ではこうした課題について検討するために、本年度においては、船体ブロック構造物を模擬した解析モデルを構築し、これに対して縦曲げならびにねじり荷重が作用した際の最終強度の予測を実施した。また、本解析において溶接時の変形や残留応力の影響について検討するために、前年度までに構築した理想化陽解法FEMに基づく大規模非線形解析システムを採用し、ソリッド要素を用いて解析モデルを構築した。以上のように、本解析では、船体ブロック規模の大規模な構造物をソリッド要素を用いて解析することから、代数マルチグリッド法と画像処理装置(GPU)による並列化を解析手法に対して導入した。解析の結果、得られた荷重-変位曲線は実験結果とよく一致し、本解析システムを用いることで、ソリッド要素を用いた場合においても大規模鋼構造物の座屈崩壊時の挙動を解析できることを示した。また、大型鋼構造物製作時の溶接が強度に及ぼす影響についても検討できることを示した。船体構造などの大型薄板構造物の溶接時においては、幾何学非線形に起因する座屈などの大変形現象が生じる場合が想定される。座屈を生じない場合においても、幾何学的非線形性を考慮することで、崩壊挙動解析において、初期不整となり得る溶接変形を高精度に解析することにつながる。本年度は、溶接により発生する座屈を含む大変形現象を高精度に解析するために、理想化陽解法FEMに対して幾何学的非線形性を考慮した解析手法による検討を行った。上述の理想化陽解法FEMによる大変形溶接変形解析システムを溶接時の座屈問題に対して適用することで、大変形問題における理想化陽解法FEMの適用性を検証した。本年度は、検討対象として、T継手などの基礎溶接継手や、数本から10本程度の補剛材を有する簡単な防撓構造における溶接中の座屈問題を解析した。T継手の解析においては、入熱量や溶接速度が変形に及ぼす影響について検討した、その結果、理想化陽解法FEMに基づく解析システムにおいて、入熱量の増加に伴い発生する大きな座屈形式の変形を再現できることを確認した。また、溶接速度を変化させることで、同じ入熱量においても変形形式が異なる可能性があることを確認した。防撓構造製作時の溶接変形に関して、長手方向に1200mm、幅方向に600mmのスキンプレートに対して、高さ50mmの補剛材を長手方向に2本、幅方向に3本を径10回の溶接により接合する試験体を製作し、同様の解析を実施することで、理想化陽解法FEMに基づく解析システムの妥当性について検討した。その結果、解析と実験の両方において、ねじれ形式の大きな座屈が発生することを確認した。また、変形量が実験と解析で良好に一致することを示した。本年度は、大規模構造解析が可能な理想化陽解法FEMに対して、大変形の効果を導入することで、船体構造をはじめとする大型薄板構造の幾何学的非線形問題の解析をできる大規模解析システムの構築を目標として研究を実施した。開発した解析システムの妥当性を検証するために、開発システムを基礎的な溶接継手、および、簡易防撓構造の溶接製作時の変形予測に対して適用し、検討を実施した。基礎継手の解析においては、溶接速度や入熱量などの種々の条件が溶接変形に及ぼす影響について検討することで、基礎継手における座屈変形の発生条件について整理した。また、簡易防撓構造の解析においては、解析と同等の手順で溶接試験体を製作し、溶接後の変形量を試験体の変形量と比較することで、解析手法の妥当性について示した。以上のように、本研究では、平成28年度において実施を計画していた、溶接時の大変形現象を予測可能なシステムの開発、および、その解析結果の妥当性についての検討を概ね実施できていることから、本研究は計画通りに進捗しているものと言える。船体構造などの大型薄板構造物においては、外力が作用した際に幾何学的非線形性に起因する座屈などの大変形現象が生じ、荷重の大きさによっては構造物の最終強度を上回り、構造物が崩壊することも想定される。こうした現象を予測するためには、幾何学的な非線形性と材料学的な非線形性を同時に考慮し、解析を実施する必要がある。特に船体構造などの溶接を用いて制作される構造物においては、溶接時の変形や残留応力の最終強度への影響についても検討する必要があると考えられる。本研究ではこうした課題について検討するために、本年度においては、溶接構造物に対して最終強度を超える大荷重が作用した際の座屈崩壊現象を高精度に解析するために、理想化陽解法FEMによる座屈崩壊時の大変形弾塑性問題の解析システムを構築した。構築した理想化陽解法FEMに基づく大変形弾塑性解析手法を座屈問題に対して適用することで、大変形問題における理想化陽解法FEMの適用性について検討した。

検討対象としては、鋼板で制作された箱型の構造に対して防撓材を溶接した構造物を想定し、箱型防撓構造の4点曲げ時の座屈崩壊問題を解析した。箱型防撓構造の解析においては、座屈崩壊挙動解析において一般的に用いられるシェル要素ではなく、今後、溶接時の残留応力や変形の予測結果を考慮するために、ソリッド用を用いた解析を実施した。これにより、実大構造物レベルの鋼構造物において、溶接の影響を考慮した解析を実施できるシステムを構築した。解析の結果、得られた荷重-変位曲線は過去に実施された実験時の結果とよく一致し、本解析システムを用いることで、ソリッド要素を用いた場合においても鋼構造物の座屈崩壊時の挙動を解析できることを示した。本年度は、これまでの研究で開発した大規模構造解析が可能な理想化陽解法FEMに対して、座屈時の大変形現象の効果を考慮することで、実大構造物の最終強度解析が可能な解析システムの構築を目標として研究を実施した。開発した解析システムの妥当性を検証するために、開発システムを鋼材で制作された箱型防撓構造の4点曲げ時の座屈崩壊挙動解析に対して適用し、検討を実施した。防撓構造の4点曲げ最終強度解析においては、シェル要素ではなくソリッド要素を用いてモデル化を行うことで、今後の研究において、溶接変形や残留応力の影響を検討可能な手法を構築した。以上の解析システムを用いて箱型防撓構造の最終強度を解析した結果、以前に実施された実験結果とよく一致することから、本解析の妥当性について示すことができたといえる。以上のように、本研究では、平成29年度において実施を計画していた、構造物の座屈崩壊挙動を予測可能な大規模解析システムの開発、および、その解析結果の妥当性についての検討を概ね実施できていることから、本研究は計画通りに進捗しているものと言える。船体をはじめとする大型の薄板鋼構造物においては、外力が作用した際に幾何学的非線形性に起因する座屈などの大変形現象が発生する可能性があり、想定を超える荷重が作用した際には構造物の最終強度を上回り、構造物が崩壊することも想定される。そのため、事前に構造物の最終強度を高精度に予測する必要があり、こうした現象を予測するためには、幾何学的な非線形性と材料学的な非線形性を同時に考慮し、解析を実施する必要がある。特に船体構造などの溶接を用いて製作される構造物においては、溶接時の変形や残留応力の最終強度への影響についても検討する必要があると考えられる。本研究ではこうした課題について検討するために、本年度においては、船体ブロック構造物を模擬した解析モデルを構築し、これに対して縦曲げならびにねじり荷重が作用した際の最終強度の予測を実施した。また、本解析において溶接時の変形や残留応力の影響について検討するために、前年度までに構築した理想化陽解法FEMに基づく大規模非線形解析システムを採用し、ソリッド要素を用いて解析モデルを構築した。以上のように、本解析では、船体ブロック規模の大規模な構造物をソリッド要素を用いて解析することから、代数マルチグリッド法と画像処理装置(GPU)による並列化を解析手法に対して導入した。解析の結果、得られた荷重-変位曲線は実験結果とよく一致し、本解析システムを用いることで、ソリッド要素を用いた場合においても大規模鋼構造物の座屈崩壊時の挙動を解析できることを示した。また、大型鋼構造物製作時の溶接が強度に及ぼす影響についても検討できることを示した。
遺伝問題に関わる自己決定能力を促進するための学習支援に関する研究

本研究は、一般の人びとが遺伝的な問題に出会ったときに、適切に援助を求めたり決定したりできるような知識や態度を身に付けるための学習支援プログラムを、開発して試行することを目的としている。最終年度となる本年度は、2006年度に実施した3日間の「学習支援プログラム」を分析して評価した。「学習支援プログラム」は、遺伝に関する研究依頼が行われる場面を想定し、そこで手渡される「がん関連遺伝子情報に基づく肺がん遺伝子診断法の開発研究-血液採取に関する説明書」を読み、それを議論や知識提供、ロールプレイなどを通して理解していくプロセスとして組み立てられた。このプログラムの評価は、1)学習支援プログラム自体の展開、2)プログラムを支援したファシリテート、3)ロールプレイ、4)オープニングセッションとクローズドセッションのディスカッション、5)プログラムの成果について、プロセスを分析することによって行った。また、分析結果を参加者に提示し、分析内容について意見を求め、学習プロセスの開示を了承してもらった。評価の結果、本プログラムを通して、参加者は上述した状況に応じるためのポイントを把握し、ロールプレイにおいてポイントを活かした応答を実践することができた。また、参加者各自が、自分自身の経験と医療に関わる遺伝の問題とをつなぎ合わせて、そこで生じうる問題に気づくことができた。このプログラムを洗練し、汎用性をもたせるための仕組みを作っていくことが今後の課題である。今年は初年度であり、大きく2つのことを実施した。1.「遺伝問題についての認識のありかた」に焦点を当てた、一般成人を対象とするフォーカスグループインタビューの録音データを、トランスクリプト化して、分析を行った。その結果、一般の人々の「遺伝」に対するイメージは、必ずしも受けた教育によってではなく、むしろその人の体験から形成される、ということが明らかになった。その体験には、本人や家族などの病いの体験が含まれるが、それとともに、原爆体験との関連も示唆されており、後者は、日本における犠牲として理解できる。また、グループインタビューは、参加者にとって、それ自体がグループメンバーや司会者のナビゲーションから知識を吸収し、思考するという学習の場になっており、もっと学習したいという欲求を引き出していた。さらに、興味深いことに、遺伝に関する知識や情報それだけでは、必ずしも遺伝学的検査への協力を判断する力にはならない、ということもわかった。この結果は、従来の知識伝達型の学習形態のあり方に疑問を投げかけるものであった。これらの知見は次年度関連学会に公表する予定である。2.遺伝医療が実際にどのように行われているのか、成人対象の学習の特性について文献、遺伝関連学会への参加、また専門家から直接情報提供を受けつつ、学習支援のあり方について検討を行った。上記1で得られた結果も踏まえ、次年度学習支援の方法としてグループによる対話型の学習を試みることにした。研究2年目として以下のことを実施した。1.昨年実施した一般の人を対象にした遺伝問題についての認識のありかたについて、以下のようにまとめをした。1)「遺伝」を考える視点の発見の仕方は、(1)語らいの中で自らの前提を問い直す(2)遺伝について知ること自体が、すでに遺伝問題の渦中に身を置くことになることへの気づきからなされていること。2)自分の世代では未だ経験していないことは実感できないことであり、垂直(親子)・水平(兄弟・姉妹・いとこ)関係の中で背負う責任については想像力が求められる。2.今年度は、若い世代に焦点を当ててプログラム作成のための基礎調査と、学習方法に関する情報収集をした。1)大学生を対象に、学習プログラム実施時の問題を探るためフォーカスグループインタビューを実施した。その結果、プログラムに関心を持つ人は潜在的当事者である可能性が高いことが予想され、知識を得ることで、新たに悩みが深くなってしまう場合もありうる。間違った知識について語られている場合は、知識の提供が必要となるであろう。また、参加プロセスでは、参加者の不確実なもの(グレーゾーン)に対する耐性を高めるよう支援する必要がある。2)学習プログラムは、参加者が問題に気づき、自発的に学べるようにファシリテーターの役割が重要となる。インフォームドコンセント場面を提示し、ロールプレイとディスカッション、必要に応じたミニレクチャーを取り入れ、学習プロダクツとして形になるように計画する。

今年度は、モデル学習グループに対して遺伝問題への気づきの促しを目的とした対話型のプログラムの実施と評価を行った。【プログラム参加協力者】大学生6名【プログラの実施】プログラムは、健康な人が遺伝子解析を行う研究に参加する時に提示される説明文を題材に1.5日と2週間の間隔をおいて1日実施した。最初に説明場面をイメージできるようにロールプレイ後、配布した説明書から疑問点や理解困難な用語について討議、知識カードの提供、解説を行った。ファシリテーターとして研究者が関わり、随時疑問点に答えながら参加者の遺伝に関する理解を助け、研究に潜む倫理的課題に気づけるよう討議を方向付けながら進めた。【プログラム評価】遺伝的な問題は社会的リスクを基盤に遺伝特有の問題がもたらすリスクが絡み、個人レベルまで問題を掘り下げなければならないが、学習プログラムでそこまでを期待するのには2.5日のプログラムは短期過ぎる。短期であれば、既にわかっている知識(生物学的に遺伝問題は誰にでも起こること)や現象(当事者の気持ちや社会的差別など)についてはこちらから提示し、そこから一緒に考えてゆく方法論がよかったと思われる。また、遺伝的な問題についてグループで学習するときは、学習の進行とともに自己へのリフレクションにより他のメンバーに対し防衛機制が働くこ点を考慮する必要があることがわかった。前年度得られた結果を今年度ジャーナルに投稿し受理された。また今年度得られた結果については、国際遺伝看護学会に報告の予定である。本研究は、一般の人びとが遺伝的な間題に出会ったときに、適切に援助を求めたり決定したりできるような知識や態度を身に付けるための学習支援プログラムを、開発して試行することを目的としている。最終年度となる本年度は、2006年度に実施した3日間の「学習支援プログラム」を分析して評価した。「学習支援プログラム」は、遺伝に関する研究依頼が行われる場面を想定し、そこで手渡される「がん関連遺伝子情報に基づく肺がん遺伝子診断法の開発研究-血液採取に関する説明書」を読み、それを議論や知識提供、ロールプレイなどを通して理解していくプロセスとして組み立てられた。このプログラムの評価は、1)学習支援プログラム自体の展開、2)プログラムを支援したファシリテート、3)ロールプレイ、4)オープニングセッションとクローズドセッションのディスカッション、5)プログラムの成果について、プロセスを分析することによって行った。また、分析結果を参加者に提示し、分析内容について意見を求め、学習プロセスの開示を了承してもらった。評価の結果、本プログラムを通して、参加者は上述した状況に応じるためのポイントを把握し、ロールプレイにおいてポイントを活かした応答を実践することができた。