hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
フロロカーボンプラズマにおける新しい壁制御法の開発とプラズマ・壁相互作用

フロロカーボンプラズマを用いたシリコン酸化膜エッチングでは、エッチングプロセスを繰り返すうちに徐々にプロセス結果が経時変化してしまい、この原因の一つとして、プロセス中に壁に堆積するフロロカーボン膜とプラズマとの相互作用が考えられている。本研究では、プロセス再現性の改善が高精度酸化膜エッチングの実現させるために、イオン衝撃により膜堆積を抑制し、これらのプラズマ・壁相互作用を低減させることを目的としている。本研究では、イオン衝撃法とプラズマ電位振動法を開発し、いずれもRFバイアスを用いることにより、絶縁膜上のチャージアップを抑制しつつイオン衝撃エネルギーを制御でき、絶縁性のフロロカーボン膜の堆積抑制が可能となった。本研究で行なった実験条件ではイオン衝撃エネルギーを100eV以上にすると、イオン衝撃によって膜堆積をほぼ完全に抑制することができた。また交互イオン衝撃法ではプラズマを囲むように設置した二つのバイアス壁の間に、プラズマ電位振動法では接地壁とバイアス壁の間にバイアスを印加するが、すべてのバイアス壁で均一なイオン衝撃を得るためにはそれらの壁の表面積を等しくすることが有効であった。イオン衝撃が加わらない非イオン衝撃壁がラジカル密度の経時変化に及ぼす影響について検討した。真空容器を2分割してそれ自身をバイアス壁として動作させると、非イオン衝撃壁の面積を全表面積と比べて極めて小さくできた。そのときのラジカル経時変化は小さく、またラジカル密度が定常値にに達するまでに時間を短くすることができた。このことから、極力非イオンの面積を減らして容器内部での膜堆積が起こらないようにすることが、プロセス再現性のよいエッチング装置を構成するために重要であり、本手法がそれに有効であることがわかった。現在、高密度フロロカーボンプラズマによるULSIの酸化膜エッチングプロセスでは、エッチング特性そのものが時間とともに変化してしまうことが、大きな問題となっている。本研究では、このプロセス特性の変化の主原因の一つであるフロロカーボン膜で覆われる壁の状態の経時変化を抑制するため、イオン衝撃を利用した壁制御法の開発を行っている。本年度は以下の項目を主に実験・検討した。(1) RFバイアスを用いたプラズマ電位制御によるイオン衝撃法本バイアス法では、プラズマ電位を高周波的に振動させてフロロカーボン膜膜表面に電子とイオンを交互に照射し、膜上での電荷蓄積を抑制してイオン衝撃エネルギーは常にプラズマ電位と同程度にしながらイオン衝撃を行う。RFバイアスの周波数が10MHz以上の場合には、プラズマ電位はバイアス電位の半分程度しか上昇しないのに対し、バイアス周波数を400kHzに下げると、プラズマ電位はバイアス電位と同程度まで上昇させることができた。またバイアス電極とプラズマの電位はほぼ比例関係にあったことから、RFバイアスによりプラズマ電位を振動させ制御できることがわかった。(2)イオン衝撃による堆積膜の制御イオン衝撃エネルギーを高くするにつれて壁における膜の堆積速度が小さくできることがわかった。このとき、プラズマ中のフロロカーボンラジカルを質量分析法により測定したところ、数倍から十倍程度ラジカル密度が上昇することが明らかとなり、イオン衝撃により壁の堆積膜が減少し、膜からラジカルとして脱離していることが示唆された。(1)交互イオン衝撃法の開発本バイアス法では、プラズマを面積の等しい2つのフローティング壁で囲い、フローティング壁の間にトランス結合でバイアスを印加する。その2つのバイアス壁のうち高い方の壁の電位は、ほぼプラズマ電位によって決まるので、低い方の壁のシースには大きな負の電圧が印加される。

すなわちバイアス1周期で、2つのバイアス壁には負電位になる半周期ごとに交互にイオン衝撃を加えることができ、それを各バイアス壁電位の時間変化から確認した。さらにバイアス壁は常に直流的にはフローティングの状態なので、壁表面で電荷中性が保たれており、アーキング等の不安定放電なしで、壁にイオン衝撃を加えられることがわかった。(2)イオン衝撃による堆積膜制御とラジカル密度経時変化の抑制イオン衝撃を加えるとバイアス壁に堆積する膜の堆積速度を制御でき、膜堆積を完全に抑制するのに約100eV程度のイオン衝撃エネルギーを要した。またイオン衝撃により膜堆積を抑制すると、イオン衝撃が弱く膜堆積が起こる場合に比べて、プラズマ生成直後のラジカル密度の経時変化が小さく、プロセス中のラジカル密度の経時変化がプラズマと堆積膜の相互作用により起こっていることがはじめて明らかとなった。フロロカーボンプラズマを用いたシリコン酸化膜エッチングでは、エッチングプロセスを繰り返すうちに徐々にプロセス結果が経時変化してしまい、この原因の一つとして、プロセス中に壁に堆積するフロロカーボン膜とプラズマとの相互作用が考えられている。本研究では、プロセス再現性の改善が高精度酸化膜エッチングの実現させるために、イオン衝撃により膜堆積を抑制し、これらのプラズマ・壁相互作用を低減させることを目指している。今年度は、これまでに開発した交互イオン衝撃法を現在のエッチング装置に適用しやすいようにバイアス印加法を改良するとともに、イオン衝撃が加わらない非イオン衝撃壁がラジカル密度の経時変化に及ぼす影響について検討した。交互イオン衝撃法では、すべてのバイアス壁で均一なイオン衝撃を得るために、表面積が等しい二つのバイアス壁を用いる。従って、必ずしも両方のバイアス壁はフローティングにする必要はなく、片側のバイアス壁を接地してもほぼ同様な堆積膜の除去効果を得ることができた。また真空容器を2分割してそれ自身をバイアス壁として動作させると、非イオン衝撃壁の面積を従来よりも1/10以下にでき、そのときのラジカル経時変化は従来に比べて小さくすることができた。このことから、極力非イオンの面積を減らして容器内部での膜堆積が起こらないようにすることが、プロセス再現性のよいエッチング装置を構成するために重要であることがわかった。
ショウジョウバエを用いた前立腺癌増悪制御因子の探索

本研究では前立腺癌の増悪制御メカニズムの解明を目的とし、ショウジョウバエの前立腺相同器官を用いた遺伝学的手法により前立腺癌の増悪制御を担う新たな因子の探索・同定を試みた。その結果、前立腺癌の細胞増殖・遊走促進に寄与する数種の遺伝子を見出した。一連の研究により、本研究で構築したショウジョウバエ前立腺癌モデルは前立腺癌増悪制御メカニズムを理解する上で有用な手法であることが示された。今後、同定した遺伝子を標的とした創薬・治療など臨床分野への応用が期待される。本研究の目的はアンドロゲン非依存性前立腺癌の増悪を担う新規制御因子を単離・同定することである。平成25年度の計画は、ショウジョウバエ個体を用いたスクリーニング系を構築し、前立腺癌増悪制御を担う候補因子の同定までを行う予定であった。進捗状況としては、ショウジョウバエ個体におけるスクリーニング系の構築を終え、いくつかの癌増悪制御候補因子の同定に至っており、当初の計画通り順調に研究進展している。当初の研究計画ではヒトPAX2のトランスジェニックショウジョウバエ系統を用い、前立腺様組織の過形成表現形を指標としたスクリーニングを行う予定であった。しかしながら、ヒトPAX2をショウジョウバエにおいて過剰発現させると致死に至ることが判明したため、前立腺様組織の細胞増殖・分化・遊走を指標としたスクリーニング系に計画変更しスクリーニングを遂行した。既に、いくつかの癌増悪制御の候補因子を同定するに至っており、現在、以降の解析を行う候補因子の絞り込みを行っている段階である。今後、同定した因子のヒトホモログをヒトの培養細胞において機能評価する。PAX2の転写共役因子か否かを検討するとともに、癌増悪制御への関与を検証する。最終的には、マウスの前立腺癌モデルを用いたin vivo解析及びヒト前立腺癌患者での発現解析を行うことで、本申請で同定した新規因子を個体レベルで機能評価する。最終的に、PAX2の遺伝子発現制御機構の一端を明らかにし、アンドロゲン非依存性前立腺癌の増悪制御メカニズムの解明に展開できるものと期待する。本申請に関する研究成果は、論文発表・学会発表等で広く研究発表を行った。本研究では前立腺癌の転移・浸潤を制御する新規遺伝子の探索を目的とし、ショウジョウバエを用いた個体レベルでのスクリーニングを試みてきた。平成25年度は、ショウジョウバエ雄の前立腺様組織accessory glandを用いたスクリーニング系を構築し、ヒト前立腺癌の転移・浸潤制御機構を評価することが可能であることを示した。平成26年度は、構築したスクリーニング系を用いてaccessory glandで特異的に高発現する25遺伝子に関し、細胞の浸潤・転移制御能を評価した。その結果、雌との交配依存的に遊走する性質を有するsecondary cellsの増殖及び遊走に影響を及ぼす数種の遺伝子を同定することに成功した。遺伝子変異により増殖及び遊走する細胞の数が顕著に変動した3遺伝子に関し、そのヒトホモログの機能をヒト前立腺癌細胞で解析した。3つの遺伝子(CNPY2, MRGBP, MEP1A)のmRNA発現は、いずれも前立腺組織由来の正常細胞に比較し癌細胞で優位に高かった。さらに、これら遺伝子は前立腺癌細胞の増殖あるいは浸潤を促進することが示唆された(Ito et al., BBRC, 2014)。さらに、同定した遺伝子の一つCNPY2に着目し、機能解析を行いアンドロゲンレセプター(AR)のタンパク分解を阻害することを見出した。従って、CNPY2は前立腺癌の増悪を促進する主要な因子であるARのタンパクレベルを増加させることで、癌細胞の増殖・浸潤を促進する可能性が推測された。今後、CNPY2やスクリーニングで同定した他の遺伝子に関して、in vitro系及びマウス癌モデル用いた個体レベルでの解析を展開することで前立腺癌の増悪制御メカニズムにおける新たな知見を得られると考えられる。泌尿器科学平成25年度の研究計画は、1)ショウジョウバエにおける前立腺癌モデル系の構築、2)ショウジョウバエ前立腺癌モデルを用いたPAX2転写共役因子の探索である。1)に関しては、当初の計画ではヒトPAX2のトランスジェニックショウジョウバエを作出し、前立腺癌モデルとして用いる予定であった。しかしながら、ショウジョウバエ個体においてPAX2を強制発現させると致死に至ることが判明したため、PAX2トランスジェニック系統を用いたスクリーニングは困難と判断した。代替するスクリーニング系として、前立腺様組織の細胞が雌雄交配依存的に遊走する現象に着目し、ノックダウン系統ライブラリーを用いて細胞遊走現象を変動させる因子をスクリーニングする方法が可能であるか否かを検討した。その結果、PAX2のショウジョウバエホモログpairedのノックダウン遺伝子変異系統では前立腺様組織における細胞遊走現象が抑制されることが確認された。また、pairedのノックダウン系統では前立腺様組織の細胞分化抑制が認められた。

そこで、細胞の増殖・分化・遊走に関してpairedのノックダウン遺伝子変異系統と類似あるいは反対の表現形を示す遺伝子変異系統をスクリーニングすることでPAX2の転写共役因子の探索が可能であると判断した。2)に関しては、約30の遺伝子変異系統を用いて前立腺様組織の細胞増殖・分化・遊走現象を変動させる因子のスクリーニングを行い、いくつかの癌転移制御候補因子の同定を終えた。以上、研究の進捗状況は研究計画通りに進展している。現在、候補因子のヒトホモログに関してヒト前立腺癌培養細胞を用いて機能評価している段階である。今後の研究の推進方策としては、第一に、同定した癌増悪制御候補因子に関してヒト前立腺癌培養細胞を用いて機能評価する。具体的には、候補因子の細胞増殖能・細胞浸潤能などを解析し、癌増悪制御因子であるか否かを検証する。次に、候補因子がPAX2の遺伝子発現制御を担うか否かをレポーターアッセイにより検討し、PAX2の転写共役因子であるか否かを確認する。また、候補因子を介したPAX2転写制御の分子メカニズムを明らかにする。具体的方法は、候補因子依存的なPAX2標的遺伝子のエピゲノム変動をChIP assayにより検討する。また、既知エピゲノム制御因子との相互作用を複合体精製や免疫沈降法により検討する。その他、候補因子のPAX2転写活性への寄与を種々の生化学的手法を用いて検証する。第二に、前立腺癌モデルマウスにおける候補因子の機能解析を行い、個体レベルで分子機能を評価する。具体的には、候補因子をノックダウンした前立腺癌培養細胞を皮下移植したxenograftモデルを用い、癌細胞の増殖や転移に対する候補因子の制御能を検討する。第三に、前立腺癌患者における候補因子の発現解析を行い、前立腺癌増悪に対する候補因子の寄与を検証する。一連の解析により、新規PAX2転写共役因子を介した遺伝子発現制御機構を分子レベル解明し、アンドロゲン非依存性前立腺癌の増悪制御メカニズムの一端を明らかにすることを目指す。実験の進捗状況や物品の価格の変更により、残額が生じた。必要な薬品・器具等で残額で購入できるものがなく、次年度経費に充当しての使用が有意義であるため。平成26年度の研究計画は同定した候補因子に関して、1)ヒト培養細胞を用いた分子機能解析、2)マウス個体における癌増殖・転移能の検討、3)前立腺癌患者検体を用いた発現解析、を行う予定である。実験に必要な研究経費(消耗品)として、1)に関しては、invasion assay、レポーターアッセイ、ChIP assay、免疫沈降等の生化学的解析に用いる各種試薬、抗体、細胞培養用培地・血清、ガラス・プラスチック器具が挙げられる。2)では主に実験動物飼料、系統維持費、3)ではPCR primer合成、各種酵素類、実験試薬に充足される。その他、研究成果の学会発表のための旅費・論文投稿のための経費、英文校閲謝礼に充当される。
ヒラタハバチ科(ハチ目)の系統発生に関する研究

1.比較研究の基礎資料を充実させるため,各年度の主に成虫が発生する時期に主として北海道各地において調査を行い,その結果得られた資料に既存の資料を加えてヒラタハバチ科の分類と系統解析に有用な形質の検討を行った.その結果,属レベルの系統解析には,翅脈相,口器,産卵管の形態など13の形質が重要であることがわかった.これらの形質の分布を系統解析プログラムMacladeおよびPAUPに入力して形質状態分布行列を作成し,属間の系統関係および各形質の進化に関する最節約的な仮説を作成した.これによって得られた系統仮説によれば,既存の分類群のうち,ヒラタハバチ亜科およびそれを構成する2族NeurotominiおよびPamphiliiniは単系統群であるが,マツヒラタハバチ亜科およびCephalciini族は単系統群ではない.今後はさらに系統解析に有用な形質の発見に努力し,今回得られた系統仮説をテストしていきたい.また,今回系統解析の単位として使用したヒラタハバチ科各属の単系統性の問題も今後の検討課題として残されている。2.上記の研究の過程で,明らかになった新知見の一部は10編の論文として,学会誌等に発表した.これらは,韓国産Neurotoma属(5種)およびOnycholyda属(1新種を含む6種)のまとめ(論文6),Pamphilius sulphureipes種群(2新亜種を含む東アジア産の4種)の再検討(論文8),Pamphilius histrio種群(1新種,1新亜種を含む全北区産の11種)の再検討と系統解析(論文10),東アジア産Megaxyela属(2新種を含む3種)の再検討(論文3),日本からのCephalcia属およびNeurotoma属の各1新種の記載(論文5,9),新寄主および幼虫の造巣習性に関する報告(論文1,7)ならびに新分布記録(論文2,4)である.1.比較研究の基礎資料を充実させるため,各年度の主に成虫が発生する時期に主として北海道各地において調査を行い,その結果得られた資料に既存の資料を加えてヒラタハバチ科の分類と系統解析に有用な形質の検討を行った.その結果,属レベルの系統解析には,翅脈相,口器,産卵管の形態など13の形質が重要であることがわかった.これらの形質の分布を系統解析プログラムMacladeおよびPAUPに入力して形質状態分布行列を作成し,属間の系統関係および各形質の進化に関する最節約的な仮説を作成した.これによって得られた系統仮説によれば,既存の分類群のうち,ヒラタハバチ亜科およびそれを構成する2族NeurotominiおよびPamphiliiniは単系統群であるが,マツヒラタハバチ亜科およびCephalciini族は単系統群ではない.今後はさらに系統解析に有用な形質の発見に努力し,今回得られた系統仮説をテストしていきたい.また,今回系統解析の単位として使用したヒラタハバチ科各属の単系統性の問題も今後の検討課題として残されている。2.上記の研究の過程で,明らかになった新知見の一部は10編の論文として,学会誌等に発表した.これらは,韓国産Neurotoma属(5種)およびOnycholyda属(1新種を含む6種)のまとめ(論文6),Pamphilius sulphureipes種群(2新亜種を含む東アジア産の4種)の再検討(論文8),Pamphilius histrio種群(1新種,1新亜種を含む全北区産の11種)の再検討と系統解析(論文10),東アジア産Megaxyela属(2新種を含む3種)の再検討(論文3),日本からのCephalcia属およびNeurotoma属の各1新種の記載(論文5,9),新寄主および幼虫の造巣習性に関する報告(論文1,7)ならびに新分布記録(論文2,4)である.1.これまでヒラタハバチ科の上位分類群の系統分類にはあまり使われてこなかった雄交尾器や産卵管について各属の代表的な種を比較検討したところ、とくに産卵管の形態は属レベルおよび最大の属であるPamphilius属内の種群間の系統解析に有用であることが明らかになった。2.平成4年6月に北海道定山渓および中山峠において成虫の採集を目的として、また同年9月に青森県岩木山付近において幼虫の採集を目的とした調査を行なった。北海道での調査では、未記載種および日本未記録種の標本を含む多くの基礎資料を得た。3.次の内容の5論文を発表した。(1)北海道と本州の山地に産するPamphilins gracilisの幼虫がナナカマドを食することを飼育によって確認したので報告した。同種の食草はこれまで知られていなかった。(2)これまで韓国・ロシア極東地域のみから知られていたOnycholyda nigroclypeataが、中国東北部にも産することを報告した。(3)ヒラタハバチ科の系統解析の際の外群として重要なナギナタハバチ科のMegaxyela属について東アジア産の種を再検討し、日本および韓国からの2新種を含む3種を認めた。また同属の種にみられる産卵習性がヒラタハバチ科のそれに類似していることを指摘した。(4)これまでロシア沿海州から知られていなかったNeurotoma atrataとN.Sibiricaが同地域に産することを、ロシア科学アカデミー動物学研究所所蔵の標本を検することにより確認した。

(5)北海道においてミズナラを食害していた幼虫から羽化したヒラタハバチが新種であることを確認し、Neurotoma haraiとして記載・命名した。1.これまでに得られた比較解剖学的知見を用いてヒラタハバチ科各上位分類群間の系統関係を調べるため、系統解析プログラムMarCladeおよびPAUPを用いて形質状態分布行列を作成し、系統関係および各形質の進化に関する仮説を作成した。その結果、既存の分類群のうちマツヒラタハバチ亜科およびCephalciini族の単系統性には疑問があることが判明した。なお、上述の系統解析プログラムを効率的に活用するため、当初備品として購入を予定していた標本箱の代わりに新型のApple社製コンピュータを購入した。2.平成5年6月20日から30日まで、北海道各地において成虫の研究資料収集を目的とした調査を行った。調査のあいだ天候が不良で、得られた標本は多くなかったが、いくつかの興味深い知見が得られた。3.次の内容の3論文を発表した。(1)朝鮮半島産のNeurotoma属とOnycholyda属を分類学的に再検討し、前者に5種、後者に6種を認めた。このうち、Onycholyda属の1種を新種として記載し、2種を同地域から初めて記録した。さらにこれまで未知であったNeurotoma coreanaの雄を初めて記載し、両属の全種について検索表を作成した。(2)Pamphilius属のsulphureipes種群を再検討して、これまで含まれていた東アジア産の3種にP.zhelochovtseviを新たに加えた4種が同種群に含まれることを確認した。またこれまで知られていなかったP.sulphureipesほか3種の雄を初めて記載し、日本に産する3種のうち2種を新亜種として記載した。Pamphilius alnicolaの幼虫が、集団でヤマハンノキの葉を巻いて食することを初めて報告した。同属では幼虫は通常単独性で、集団性はほかに同種の属するP.sylvaticus種群の2種でしか知られていなかった。1.前年度に行った,系統解析プログラムMacladeおよびPAUPを用いたヒラタハバチ科上位分類群間の系統解析を,比較種および形質をさらに増やして行った.その結果,以前に得られた系統仮説が支持された.2.平成6年7月1日から10日まで,北海道各地において成虫の研究資料収集を目的とした調査を行った.天候は万全ではなかったが,きわめて稀にしか採集されないPamphilius brevicornis ibukiiなど,いくつかの貴重な研究材料が得られた.3.次の内容の2論文を発表した.(1)本州中部の草津白根山のモミから採集された標本に基づいてCephalcia属の1新種C.antennataを記載した.同種は,幼虫がモミ類を食害するC.hartigii(旧北区西部産)およびC.stigma(日本産)に最も近縁である.Cephalcia属の種は,ほとんどがトウヒ属の植物を寄主としており,モミ属につくことが知られているのはこの3種だけである。(2)Pamphilius属のhistrio種群を再検討して,旧北区産の9種と新北区産の1種の計10種が含まれることを確認した。
マウス系統差を用いた腎症抵抗性遺伝子の同定

慢性腎臓病(CKD)は原疾患を問わず多くの腎臓病において見られる共通の病態であり最終的に腎不全に至る。ヒトCKDに類似したCKD自然発症モデルマウスの1つに、Tensin2変異マウスが報告されている。このTensin2変異による腎臓病は興味深いことにマウスの系統により病態が大きく異なる。例えばFVBマウスにTns2変異を導入すると腎症が引き起こされるが、C57Bl/6(B6)マウスにTensin2変異を導入しても腎症はほとんど見られない。このことからB6マウスは腎症に対する抵抗性因子を持っていると考えられる。我々はこのマウスの系統差に着目し、腎症に対する抵抗性遺伝子を探索することを目的とする。
複合型半導体を用いた光触媒反応

(1) Ptを担持したTi【O_2】触媒を用いてアルコールとアンモニア水からのアミンの光合成に成功した。反応はAr雰囲気中で行ったが、Arの代りに【H_2】を用いるとアミンの収量は増加し、【O_2】を用いるとアミンは生成せず気相生成物特に【CH_4】、【CO_2】の著しい増加が認められた。アミンの生成量は酸化されやすいアルコール程多く、また、エタノールとアンモニアの反応では、アナターゼの割合が最大の触媒を用いた時に最も高収率を示した。反応機構の詳細を解明中である。(2)ビオロゲン側鎖を有するナイロンで保護したCdSコロイドを用い、メルカプトエタノールの存在下に、CdSからビオロゲンへの光電子移動をしらべた。また、CdSおよびPtコロイドの両者をこのポリマーで保護して、犠牲試薬存在下での、水の光分解による【H_2】の発生を調べた。何れも500nm付近から認められ、短波長になるに従い増加するが、380nm付近から急激に低下した。400nmにおける【H_2】発生の光量子収率は、0.14%であった。(3)強誘電体複合型半導体を用いて、水の光分解を行った。LiNb【NO_3】単結晶表面にPtを蒸着、その上にTi【O_2】を蒸着した触媒では、蒸着面が正に分極している場合は著しい【H_2】発生を示したが、負に分極している場合は殆ど発生しなかった。PZT焼結体を基板に用いた場合も同様な傾向を示したが、この場合PZTの正分極面にPtのみを蒸着した触媒が最も著しい【H_2】発生を示し、また、PZTのみでも【H_2】を発生した。これは、PZTの異常光起電力効果と関連があるものと考えられる。
チアノーゼ性心疾患における血管新生作動タンパク質の特定

医学の進歩により,チアノーゼを持ちながら学童・成人に達する先天性心疾患患者も増加している.これらの患者では,低酸素による血管新生系の活性化亢進が推測され,実際に側副血行路がよく発達しているが,ときにこの生体反応が異常な病的血管新生をもたらし,最終手術を不可能にすることもある.本研究では,チアノーゼ性心疾患(CCHD)における血管新生作動タンパク質を特定することを目的とし,病的血管新生に対する新たな治療法を探索する。昨年度までの研究により,(1)上記系を用いて既知の血管新生分子に対する種種の抗体や阻害剤を患者血清に反応させtube formationへの影響を解析,(2)トランスウェルを用いてHUVECの遊走能を検討,(3)ELISA法にてCCHD患者血清内のVEGF値の測定を行った結果,CCHD患者の血清にはVEGFが含まれており,血管新生に重要な役割を果たしていることが推測された.さらに(4)CCHD患者のカテーテル検査時に採取した部位別血清につき上記系でtube formationを検討した結果,一定の傾向がみられた.(5)同血清を用いてプロテオーム解析を行ったところ部位別に発現量に一定の差,すなわちピーク値が得られた.そこで今年度は(4),(5)の結果に対し再現性を確認するため,さらに患者血清を収集しプロテオーム解析を行った.プロテオーム解析:カテーテル検査時に採取した部位別の血清を用いて,プロテインチップによるプロテオーム解析を行った.前回,発現量の多かった候補ピーク部位について再現性の確認のみを行った.しかしながら,ピークの再現性は得られず,チアノーゼ性心疾患における異常血管形成に関する因子,すなわち血管新生作動タンパク質の特定には至らなかった.今後は,tube formationから再検討し,差のあった検体にて,別のピーク値を検討する目的で再度プロテオーム解析を行う予定である.尚,本研究は千葉大学の倫理委員会で承認済みである.医学の進歩により、テアノーセを持ちなから学童・成人に達する先天性心疾患患者も増加している。これらの患者では、低酸素による血管新生系の活性化亢進が推測され、実際に側副血行路がよく発達しているが、ときにこの生体反応が異常な病的血管新生をもたらし、最終手術を不可能にすることもある。本研究では、チアノーゼ性心疾患(CCHD)における血管新生作動タンパク質を特定することを目的とし、病的血管新生に対する新たな治療法を探索する。増殖因子を除いたマトリゲル内でヒト臍帯静脈血管内皮細胞(HUVEC)を培養する系に、CCHD患者血清を添加し毛細血管を作らせる血清の機能を解析した結果、CCHD患者血清は健常人血清の平均1.5倍の毛細血管形成能(tube formation)を示し、さらに手術により低酸素が改善されると血管形成能は正常化していた。この結果を基にCCHD患者における血管新生作動物質の特定を試みた。1.同系を用いて、既知の血管新生分子に対する種々の抗体や阻害剤を患者血清に反応させtube formationへの影響を解析した。VEGF受容体抗体およびVEGFリガンドの生理活性抑制因子である可溶性VEGFR-1でCCHD患者血清の前処理を行うとtube formationは抑制され、そこにリコンビナントのVEGFを添加するとtube formationは回復した。2.トランスウェルを用いてHUVECの遊走能を検討した。健常人血清に比べCCHD患者血清の添加により遊走能が亢進した。3.ELISA法にて測定した血清中のVEGF値は、CCHD患者では健常人に比べ高値であった。以上より、CCHD患者の血清にはVEGFが含まれており、血管新生に重要な役割を果たしていることが推測される。さらに、CCHD患者における新たな血管新生作動タンパク質の特定を行うべく、プロテオーム解析にむけて、患者血清を収集中である。医学の進歩により,チアノーゼを持ちながら学童・成人に達する先天性心疾患患者も増加している.これらの患者では,低酸素による血管新生系の活性化亢進が推測され,実際に側副血行路がよく発達しているが,ときにこの生体反応が異常な病的血管新生をもたらし,最終手術を不可能にすることもある.本研究では,チアノーゼ性心疾患(CCHD)における血管新生作動タンパク質を特定することを目的とし,病的血管新生に対する新たな治療法を探索する.昨年度までの研究により,(1)増殖因子を除いたマトリゲル内でヒト臍帯静脈血管内皮細胞(HUVEC)を培養する系を用いて既知の血管新生分子に対する種々の抗体や阻害剤を患者血清に反応させtube formationへの影響を解析,(2)トランスウェルを用いてHUVECの遊走能を検討,(3)ELISA法にてCCHD患者血清内のVEGF値の測定を行った結果,CCHD患者の血清にはVEGFが含まれており,血管新生に重要な役割を果たしていることが推測された.本年度は,CCHD患者における新たな血管新生作動タンパク質の特定を行うべく,プロテオーム解析にむけて患者血清を収集した.適切な症例数が収集できず,まず以下の研究にて予備実験を行った.1.上記(1)の系を用いて,カテーテル検査時に採取した部位別の血清におけるtube formationを検討した.採取部位での差がみられた.2.カテーテル検査時に採取した部位別の血清を用いて,プロテオーム解析を行った.採取部位でのタンパク質の発現量に一定の差がみられた.以上の結果は,血管新生物質の特定の手がかりとなる可能性があり,症例数を増やして検討を重ねていく予定である.

医学の進歩により,チアノーゼを持ちながら学童・成人に達する先天性心疾患患者も増加している.これらの患者では,低酸素による血管新生系の活性化亢進が推測され,実際に側副血行路がよく発達しているが,ときにこの生体反応が異常な病的血管新生をもたらし,最終手術を不可能にすることもある.本研究では,チアノーゼ性心疾患(CCHD)における血管新生作動タンパク質を特定することを目的とし,病的血管新生に対する新たな治療法を探索する。昨年度までの研究により,(1)上記系を用いて既知の血管新生分子に対する種種の抗体や阻害剤を患者血清に反応させtube formationへの影響を解析,(2)トランスウェルを用いてHUVECの遊走能を検討,(3)ELISA法にてCCHD患者血清内のVEGF値の測定を行った結果,CCHD患者の血清にはVEGFが含まれており,血管新生に重要な役割を果たしていることが推測された.さらに(4)CCHD患者のカテーテル検査時に採取した部位別血清につき上記系でtube formationを検討した結果,一定の傾向がみられた.(5)同血清を用いてプロテオーム解析を行ったところ部位別に発現量に一定の差,すなわちピーク値が得られた.そこで今年度は(4),(5)の結果に対し再現性を確認するため,さらに患者血清を収集しプロテオーム解析を行った.プロテオーム解析:カテーテル検査時に採取した部位別の血清を用いて,プロテインチップによるプロテオーム解析を行った.前回,発現量の多かった候補ピーク部位について再現性の確認のみを行った.しかしながら,ピークの再現性は得られず,チアノーゼ性心疾患における異常血管形成に関する因子,すなわち血管新生作動タンパク質の特定には至らなかった.今後は,tube formationから再検討し,差のあった検体にて,別のピーク値を検討する目的で再度プロテオーム解析を行う予定である.尚,本研究は千葉大学の倫理委員会で承認済みである.
ピアノ打鍵動作における熟練運動技能と上肢動力学特性との関係の検討

本研究は,ピアニストとピアノ初心者の打鍵動作における上肢関節の動力学特性の違いについて調べた.ピアニスト7名と同数の初心者にスタッカートでのオクターブ打鍵を行なってもらい,その際の上肢の運動を高速カメラおよび表面筋電図によって記録した.逆動力学計算により,肩,肘,手首,指関節に生じる筋力依存性のトルク,運動依存性のトルク,重力依存性のトルクを算出した.その結果,ピアニストは初心者に比べて肘と手首により大きな運動依存性トルクを作り出し,筋トルクを軽減していた.さらに,肘の筋トルクを生成する際,ピアニストは重力に抗する筋である上腕二頭筋を弛緩させていたのに対し,初心者は上腕三頭筋を収縮させていた.したがって,ピアニストは長期的な訓練を通して,筋力以外の力を利用することで打鍵時の筋肉の仕事量を軽減する運動技能を獲得していることが示唆された.本研究は,ピアニストとピアノ初心者の打鍵動作における上肢関節の動力学特性の違いについて調べた.ピアニスト7名と同数の初心者にスタッカートでのオクターブ打鍵を行なってもらい,その際の上肢の運動を高速カメラおよび表面筋電図によって記録した.逆動力学計算により,肩,肘,手首,指関節に生じる筋力依存性のトルク,運動依存性のトルク,重力依存性のトルクを算出した.その結果,ピアニストは初心者に比べて肘と手首により大きな運動依存性トルクを作り出し,筋トルクを軽減していた.さらに,肘の筋トルクを生成する際,ピアニストは重力に抗する筋である上腕二頭筋を弛緩させていたのに対し,初心者は上腕三頭筋を収縮させていた.したがって,ピアニストは長期的な訓練を通して,筋力以外の力を利用することで打鍵時の筋肉の仕事量を軽減する運動技能を獲得していることが示唆された.本年度は、新規実験のセットアップとして、電子ピアノや筋電図計、アナログデジタル変換ボードなどを購入した後、初めはピアニスト、初心者3名ずつでプレテストを行った。そして、研究代表者が当初予定した実験計画の妥当性について十分な確認を行った後、被験者を拡充し、本実験を行った。実験の被験者に関して、ピアニスト間の運動パターンのバラつきが大きかったことから、当初予定した10名から15名に変更した。また、コントロール群に初心者10名に加え、アマチュアピアニスト4名を追加した。その結果、ピアニストと初心者のピアノ打鍵動作時の上肢運動パターンおよび動力学的な特徴に顕著な差が見られた。特に、研究代表者の仮説どおり、ピアニストは初心者よりもより多くの運動依存性の力を利用することで、筋肉の仕事量を軽減している結果が、肘および手首関節において見られた。これらの結果について、大阪大学大学院医学系研究科の木下博教授と十分な検討を加えた結果、被験者の一部に関してデータ処理を行った結果をまとめ、はじめに国際学会にて発表した。その結果、当該領域の研究者の間で高い評価を受けたため、その後、部分的な成果を学術論文としてまとめ、国際誌および国内誌に投稿し、査読を経て、掲載されるに至った。この際、ATR脳情報研究所の田中宏和研究員に、学術論文執筆に関するサポートを受けた。次年度はより詳細なデータ解析およびアマチュアとの比較を行うことで、申請者の仮説をより支持する結果が得られるかどうか検証し、得られたさらに詳細な結果を国際誌に投稿する予定である。本年度は、昨年度の実験で得られた結果をより詳細に検証するため、以下のような追加実験を実施した。表面筋電図を新たに購入し、前回の実験で測定できなかった肘の屈筋(腕橈骨筋)の筋活動を、前回の実験で計測した他の関連筋群と同時に計測し、その発火特性および筋負荷量を算出した。また筋活動に同期して、打鍵動作時の上肢の2次元の運動を計測した。その結果、上腕二頭筋同様、腕橈骨筋でも、打鍵の開始に際し、姿勢保持の筋活動量の減少がピアニストのみで認められ、ピアノ初心者では認められなかった。さらに、今回得られたデータと昨年度得たデータに対して、さらに詳細な信号処理および統計学的解析を実施した結果、この姿勢保持の筋活動量の減少は、ピアニストのみにおいて、音量の増大に伴って増大すること、一方、肘の伸展筋の発火開始時刻は、初心者のみにおいて、音量の増大に伴って早くなることが明らかとなった。これらの結果をまとめ、身体運動制御学領域では最大の国際会議である「Society for the Neural Control of Movement」19^<th> Annual Meetingで研究発表を行い、当該領域の研究者たちと有意義な議論を行い、考察を深めた。さらに、研究内容に対し、若手研究者の中から選出されるScholarship Winner17名の一人に日本人として唯一選出されるなど、国際的に高い評価を得た。その後、学術論文を執筆する上で、研究結果に対してさらなる推敲を深めるため、東京大学教育学部の平島雅也助教と、データ解析結果に対して有意義な議論を行った。
視覚障害を伴う肢体不自由児教育への3次元音響バーチャルリアリティの応用

本研究では,三次元音響バーチャルリアリティの技術を応用することによって,視覚障害を伴う重度の肢体不自由児が遠隔地にいる同様の障害を持つ子供たちや健常な子供たちとコミュニケーションを図ったり,仮想音響空間上でゲームを行わせることができる聴覚ディスプレイとコンテンツの開発を行ってきた。本年度は,聴覚ディスプレイをネットワーク上で利用できるようにすること,ネットワークで結んだ聴覚ディスプレイ上で稼働するアプリ(アプリケーションソフト)の開発を行うこと,それを用いて試用実験することによってアプリの評価と改善を行うこと,などを実施した。1.ネットワーク化2台の聴覚ディスプレイをイーサネットを介して接続するためのピアツーピア型通信プログラムの開発を行った。開発用ソフトはVisualC++を用い,通信用APIはDirect X 9.0を用いた。サーバを用いないため非常に高速な通信が可能になった。2.対戦型アプリの開発一昨年開発を行った音に触れるゲーム「ホイピッピ」を改善し,ふたりのプレーヤが1機のヘリコプターを同時に探索して,先に叩いたほうの得点になるようにした。また,仮想音響空間上を移動するヘリコプターの動きを複雑にすることによって,プレーヤはより音像の位置に注意を向け,正確に同定する必要が出てきたため,聴覚訓練効果や腕の機能訓練効果が向上した。3.試用実験初めに晴眼者8名を被験者にして試用実験を行った。実験は,それぞれの被験者に単独型を3回,対戦型を3回ずつ行って,10機のヘリコプターを叩く時間を測定した。その結果,対戦型の方が有意に短かかった。その理由として対戦型のほうがより競争意識を活性化したものと思われる。また,盲学校の高等部の生徒2名,および教員4名にも試してもらい,アンケートを取った結果,対戦型のほうがより面白いという意見が大半を占め,ネットワーク対戦化がエンターテイメント性向上に有意に働いたことが示された。以上の点から,視覚障害児の新しいコミュニケーションの道具として本システムが大いに役に立つ可能性が示された。1.聴覚ディスプレイの開発3次元音響バーチャルリアリティを実現するための聴覚ディスプレイの開発を行った。この聴覚ディスプレイは,3次元位置センサー(Polhemus社3SPACE FASTRAK)からDSP (Digital Signal Processor)に送られてきた聴取者の頭部の角度と位置情報を基に,頭部伝達関数(Head Related Transfer Function : HRTF)をリアルタイムに切り替え,それを音源信号に畳み込むことによってバーチャルリアリティを実現するものである。2.頭部伝達関数の測定被験者全員の頭部伝達関数を測定した。頭部伝達関数は,無響室に設置した球状スピーカアレイから放射されたインパルス信号を被験者の外耳道入口に設置した小型マイクによって集音し,デジタル信号に変換したものである。被験者は全盲者が4人,晴眼者が4人である。3.視覚障害者の仮想音響空間内における音像定位精度の測定実験視覚障害者が仮想音響空間内でどのように音像を知覚しているのかを知るために,本研究で開発した聴覚ディスプレイを用いて音像定位精度の測定実験を行った。また,実音源や晴眼者との比較も行った。その結果,実音源における実験では,晴眼者よりも盲人のほうが定位誤差が少ない傾向にあった。また,頭部を動かした場合と固定した場合では,頭部を動かしたほうがより正確に音源の方向を特定する傾向にあった。音源までの距離については,盲人のほうが正確に認識できた。また,仮想音響空間内における実験では,晴眼者と盲人間に極端な差異は認められないが,盲人においては頭部を動かすことによって定位誤差や前後誤判断が晴眼者よりも減少することが分かった。距離については,両者共設定した距離よりも過小に評価する傾向にあった。4.聴覚ディスプレイを応用した視覚障害児のためのゲームの開発「触れる音」をテーマにした3次元音響バーチャルゲーム「ホイピッピ」を開発した。このゲームはもぐらたたきに類似したアクション型のゲームである。実験の結果,全ての被験者が7割を越える的中率であった。1.視覚障害者向け3次元音響ゲームの改善平成14年度においては、3次元音響バーチャルリアリティを実現するための聴覚ディスプレイの開発を行い、仮想音響空間内で視覚障害者、ならびに晴眼者がどのように音像や空間を認識しているのかの基本的な実験を行った。また、聴覚ディスプレイを応用した視覚障害者のためのもぐらたたき型ゲーム「ホイピッピ」を開発し、宮城県立盲学校の教員ならびに生徒たちの協力を得て試行実験を行った。その結果、本ゲームシステムが今までにはない、視覚障害者のためのエンターテイメントになりえることが示唆された。また、同時にエンターテイメント性の向上を図るために必要な要望もいくつか出された。そこで、平成15年度は、まずそれらの要望をゲームコンテンツに組み入れるための改変作業を行った。具体的には、音源の移動速度を可変にすること、キャラクターが出現する回数を可変にすること、効果音を工夫し、よりゲームらしくすること、などである。2.海外の先行研究の調査次に、3次元音響バーチャルリアリテイ、もしくは音声情報を用いた視覚障害者対象のCAI(Computer Assisted Instruction)システムに関する先行研究を調査し、教育・訓練の目的や方法、ならびに効果の立証方法などについて研究した。その結果、海外に若干の先行研究が存在し、視覚障害者の空間認識能の訓練やメンタルマップ(イメージ上の地図)を作り上げるために用いられ、効果を上げていることが分かった。3.局所的空間認識能の訓練

本研究において開発したゲームコンテンツ「ホイピッピ」は、音源の提示位置に手を伸ばす動作をすることから、局所的空間認識能の訓練に使用できるのではないかと考え、訓練実験を行った。その結果、音源提示位置と音像定位の訓練前後の誤差が場所によっては有意に少なくなり訓練効果が確認された。4.ネットワーク化2台の聴覚ディスプレイをネットワークで接続し、遠隔地において同一のバーチャルリアリティを構築できるVRシステムの開発を行ったが、まだ開発作業中である。本研究では,三次元音響バーチャルリアリティの技術を応用することによって,視覚障害を伴う重度の肢体不自由児が遠隔地にいる同様の障害を持つ子供たちや健常な子供たちとコミュニケーションを図ったり,仮想音響空間上でゲームを行わせることができる聴覚ディスプレイとコンテンツの開発を行ってきた。本年度は,聴覚ディスプレイをネットワーク上で利用できるようにすること,ネットワークで結んだ聴覚ディスプレイ上で稼働するアプリ(アプリケーションソフト)の開発を行うこと,それを用いて試用実験することによってアプリの評価と改善を行うこと,などを実施した。1.ネットワーク化2台の聴覚ディスプレイをイーサネットを介して接続するためのピアツーピア型通信プログラムの開発を行った。開発用ソフトはVisualC++を用い,通信用APIはDirect X 9.0を用いた。サーバを用いないため非常に高速な通信が可能になった。2.対戦型アプリの開発一昨年開発を行った音に触れるゲーム「ホイピッピ」を改善し,ふたりのプレーヤが1機のヘリコプターを同時に探索して,先に叩いたほうの得点になるようにした。また,仮想音響空間上を移動するヘリコプターの動きを複雑にすることによって,プレーヤはより音像の位置に注意を向け,正確に同定する必要が出てきたため,聴覚訓練効果や腕の機能訓練効果が向上した。3.試用実験初めに晴眼者8名を被験者にして試用実験を行った。実験は,それぞれの被験者に単独型を3回,対戦型を3回ずつ行って,10機のヘリコプターを叩く時間を測定した。その結果,対戦型の方が有意に短かかった。その理由として対戦型のほうがより競争意識を活性化したものと思われる。また,盲学校の高等部の生徒2名,および教員4名にも試してもらい,アンケートを取った結果,対戦型のほうがより面白いという意見が大半を占め,ネットワーク対戦化がエンターテイメント性向上に有意に働いたことが示された。以上の点から,視覚障害児の新しいコミュニケーションの道具として本システムが大いに役に立つ可能性が示された。
シマリス血清中の高HDL値はCETP欠損に由来する

我々はシマリスの血清HDL値が著しく高値であることを見出しその成因について検討してきた。ヒトにおいてはCETPとHTGLの欠損がHDLを上昇させる。シマリスにおいてはCETP蛋白量は測定限界値以下であり、CETP活性及びHTGL活性とも低活性であった。このことはシマリス血清中の高HDL値がCETPの低活性によるものであることを強く示唆するものと考えられた。一方、ヒトCETP欠損症ではCETP遺伝子のイントロン14とエクソン15のポイントミューテーションが知られている。シマリスのエクソン15について変異の有無を検討したところ、28bp付近のバンドを欠く特異なパターンを見出したが、詳細については現在検討中である。CETPを腑活することが知られている降脂質剤(プロブコール)を投与すると4週間後にCho、TG、HDLともそれぞれ44%、78%、48%まで値が減少した。リポタンパク分画比率をみるとHDLは3週目まで減少し、4週目で上昇したのに対し、VLDL+LDLは逆に3週目まで上昇し4週目で減少した。5%コレステロール添加飼料を長期にわたって投与すると、オス動物においてはChoおよびHDLは8ヶ月後でも変化を認めなかったが、TGは8ヶ月で給与前に比べて約47%の値に減少した。メス動物においてはHDLのみ変化を認めなかったが、Choで約2倍、TGで約3倍の値に上昇した。現在これらの実験をさらに継続すると共に、シマリスのCETP遺伝子の存否について検討しているところである。以上の結果から、CETP蛋白量は測定限界値以下であり、CETP活性及びHTGL活性とも低活性であることが明らかになった。今回、我々はSakai等の方法によりシマリスのエクソン15について変異の有無を検討したところ、28bp付近のバンドを欠く特異なパターンを見出した。現在この点の詳細な検討を継続中である。今後、CETPを腑活することが知られている降脂質剤(プロブコール)の投与、ならびに高脂食負荷による血清脂質成分の挙動を追跡することにより、高HDLの成因、特にCETPとの関連を明らかにしていく予定である。これまでに血中HDL値に影響を及ぼす諸因子のうち、LCAT活性、CETP活性、アポC2、アポC3、アポE、LPL、HTGL活性について測定し報告した。ヒトにおいてはこれら因子のうち、CETPとHTGLの欠損はHDLを上昇させるが、シマリスにおいては両因子とも低値ながら活性を有した。(CETP活性:2.149±1.115nm/ml/min、HTGL活性:0.1392±0.056μm/ml/min)。また、CETP蛋白量は測定限界値以下であったことから、シマリス血清中の高HDL値はCETPの低活性によるものであることが強く示唆された。しかしながら、低値ながらCETP活性が認められたことから、シマリスの高HDL値はこれら因子の欠損に由来するものではない可能性が明らかになった。この事は、CETPを発現させる遺伝子がシマリスにも存在する事を示唆するものであり、今年度は、既に明らかにされているヒトCETP遺伝子とシマリスのCETP遺伝子との相違について検討した。Brownら(Nature,342,448-451,1989)の報告に従い、ゲノムDNAを抽出後、PCR反応により増幅し、HIguchiら(Nature,332,543-545,1988)の方法によりシーケンシングを行ったが、シマリスの組織を出発材料とした場合は増幅が認められなかった。

この事は、ヒトとシマリスではCETP遺伝子の塩基配列が異なることを示すものであり、現在シマリスのCETP遺伝子をクローニングする作業を進めている。我々はシマリスの血清HDL値が著しく高値であることを見出しその成因をCETP活性との関連で解析してきた。今年度は、高脂食負荷並びに降脂質剤(プロブコール)投与による各種パラメーターの変動について検討し、以下の成績を得た。1.5%コレステロール添加飼料負荷の影響(1)オス動物においてはChoおよびHDLは8ヶ月後でも変化を認めなかったが、TGは8ヶ月後に高脂食給与前に比べて約47%の値に減少した。(2)メス動物においてはHDLのみ変化を認めなかったが、Choで約2倍、TGで約3倍の値に上昇した。(3)リポタンパク分画については、オス、メスともHDL、VLDL+LDLに変化を認めなかったが、カイロミクロンについて日数を重ねるにつれて徐々に分画比率が減少する傾向を認めた。2.降脂質剤(プロブコール)投与の影響(1)オス動物において投与開始4週間後でCho、TG、HDLともそれぞれ44%、78%、48%まで値が減少した。(2)リポタンパク分画比率は、オス、メスともHDLは3週目まで減少し、4週目で上昇した。VLDL+LDLは逆に3週目まで上昇し4週目で減少した。現在これらの実験をさらに継続すると共に、シマリスのCETP遺伝子の存否について検討しているところである。
超離散時空間解析と大規模配列解析の融合による遺伝子転写原理の解明

ヒト細胞を用いたRNAPII (RNA polymerase II)実体の運動情報やエピジェネティック修飾情報の数理解析の研究を行った。これまでの我々の研究では、時間分解能7.5分間隔で細胞実験を行っていたが、本研究課題ではより高い時間分解能の転写におけるRNAデータの取得を行った。さらに、転写ダイナミクスを制御しその運動にも影響を与える因子として、各種タンパク質結合情報とエピジェネティック修飾情報も取得した。これらの細胞実験のデータをもとに、データマイニングの技術を応用し、転写の運動・修飾情報を染色体上の数値データとしてパスプリファレンスを含めた数理解析を行うプログラムを開発した。遺伝子の転写におけるRNAポリメラーゼIIの粒子動態モデリングと、その超離散的手法を用いた時空間シミュレーションを行った。本モデリングとシミュレーションでは、RNAポリメラーゼIIの速度変化、停止、バックトラック、相互作用などの詳細なダイナミクスをより精細に再現するため、箱玉系に代表される超離散モデルのTotally Asymmetric Simple Exclusion Process(TASEP)をベースに、複数RNAポリメラーゼIIが相互作用をしながら移動していく蓄積排他モデルを改良した。さらに、3次元的なRNAポリメラーゼIIの移動も含めた独自のCAモデルを構築した。提案者のこれまでの研究では、長い遺伝子については非常に良い再現性を示しており、加えて、速度変化の起きる染色体部位における数学的厳密解も示しているが、今年度は、短い遺伝子についてのRNAポリメラーゼIIの渋滞シミュレーションも行った。例えば、FOS、VCAM、ICAMの各遺伝子について、イントロニックRNAの減衰が起きずに、特定の時間範囲で蓄積され続けることを確認した。さらに、転写運動の障害となりうるタンパク質の時空間情報をChIP-Seqデータから取得して、そこで得られた情報をもとに超離散CAモデルを用いて、コンピュータシミュレーションを行った。また、短い遺伝子に特徴的なRNAポリメラーゼIIの粒子動態の超離散渋滞モデルのシミュレーションによる実験データとの比較解析を行い、ヒステリシス現象のおきる条件などの検証を行った。以上の成果を論文にまとめ、論文誌に成果発表を行った。本研究課題では、遺伝子の転写原理を解明するため転写メカニズムの時空間数理解析に関する研究を行っている。当該年度の研究成果としては、ヒト細胞を用いたRNAPII (RNA polymerase II)実体の運動情報・各種タンパク質結合情報・エピジェネティック修飾情報の大規模データ数理解析の研究を行った。具体的には、タイリングアレイなどを用いた実験において、正常ヒト臍帯静脈内皮細胞HUVECのTNF刺激におけるRNAPII実体の運動情報を取得した。これまでの我々の研究では、時間分解能7.5分間隔で細胞実験を行っていたが、本研究課題ではより高い時間分解能として3分間隔での転写におけるRNAデータの取得を行った。具体的な結合タンパク質としては、CTCF/Cohesin, HNF4A, GATA2などの結合データを取得した。エピジェネティック修飾情報に関しては、H3K4me3, H4K36me3などの修飾情報のデータを取得した。これらの細胞実験のデータをもとに、データマイニングの技術を応用し、転写の運動・修飾情報を染色体上の数値データとして数理解析を行うプログラムを開発した。本技術によって、細胞のRNAPII実体の運動情報・各種タンパク質結合情報・エピジェネティック修飾情報を、染色体上に1塩基レベルの高精度な空間分解能として取得することが可能となった。例えば、エクソン・イントロン領域ごとの断片配列スコアを計算し、転写において重要な役割を果たすスプライシングバリアント情報を自動抽出するなど、大規模データからの高度な時空間数理解析も可能とした。また、FOS, ICAM, VCAM遺伝子などの特に重要と考えられる遺伝子についてはより詳細な転写解析を行った。提案者らはヒトの長い遺伝子について、生成されるエクソニック・イントロニックRNAの発現量の波動態シミュレーションに世界で初めて成功した。ここで、シミュレーションについての[時間×空間]の分解能は、[0.01(min)×1(bp)]レベルの高密度な計算とした。本研究では、これらの結果をさらに応用し、粒子としてのRNAPII実体の運動から、波としてのRNA生成のソリトン系波動態シミュレーションへと研究を進展させた。ソリトン方程式の代表的なものにはKdV方程式、非線型Schrödinger方程式、戸田格子方程式、箱玉CAなどがあり、「津波」もソリトン波の一種である。ここでは、前年度までの研究項目(1)(2)で得られたRNAPII実体の運動データ、各種タンパク質結合でーた、エピジェネティック修飾の時空間座標情報に加えて、RNAPIIの粒子動態シミュレーション結果を用いることで、転写におけるRNA生成モデリングを行い、より精度の高い遺伝子転写の原理解明につなげることが可能となった。また、探索空間での検証の際に、複数RNAPIIの協調運動において、その相互作用間隔{Δ(k,j)}にいくつかの規則が潜んでいることを計算で示した。