hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ヒトエンドセリン受容体の構造解析研究

本研究ではX線結晶構造解析のためにヒトETBRの大量発現・精製および結晶化を行った。昆虫細胞発現系を用いたETBRの大量発現には成功したものの、膜タンパク質であるGPCRは構造が柔軟で親水性領域が乏しく野生型ETBRは結晶化が困難であった。構造を安定化し結晶化を促進するために細胞内第3ループに構造が安定なT4L(T4リゾチーム)を融合した結晶化に適する改変体ETBR-T4Lを作製した。20種類以上の異なる融合位置のETBR-T4Lを発現・精製し、膜タンパク質本来の環境である脂質中で結晶化可能なLCP法によって合計70,000条件結晶化を試した。その結果、ヒト由来ETBRのET-1との複合体およびリガンド非結合状態の構造を、それぞれ分解能2.8および2.5オングストロームで決定することに成功した。結晶構造中でET-1は、ETBRの細胞外領域のbetaシートやN末端領域を含めた、7本の膜貫通領域で構成されている結合ポケット全体と密な相互作用を形成していた。ET-1の活性に重要なC末端は、ETBRの結合ポケットの奥深くに位置しており、ETBRの正電荷を持つ残基と強固に結合していた。リガンド非結合とET-1結合型構造との比較から、TM6-7の結合ポケット内部への大きな構造変化がET-1の結合および受容体活性化に重要であることを明らかにした。28年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では、エンドセリン受容体のリガンド認識機構の解明するために、ヒト由来のエンドセリン受容体B型(ETBR)についての構造学的研究を行っている。ETBRは21アミノ酸残基のエンドセリンによって活性化されるGタンパク質共役型受容体であり、血圧制御など体内の恒常性に関わる様々な生命現象に関与している。エンドセリン受容体は創薬標的として重要であり、ボセンタンが肺動脈性高血圧に関わる治療薬として使用されている。これまでの研究によって、ヒト由来ETBRとエンドセリン-1との複合体のX線結晶構造解析に成功している。しかし、ETBRがエンドセリンの認識の際に、どのような構造変化を起こすのかは不明であった。そこで、今年度はETBRの不活性状態の構造決定に向けてコンストラクトの検討や結晶化を行った。エンドセリン結合型のETBRにおいては、細胞内第3ループにT4リゾチームという安定なタンパク質を挿入し、融合タンパク質として結晶化・構造解析に成功している。同じETBRの結晶化コンストラクトとアンタゴニストとの複合体の結晶化に成功していたものの、分解能が悪く構造解析に必要なデータを収集できなかった。そこで、T4リゾチームの構造的に柔軟な領域を削ったminimal T4リゾチームを挿入したコンストラクトに改変し、結晶化を試みた。その結果、ETBRのリガンド非結合型およびボセンタン結合型のX線結晶構造解析に成功した。本構造から、ボセンタンがどのようにETBRを競合的に阻害するのかが原子レベルで明らかになった。Gタンパク質共役型受容体の構造はこれまでに数多く報告されているものの、リガンド非結合型の構造は世界でわずか1例だけに留まっている。本研究では、エンドセリン受容体のリガンド非結合型を決定することによって、内在性アゴニスト/アンタゴニストの結合に伴う構造変化を初めて捉えた。これは、エンドセリン受容体を標的としたアンタゴニスト設計に役立つものである。これまでの研究によって、ヒト由来のエンドセリン受容体B型の内在性アゴニスト結合型、リガンド非結合型、アンタゴニスト結合型の結晶構造を決定することに成功している。今後は、エンドセリン受容体A型の発現・精製系の検討を行い、A型選択的なアンタゴニストとの複合体のX線結晶構造解析を行う。ヒト由来のエンドセリンA型の哺乳類細胞を用いた発現に成功しており、今後大量発現の条件最適化を行う。
複数センサ情報の統合によるカメラの位置・姿勢推定の安定化に関する研究

本研究の目的は,カメラが高速移動,高速回転する環境下において,画像処理により安定にカメラの位置・姿勢を推定する手法の開発である.上記の環境に対し,本研究では,予め多眼の全方位カメラで取得した全方位動画像から環境の三次元点群モデル生成し,加えてジャイロ等のセンサを併用してロバスト性を高めることが研究の目的であった.これら手法の開発にあたり,高速移動・高速回転する高解像度全方位動画像の正常取得を第1の課題として画像取得システムの構築を行った.平成19年7月に長島スパーランド・スチールドラゴン2000等の複数のアトラクションからの撮影に成功し,取得した全天球動画像は,平成19年8月25日から9月2日にかけて国立科学博物館で開催された『上野の山発旬の情報発信シリーズ第14回「バーチャル⇔リアリティ見て聴いてさわって冒険体験」』において一般公開され,加えて同施設内の全天球ディスプレイ『シアター360』で関係者のみの公開実験を行った.カメラの位置・姿勢推定では,カメラにジャイロセンサを併用することにより,画像に生じるモーションブラーの効果を予測し,モーションブラーが発生する状況においてもカメラの位置・姿勢を推定することが可能であることを確認した.また,三次元モデルの生成では,全方位カメラとGPSの併用により,都市レベルの広い範囲の環境を三次元モデル化することに成功し,16km/hで移動するカメラの画像を処理できることを確認した.本研究の目的は,従来のカメラの位置・姿勢推定における移動および回転の変化量の制限の問題を解決することである.目的達成のために,本年度は,以下の事項(1)(3)を実施する予定であった.以下,各事項の実績について報告する.(1)ジェットコースターからの画像およびセンサ情報の取得本年度は,遊園地側の許可が得られず,撮影を実施することはできなかった.代わりに来年度の5月中旬に撮影する予定であり,これに備えて撮影機材の整備を行った.具体的には,本研究の研究費により購入した耐衝撃性ストレージと高性能ノート型PCを組み合わせ,従来よりも高レートで画像取得可能な撮影システムを構築した.また,これらの効果的な使用法を確立した.(2)GPSと多眼全方位カメラを用いた3次元環境モデルの構築高速に移動するカメラにより精細な3次元環境モデルを構築するために,動画像とGPSの測位データを用いる手法の改良を行った.実際に,市街地を自動車で走行し,同一経路を複数回撮影して得られる動画像から3次元環境モデルの構築を行った.(3)3次元環境モデルとの画像照合によるカメラの位置・姿勢推定の安定化3次元環境モデルとの画像照合にジャイロセンサからの角速度情報を利用し,高速な回転に対してカメラ位置・姿勢の推定を安定化する手法を開発した.具体的には,角速度情報を用いることによりカメラが高速に回転する場合に生じる,(i)3次元環境モデル内の照合に必要な部分の特定に失敗する問題,(ii)入力画像に生じるモーションブラーにより画像照合が失敗する問題の2点を解決した.問題(i)に対しては,角速度情報を用いて現在のカメラの姿勢を予測し,3次元環境モデル内の照合に必要な部分を最小限に限定し,入力画像とモデルとの誤対応を防いだ.問題(ii)に対しては,角速度情報を使用して,3次元環境モデル内の画像テンプレートに入力画像と同等のモーションブラーを再現することにより,テンプレートマッチングにおける類似度の低下を防いだ.本研究の目的は,カメラが高速移動,高速回転する環境下において,画像処理により安定にカメラの位置・姿勢を推定する手法の開発である.上記の環境に対し,本研究では,予め多眼の全方位カメラで取得した全方位動画像から環境の三次元点群モデル生成し,加えてジャイロ等のセンサを併用してロバスト性を高めることが研究の目的であった.これら手法の開発にあたり,高速移動・高速回転する高解像度全方位動画像の正常取得を第1の課題として画像取得システムの構築を行った.平成19年7月に長島スパーランド・スチールドラゴン2000等の複数のアトラクションからの撮影に成功し,取得した全天球動画像は,平成19年8月25日から9月2日にかけて国立科学博物館で開催された『上野の山発旬の情報発信シリーズ第14回「バーチャル⇔リアリティ見て聴いてさわって冒険体験」』において一般公開され,加えて同施設内の全天球ディスプレイ『シアター360』で関係者のみの公開実験を行った.カメラの位置・姿勢推定では,カメラにジャイロセンサを併用することにより,画像に生じるモーションブラーの効果を予測し,モーションブラーが発生する状況においてもカメラの位置・姿勢を推定することが可能であることを確認した.また,三次元モデルの生成では,全方位カメラとGPSの併用により,都市レベルの広い範囲の環境を三次元モデル化することに成功し,16km/hで移動するカメラの画像を処理できることを確認した.
BRCA1を介した高次クロマチン構造に特異的なDNA損傷修復の解析

BRCA1-A複合体と拮抗してDNA二本鎖切断の相同組換え修復(HDR)を遂行するBRCA1がBARD1/HP1結合(BRCA1-H複合体)を介して、ヘテロクロマチンDSB局所に集積する。BRCA1-H複合体の形成にはATM依存的で、ヒストンH3Lys9のジメチル化(H3K9me2)も必要。ヒストンメチル基転移酵素阻害剤(HKMTi)によるH3K9me2の阻害は、BRCA1のDSB局所への集積を阻害し、癌細胞のPARP阻害剤に対する感受性を亢進させる。BRCA1-B複合体およびBRCA1-C複合体の形成にもBRCA1-H複合体の形成に依存し、ヘテロクロマチン領域のDNA修復に司る。家族性乳癌および卵巣癌の原因遺伝子産物であるBRCA1はDNA二本鎖切断(DSB)に対する相同組換え修復に必須な役割を果たしている。申請者らはBRCA1のDSB局所への集積にヘテロクロマチン蛋白質(HP1)が必須の役割を果たしていることを見出して、RAP80とユビキチン鎖の結合に加え、BRCA1-BARD1がDNA損傷後後期に集積するために必須なBARD1とHP1γを介した新規メカニズムを発見した。BRCA1のヘテロクロマチンDNA損傷部位への集積に重要な役割を果たしているBARD1を中心に、クロマチンの高次構造に特異的なBRCA1を介した相同組換え修復メカニズムを解析を行っている。平成26年度においては、shRNAにて内因性野生型BARD1の発現を抑制すると同時にHP1γと結合しないBARD1変異体を発現させたadd-back実験系を構築し、その安定発現HeLa及びU2OS細胞株を樹立した。樹立した細胞がdoxycyclin添加により野生型と変異体の発現が入れ替わることをウェスタンブロットにて確認した上、BARD1変異細胞を用いてIR照射ないしレーザーマイクロ照射を行い、DSB後早期にBACH1およびCtIPがDSB局所に集積することを蛍光免疫染色にて、BRCA1とBACH1およびCtIPが結合していることを免疫沈降ーウェスタンブロットにて解析した。一方、DSB後期のBRCA1とBARD1が損傷局所に集積できないことを再確認するとともに、ABRA1-RAP80の集積が阻害されるか否かを確認した。以上にてHP1γとBARD1の結合がATM依存的、BRCA1-B, -C複合体の損傷局所へのリクルートには必須で、BRCA1-A複合体のDSB局所への集積に必要ないことが明確的に示した。BRCA1のDSB相同組換え修復機構に新しい知見を得ることができた。本年度、ヘテロクロマチン蛋白質HP1γを介して結合したBRCA1-BARD1がBRCA1-A,-B及び-C複合体のDNA損傷部位への集積との関与について検討した。BRCA1-A複合体は従来から知られているRNF8/RNF168による連続的なユビキチン化DNA損傷応答によってリクルートされるが、BRCA1-B及び-C複合体はRNF8/RNF168ユビキチン化DNA損傷応答径路に依存せず、HP1γを介したBARD1とヘテロクロマチン領域のヒストンの結合に依存し、ヘテロクロマチン領域の二重鎖切断(DSB)の相同組換え修復に特化した役割を果たしていることを明らかにした。siRNAを用いてレーザーマイクロ照射誘発したDSB局所に起こるユビキチン化DNA損傷応答を阻断して、ABRA1-RAP80の集積を阻害した際、BRCA1-B及び-C複合体はDSB局所にリクルートされ、相同組換え修復に必要なRad51の集積も認められた。BRCA1-B及び-C複合体のDSB局所集積はユビキチン化DNA損傷応答経路に依存しないことを明らかにした。一方で、HP1γと結合しないBARD1変異細胞を用いた実験では、BACH1およびCtIPがDSB局所に集積できず、Rad51の集積も阻断されたのに対して、BRCA1-A複合体の集積は阻害されなかった。HP1ノックダウン実験でも同様な結果が得られた。HP1γとBARD1の結合はBRCA1-B及び-C複合体のヘテロクロマチン領域のDSB局所へのリクルートに必須で、その領域の相同組組換え修復に特化した役割を果たしていることが明らかにした。免疫沈降解析では、BACH1及びCtIPとHP1γの結合はDNA損傷によって誘導された。BRCA1-B及び-C複合体のヘテロクロマチン領域のDSB局所へのリクルートはHP1γとBARD1の結合を介した分子的メカニズムを示唆した。本年度は計画に沿って研究を実施し、論文一本をまとめ、現在投稿中。概ねに順調に進んでいると評価したい。本年度では、HP1γを介したBARD1とヘテロクロマチン領域のヒストンの結合は従来から知られているRNF8/RNF168による連続的なユビキチン化DNA損傷応答とは全く異なったDNA損傷応答経路であることを明らかにした。DNA損傷応答に新しい知見を提示し、今後の研究展開に確実な土台を築き上げることができた。本研究では、BRCA1のDSB局所への集積にヘテロクロマチンタンパク質(HP1)が必須であることを明らかにした。BRCA1はヘテロクロマチンDNA損傷部位へ集積するのに、従来からよく知られているRNF8/RNF168ユビキチン化DNA損傷応答経路に介さず、BARD1がその中心的な役割を果たしている。

ATM依存的にBARD1がHP1γと結合し、ヘテロクロマチンの領域に位置するK9メチル化修飾を受けたヒストンH3へローディングすることにより、BRCA1-B複合体とBRCA1-C複合体がヘテロクロマチン領域にリクルートされ、その領域における相同組換修復に担う。これらの知見は本研究によって解明され、論文を二本にまとめ、公表された。最終年度において、研究計画に沿って、新たなBARD1との相互作用結合タンパク質の同定について検討した。ブルーム症候群の原因遺伝子であるBLMがBRCA1/BARD1の新しい結合分子として候補に上がってきたため、この新しい複合体の分子機能解析を行った。BLMはDNAのヘリカーゼで、一本鎖DNAと高い結合能を有するRPA蛋白や、BLAP75/Top3aと複合体を形成し、Double Holliday Junction(DHJ)を効率よく解消する機能を持つとされている。本研究で得られた結果から、BLMは細胞周期の合成期に特異的BARD1/BRCA1と結合する。BLMとRPA蛋白の結合はBRCA1の結合蛋白質でもあるHERC2のアセンブリー機能によって調節され、DNA複製ストレス応答時DHJの解消に機能する。今まで、BRCA1機能不全時DNA複製ストレスへの応答機能も低下しており、その分子機構について不明な点が多く存在する。今までの理論でうまく説明できていなかったところもこの新しい発見によって解明される可能性もあるなど、多くな成果も今後に期待される。BRCA1-A複合体と拮抗してDNA二本鎖切断の相同組換え修復(HDR)を遂行するBRCA1がBARD1/HP1結合(BRCA1-H複合体)を介して、ヘテロクロマチンDSB局所に集積する。BRCA1-H複合体の形成にはATM依存的で、ヒストンH3Lys9のジメチル化(H3K9me2)も必要。ヒストンメチル基転移酵素阻害剤(HKMTi)によるH3K9me2の阻害は、BRCA1のDSB局所への集積を阻害し、癌細胞のPARP阻害剤に対する感受性を亢進させる。BRCA1-B複合体およびBRCA1-C複合体の形成にもBRCA1-H複合体の形成に依存し、ヘテロクロマチン領域のDNA修復に司る。本年度は計画に沿って研究が実施され、必要なデータも得られて、研究はおおむね順調に進展している。add-back実験系は本研究を展開していくには最も重要な解析ツールで、add-back実験系の確立に成功したことによって、多くのデータを得ることができ、今後研究する上で重要な土台が築かれたと考えられる。BRCA1複合体およびDNA修復蛋白質の損傷局所への集積の解析はBARD1変異細胞を用いた実験から多くのデータが得られた。よりスムーズに研究を遂行し、より優れた成果を創出するため、本来来年度に予定していたBRCA1-A、BRCA1-B及び-C複合体の損傷局所へのリクルート解析も前倒して行うことができて、研究は順調に進展していると思う。BRCA1-BARD1によるゲノム上制御領域の解析については、ChIPアッセイの条件検討を行い、今後の実験展開に条件が整えた。in vitro再構築系実験に関しては、ヌクレアソームの精製は完了し、バキュロウィルスによるBRCA1-BARD1複合体の精製を完成した。in vitroユビキチン化反応のために条件検討も行った。
ヒストンメチル化酵素SETDB1の酵素機能を制御する分子機構の解析

ヒストンH3K9を特異的にメチル化するSETDB1について、その酵素機能を制御する分子機構を解析した。(1)SETDB1のモノユビキチン化修飾がH3K9me3活性を介して、遺伝子発現を制御していることを明らかにした。また、その制御機構に関わる因子として、クロマチン制御因子であるTRIM28を同定した。(2)核内のSETDB1がプロテアソーム阻害剤と核外排出阻害剤によって増加し、それに関わる候補因子を見出した。(3)SETDB1-MCAF1のX線結晶構造解析を行うため、蛋白質の精製および結晶化を試みた。本研究で明らかとなった知見は、SETDB1を標的とした新たながんの治療薬の開発につながる。構造研究について、はじめにSETDB1のメチル化活性を有する領域(N末端から570-1291アミノ酸領域部分)の哺乳類細胞における発現、精製を試みた。哺乳類細胞由来の細胞を用いた発現効率向上システムにより大量発現を試みたが、十分な発現を得る事ができなかった。次にSETDB1とMCAF1の複合体解析については、GSTとHisタグを持つSETDB1部分領域(約200アミノ酸)とMCAF1部分領域(約200アミノ酸)を大腸菌内で共発現できるプラスミドを作製し大腸菌内での発現を行い、その後各種カラムを用いて大量精製を試みた。その結果、今回用いたMCAF1部分領域では、一分子のSETDB1に対して多量のMCAF1が結合していることが分かり、それが原因でSETDB1に付加したタグ切断が困難であることがわかった。次年度は、MCAF1の部分領域をより長くし2分子の相互作用を安定させる領域の決定を行う。SETDB1の機能解析については、SETDB1の翻訳後修飾を制御する因子の探索を行った。SETDB1の翻訳後修飾制御に必要な領域を探索するため、各種欠失変異体を作製して修飾の有無の解析を行ったところ、修飾に必要な約20アミノ酸領域を決めることができた。その領域について、モチーフ検索を行った結果、SETDB1の翻訳後修飾を制御する有力な候補として低分子量Gタンパク質を見出すことができた。また文献情報に基づきクロマチン制御因子も見出すことができた。一方、SETDB1の細胞内局在についても調べたが、その結果、SETDB1はヒストン修飾酵素であるにも関わらず、通常は細胞質に存在している事実が判明した。すなわち、SETDB1は細胞質に存在し、必要な場合に核内に移動後、ヒストン修飾酵素として機能することが推測された。(Biochem Biophys Res Commun., 465, 725-31, 2015で報告)構造研究については、SETDB1は機能が明らかになってから15年以上経っているが、未だ構造の解明はなされておらず、非常に難解な研究課題であり、初年度はこれまで誰も成功し得なかった難題の問題点をいくつか洗い出す事ができた。機能解析については、SETDB1のトリメチル化活性におけるMCAFの役割について計画に上げていたが、再現を示す報告がなされていないことが判明したため、計画を留め置き、それに代わる細胞内局在を調べる計画に切り替えて研究を進めた結果、計画以上の成果が得られ論文に発表する事ができた。構造研究について、これまで一分子のSETDB1に対して多量のMCAF1が結合していることが分かり、それが原因でSETDB1に付加したタグ切断が困難であることがわかったため、今年度は、MCAF1の部分領域をより長くしSETDB1とMCAF1の相互作用を安定させる領域を決定するとともに、GST-His-SETDB1からHis-SETDB1に変更することによって、タグ切断を必要としない新たな精製系の確立を試みた。MCAF1のDomain1領域について、7種類の長さを有する欠失変異体を作製し、SETDB1との相互作用を調べた。その結果、N末端側から567番目から793番目のアミノ酸領域を含む部分まで長くすると、1対1で相互作用できることが示唆された。そこで、このタンパク質を大腸菌内で発現させた後、アフィニティ、イオン交換、ゲルろ過とそれぞれのカラムクロマトグラフィーにより精製を試み、ほぼ混在物を除去した複合体を得ることができた。SETDB1の機能解析については、SETDB1の翻訳後修飾について研究を行った。昨年度までにSETDB1の翻訳後修飾に必要な約20アミノ酸領域を手がかりに、2つのタンパク質を予想できた。今年度はこれらのタンパク質のcDNAをクローニングし細胞内で発現させた後、SETDB1との相互作用を調べた結果、低分子量Gタンパク質は結合せず、クロマチン制御因子のみが結合できることがわかった。一方、SETDB1のユビキチン化については、N末端側から867番目のリジン残基がユビキチン化されており、このユビキチン化はN末端側から594番目から665番目までのMBDドメインを除くと修飾されなくなること、さらにこのユビキチン化がSETDB1のメチル化活性に重要であることを明らかにした。(PLoS One, 11(10), e0165766, 2016で報告)構造研究については、SETDB1は機能が明らかになってから15年以上経っているが、未だ構造の解明はなされておらず、非常に難解な研究課題である。今年度はMCAF1のDomain

1領域について、7種類の長さを有する欠失変異体を作製し、N末端側から567番目から793番目のアミノ酸領域を含む部分を用いたところ凝集が抑えられ、SETDB1と1対1で相互作用できる結果が得られた。このMCAF1領域とSETDB1のN末端から195番目の領域を同時に大腸菌で発現させ、これら複合体を3種類のカラムクロマトグラフィーを用いることより分離し、ある程度安定に複合体タンパク質を精製することができた。機能解析については、SETDB1の翻訳後修飾に関与するタンパク質として、昨年度予想した2つのタンパク質のうち1つがSETDB1にが結合することを確かめた。また、SETDB1のMBDドメインをN末端側から除去すると、ユビキチン化修飾が見られなくなり、メチル化活性も消失することを発見した。そこでユビキチン化される部位の探求をおこなったところ、除去したMBD領域ではなく、さらにC末端側のSET領域に存在するリジンであることを、全長SETDB1分子を用いた点変異実験から突き止めた。これらの成果は、SETDB1のトリメチル化活性に重要な役割を果たしているリジン残基のユビキチン化を明らかにしたことになり、計画以上の成果が得られ論文に発表する事ができた。SETDB1とMCAF1の複合体解析については、各タンパク質が非常に不安定であったが、これまでに築いてきた精製方法によって複合体を精製し、結晶化を試みたが現時点では結晶が得られなかった。引き続き、他の結晶化条件を探索し結晶化を目指すと共に、不安定なSETDB1-MCAF1複合体をより安定化させるため、抗体や他の結合因子などと複合体を形成させて結晶構造解析を進める必要があると思われる。SETDB1の飜訳後修飾を制御する因子の機能解析については、クロマチン制御因子TRIM28がSETDB1のモノユビキチン化修飾に与える影響を調べた。TRIM28の強制発現ではSETDB1のモノユビキチン化修飾の変化を確認することは出来なかった。内在性TRIM28は細胞内でも多量に発現する因子であるため、TRIM28を強制発現しなくてもSETDB1をモノユビキチン化修飾するための十分量のTRIM28が発現していたのではないかと考えられる。実際にsiRNAを使ってTRIM28の発現抑制を行った検討では、SETDB1のモノユビキチン化修飾が減少傾向にあることから、TRIM28がE3リガーゼとして関与する可能性が示唆された。今後はTRIM28によって、SETDB1がもつ機能をどのように制御するか評価する。SETDB1の核内安定化機構の解析については、SETDB1と結合する新たなユビキチンE3リガーゼXを見出した。リガーゼXは核内で局在する報告があり、SETDB1の核内でのタンパク質分解に関与している可能性がある。SETDB1とリガーゼXの結合様式を検討したところ、リガーゼXはモノユビキチン化を受けないSETDB1とだけ結合すること、またSETDB1のC末端領域(モノユビキチン化を受けるインサーション領域を含む)に結合することが明らかとなった。これらのことから、SETDB1がモノユビキチン化されるとインサーション領域が安定な構造をとり、リガーゼXが結合できなくなることが予想された。今後はリガーゼXが核内SETDB
治療過程管理を導入した小児横紋筋肉腫にたいする臨床試験と遺伝子解析研究

臨床試験開始後にVODの発生がみられたが、ACDの投与法改定以後VODは発生していない。症例集積状況の遅滞により、低リスク群の試験延長ならびに中間リスク群試験の中間解析時点での終了が決定された。高リスク群試験では中間解析により有効性と安全性の評価が行われ、試験が終了している。中央病理診断と施設病理診断との診断不一致率は18%に上り、今後の小児がんの診断体制の整備が必要であると思われた。胞巣型腫瘍におけるキメラ遺伝子の検出率は82.5%であり、IRSの成績よりも高かった。小児横紋筋肉腫に対する臨床試験の実施1.中央病理診断平成16年度より開始した臨床試験では中央病理診断を実施し、同時にPAX3, PAX7-FKHRキメラ遺伝子の検出を実施している。現在までに53例の一次登録を得たが、施設病理診断との相違例は21%にのぼり、わが国における小児固形腫瘍の診断体制の実情が明らかにされた。胞巣型腫瘍におけるキメラ遺伝子の検出頻度はこれまでのIRSの報告に比して高く、新鮮凍結組織の提供によるものと考えられた。2.臨床試験1)VODの発生と対応中間リスク群および低リスク群ではVACを基本とする化学療法を採用しているが、当初の13例の登録について5例のVODが発生した。これらの有害事象はプロトコールにもとづく急送有害事象としては報告されていなかったため、データセンターにCRFが送付された時点で気づかれることとなった。研究事務局として主任研究者はデータセンター会議を平成17年7月7日に緊急招集し、低リスク群および中間リスク群の症例登録を一時停止した。7月29日に臨時運営委員会を開催しVODへの対応を検討し、ACDの投与法を連日5回投与としたことにより総量の増加を招いたことが原因と考えられたため、0.045mg/kg/一日投与法に変更し効果安全性評価委員会の承認を得た。プロトコールの改訂を実施、以後VODの発生を見ていない。2)放射線治療のQA照射野に関する即時性のある治療過程管理を行うことが現状では困難である。放射線治療に関するCRFによりいくつかの症例で問題点が指摘された。今後放射線治療委員会でコンサルテーションを行うこととした。3)モニタリングレポート低リスク、中間リスクおよび高リスク群のデータセンターが統一のフォーマットにもとづいたモニタリングレポーを行った。いずれの試験も中間解析にいたるまでの症例が蓄積されていないが、現在までVODの発生を除き急送有害事象に相当するものは見られない。薬剤投与量についてプロトコール逸脱の有無を検討するために規定の±5%以上の逸脱を抽出し、さらに10%を越えるものについては症例の報告者に直接連絡を行って確認することとした。平成19年3月までに一次登録された小児横紋筋肉腫は96例であり、このうち63例が臨床試験に登録された。中央病理診断と施設病理診断の一致率は50/71(70%)であった。胞巣型腫瘍の遺伝子解析ではPAX3-FKHRが12/16、PAX7-FKHRが3/16検出されており、キメラ遺伝子の検出頻度は従来の報告に比べてきわめて高い頻度であった。中間リスク群に最終的にリスク分類された症例は24例であるが、このうち4例は他リスクからの変更例であり、初期治療が他のプロトコールで開始されていたために、中間リスクの臨床試験には登録されずに参考症例として取り扱われている。18年度は中間リスク群ではVODを含む重篤な有害事象の発生は報告されず、17年度に行われたプロトコール改訂が有効であると評価された。中間リスク群は2.2g/m^2のCPAを基準とするiVAC療法で治療されるが、目標症例数68例(症例集積目標期間3年)に対して現在までに20例の登録にとどまっており、現時点で治療を完了している症例は9例であるため中間解析を行う症例数に達していない。JRSGでは他のリスク群の登録状況も検討し今後の試験のあり方につきデータセンタ、主任研究者会議を行った結果、効果・安全性評価委員会の審査を依頼した。中間リスクについてはその症例数の設定と、登録数の増加を促す方策について再考を求められ、主任研究者により対応を検討中である。高リスク群に対する臨床試験では昨年末時点で17例の登録に留まったため、モニタリングレポートに基づき効果安全性評価委員会に審査を依頼し、症例リクルートなどについてJRSGとして見直し、試験期間についても再考することが求められた。それを受けて高リスク委員会では過去のJRSG登録例の見直し作業を行っている。低リスク群についても予定登録数を下回っているが、登録機関の延長を含め検討中である。

今年度は日本横紋筋肉腫研究グループ(JRSG)による臨床試験を開始して4年目に相当し、3月末日までの一次登録数は117例、このうち臨床試験に登録された症例は84例であった。各リスクグループについてすべての試験で当初予定された登録症例には達せず、このため中間解析に至っていない。この点について効果・安全性評価委員会の審査を受け、登録手順の改善を含む登録症例数の増加対策について指示を受けた。これに基づいて各主任研究者より対応策が提出され、高リスク群では間もなく中間解析に達する見込みのため、その結果により試験継続を検討すること、中間リスク群では中間解析の時点で症例登録を終了すること、また低リスク群では試験期間の延長が決定された。二次登録に至らない症例が多い理由としては、登録前治療がすでに行われていること、検査成績が基準値外であること、また中央病理診断によりリスク分類が変更されたことなどが主たる理由となっているが、施設倫理委員会の承認を受けていないものもみられた。中央病理診断はPAX3,7-FKHRキメラ遺伝子の検索結果を含めておこなわれているが、胞巣型腫瘍におけるこれらキメラ遺伝子の検出率は極めて高い。施設病理診断と中央病理診断の乖離は15%程度にのぼり、小児固形腫瘍の専門病理医が不足している現状が明らかになっている。今年度はすべての試験においてVODの発生はなく、また重篤な有害事象も報告されていない。治療に関するコンサルテーションも行われているが、とくに外科治療の在り方に対してはガイドライン設定後、一定の基準により対応が行われている。本研究の付随研究として19年度は新たに蛍光二次元電気泳動法(2D-DIGE)による網羅的タンパク質発現解析(プロテオーム解析)を用いて、横紋筋肉腫のタンパク質発現の特徴を明らかにするために、横紋筋肉腫臨床サンプルの提供についてJRSG研究審査委員会に附随研究の申請が行なわれ承諾が得られた。試験開始後現在まで低リスク群A12例、低リスク群B14例、中間リスク群43例、高リスク群36例が登録された。中間リスク試験は中間解析に必要な症例数に達しているため、2008年11月で登録を終了し、高リスク群試験は予定通り試験を終了した。これまで安全性、有効性の検討から試験中止に至る事象は認められていない。試験参加に必要な施設倫理委員会への申請、承認状況は中間リスク群試験については88/167,高リスク群試験については56/72施設の承認であった。高リスク群は平成19年末時点で登録数が27例と症例集積が遅れているため、効果安全性評価委員会に諮問し、試験期間の延長を決定した。集積の遅れのおもな原因は治療に緊急性を要し病理診断の確定を待てなかったり、骨髄転移のため適格規準を満たせなかったりと、当初予想した以上に重篤な症例が多いことであった。今後は希少疾患に対する臨床試験の適格規準の決定には工夫を要する。大量化学療法に用いるチオテパとメルファランの薬理動態の検討を行った。その結果、主たる有害事象である粘膜障害の程度とチオテパのAUC,Cmaxに正の相関がみられ、粘膜障害はおもにチオテパによるものと考えられた。中央病理診断はこれまで141検体について行われ、20例が非横紋筋肉腫であることが明らかとなった。施設病理診断と中央病理診断の不一致は25/141(18%)に認められた。中央病理診断により胎児型と診断された組織ではキメラ遺伝子の検出は認められなかった。
環境問題における費用分担法と提携形成についてのゲーム論的研究

研究成果の第一は環境問題への応用に関しての成果で、コア指標を用いることによってShapley-Shubikの環境汚染モデルにおけるコアの存在問題の本質部分を明らかにした。このことによって、この環境汚染モデルをより現実的なものに修正する点に関しての糸口が得られた。研究成果の第二は提携形成についての成果で、最大コア指標最小化法を特徴づけ問題に関して、コア指標の性質が明らかになった。研究成果の第三はコア指標を求めるプログラムにおける最小平衡集合族を求めるプログラムの効率化に成功した点である。本年度における主要な研究成果は、次の3つである。1.環境問題への応用協力ゲームを用いて環境問題をモデルの分析をおこなった。Shapley-Shubikの環境汚染モデルに対して、コア指標を計算し、この環境汚染モデルにおけるコアの存在問題の本質部分を明らかにすることができた。これは、かなり意義ある成果で、協力ゲームの理論を環境問題に適用可能にするように理論を整備するという、本研究計画の第1の研究目的の達成において、今後このアプローチが強力な手法となることが期待される。2.「最適構造決定法」の定式化最適な提携構造決定の問題、すなわち、全体にとって望ましい提携構造の決定する問題を調べ、提携構造決定問題の定式化に基づき提携構造決定法の性質の検討をおこなった。特に、最大コア指標最小化法を特徴づけ問題に関して、コア指標の性質を調べ、コア指標のみたすべきいくつかの性質が明らかになった。3.コア指標の特徴付けコア指標がみたすいくつかの性質が明らかになったが、この性質を用いることによって、コア指標の特徴付けが達成する見込みが得られた。現時点では、この特徴付けは完成していないが、これが達成すればこの分野における重要な革新となるので、本年度はこの達成を日指したい。1.コア指標の特徴付け協力ゲームの解を特徴付ける際に用いられている縮小型ゲームを用いて、コア指標が縮小型ゲームに関する整合性をみたすことが明らかになった。また、この縮小型ゲームに関する整合性を含むいくつかの性質によって、コア指標が特徴付けられることが示された。(末松・大平「コア指標と縮小型ゲーム」『経営と情報』24巻2号所収)。しかし、この縮小型ゲームに関する整合性の定義が協力ゲームの解を用いていることが問題点で、今後はこの成果を踏まえ、協力ゲームの解を用いないで整合性を定義して、この新たな整合性を用いてコア指標を特徴付けることが期待される。2.環境問題への応用前年度において、Shapley-Shubikの環境汚染モデルに対してコア指標を計算し、この環境汚染モデルにおけるコアの存在問題の本質部分を明らかにしたが、本年度はこのShapley-Shubikの環境汚染モデルを現実の環境問題により適応するように修正することを試みた。しかし現在のところShapley-Shubikの環壕汚染モデルの修正は不十分で、今後はこの修正に成功したのち、修正したShapley-Shubikの環境汚染モデルに対してコア指標を計算し、コアとの関係を明らかにすることが期待される。3.コア指標を求めるプログラムの完成これまでに完成している最小平衡集合族を求めるプログラムをもとに、今年度においては、より効率的に最小平衡集合族を求めるプログラムの完成を目指し、いくつかの改良に成功した。研究代表者の病気のため、研究計画の達成が大幅に遅れた。研究代表者の病気によって、本年度における主要な研究成果は、次の点に止まった。1.コア指標を求めるプログラムの完成:これまでに完成している最小平衡集合族を求めるプログラムをもとに前年度に引き続き、より効率的に最小平衡集合族を求めるプログラムを改良した。これによって、実際の費用分担問題において各提携の費用を計算することが可能になって、最大コア指標最小法のプログラム作成に大きく近づいた。現在最も説得的な最提携形成決定ルールである最大コア指標最小法を遂行するために不可欠な、最小平衡集合族を求めるプログラムがほぼ完成したことは、実証分析の遂行において、とても意義深いものである。2.提携形成の研究:研究代表者の病気によって進行が大きく遅れる結果になった。(1)決定ルールの特徴付け:縮小型ゲームに関する性質を用いてコア指標の特徴付けの完成を計画していたが、一意性の証明に難航し、未完成に終わった。(2)第3の決定ルールの模索:現実の問題に適用する場合に提携形成決定ルールとして提携値総和最大法及び最大コア指標最小法が考案されているが、これら2つ以外のルールについていくつかのルールの性質を調べて比較検討を行なった。しかし、従来の2つのルールより優れたルールを見出すことはできなかった。3.環境問題への応用:これまでShapley-Shubikの環境汚染モデルに対してコア指標を計算によって、この環境汚染モデルにおけるコア存在の本質部分を明らかにし、さらにこの環境汚染モデルの修正を試みたが、この修正は不十分であるため本年度においてさらに修正したShapley-Shubikの環境汚染モデルの構築を試みた。この修正モデルに対してコア指標を計算することによって、コアとの関係が幾分明らかになったことは意義あるものと考えられる。

研究計画に無理な点がなかったためと思われる。24年度が最終年度であるため、記入しない。これまでに得られた研究成果を踏まえて、この研究成果の拡充および発展を目指す。
風洞実験に基づいた車輪型ドローンのモデリングと適応最適制御系設計と飛行実験実証

本申請者は、車輪型の保護フレームを付けた車輪型ドローンを2013年に発明し、これまで、壁面や天井などの構造物に接触しながら飛行し、狭い場所でも安定かつ正確に移動できる車輪型ドローンを開発してきた。本研究の目的は、構造物に接触しながら目標値に高精度で追従飛行できる車輪型ドローンの自動制御システムの開発である。2018年度は、研究1年目であるため、研究課題16の中で、当初の予定通り、研究課題1の「小型・軽量・墜落しても壊れにくい車輪型ドローンの試作機製作」と、研究課題2の「風洞実験による風外乱下での車輪型ドローンの推力特性の解析とモデリング」を実施した。具体的な成果として、研究課題1では、当初の数値目標であった、全長30cm、重力2kg以下、姿勢角センサなどを搭載し、フィードバック制御により自動制御可能な、小型軽量な車輪型ドローンを試作した。また、墜落しても飛行体を保護する、軽量で安全性の高い車輪(保護フレームも兼ねる)も試作した。屋外で手動による飛行実験を行い、空中飛行だけでなく、壁面や天井に接触しながら、安全かつ自在に飛行できることを実証した。研究課題2では、本学の風洞実験室を利用して、様々な風速の下で、車輪型ドローンの推力実験や機体周りの流れの解析実験を実施した。実験方法として、風洞に壁面や天井を想定したセットを作り、下降流や横風の下での空力実験データを収集し、力学的な運動量保存則などに基づいて導出した数学モデルと比較しながら、モデリングの精度向上と数式モデルの構築を行った。計画通り順調に進んでいる。2018年度の研究計画は、研究課題16の中で、研究課題1の「小型・軽量・墜落しても壊れにくい車輪型ドローンの試作機製作」と、研究課題2の「風洞実験による風外乱下での車輪型ドローンの推力特性の解析とモデリング」を行うことである。上記の研究実績に記載の通り、2018年度は、まず研究課題1として、当初の数値目標である、全長30cm、重力2kg以下、姿勢角センサなどを搭載し、フィードバック制御により自動制御可能な、小型軽量な車輪型ドローンを試作した。以上のように、当初の計画通り、順調に進んでいる。2019年度の研究計画は、2018年度の研究課題2の成果を応用して、研究課題16の中で、研究課題3の「空中で安定・安全かつ高精度に飛行できる自動制御系の開発と実験」と、研究課題4の「地上をで安定・安全かつ高精度に走行できる自動制御系の開発と実験」、および研究課題5の一部である、「壁に接触し、安定かつ高精度に飛行できる自動制御系の開発と実験」を行うことである。そのために、本申請者が提案した「厳密な線形化手法」を応用して、非線形な車輪型ドローンに対するモデルベースの目標値追従制御系を設計する。実験実証では、2018年度の研究課題1の成果である「小型の車輪型ドローン」を利用して実施する予定である。2018年度の研究計画は、研究課題16の中で、研究課題1の「小型・軽量・墜落しても壊れにくい車輪型ドローンの試作機製作」と、研究課題

2の「風洞実験による風外乱下での車輪型ドローンの推力特性の解析とモデリング」を行うことである。上記の研究実績に記載の通り、2018年度は、まず研究課題1として、当初の数値目標である、全長30cm、重力2kg以下、姿勢角センサなどを搭載し、フィードバック制御により自動制御可能な、小型軽量な車輪型ドローンを試作した。また、墜落しても飛行体を保護する、軽量で安全性の高い車輪(保護フレームも兼ねる)も試作した。屋外で手動による飛行実験を行い、空中飛行だけでなく、壁面や天井に接触しながら、安全かつ自在に飛行できることを実証した。研究課題2では、本学の風洞実験室を利用して、様々な風速の下で、車輪型ドローンの推力実験や機体周りの流れの解析実験を実施した。実験方法として、風洞に壁面や天井を想定したセットを作り、下降流や横風の下での空力実験データを収集し、力学的な運動量保存則などに基づいて導出した数学モデルと比較しながら、モデリングの精度向上と数式モデルの構築を行った。以上のように、当初の計画通り、順調に進んでいる。2019年度の研究計画は、2018年度の研究課題2の成果を応用して、研究課題16の中で、研究課題3の「空中で安定・安全かつ高精度に飛行できる自動制御系の開発と実験」と、研究課題4の「地上をで安定・安全かつ高精度に走行できる自動制御系の開発と実験」、および研究課題5の一部である、「壁に接触し、安定かつ高精度に飛行できる自動制御系の開発と実験」を行うことである。そのために、本申請者が提案した「厳密な線形化手法」を応用して、非線形な車輪型ドローンに対するモデルベースの目標値追従制御系を設計する。実験実証では、2018年度の研究課題1の成果である「小型の車輪型ドローン」を利用して実施する予定である。機体製作のための材料費が当初予算に比べて安く(48,815円)購入できたため。
超高速光電子回折法による分子光化学反応の基礎研究

800nmの近紫外短パルスレーザーで非断熱的にCO2分子の回転波束を誘起し、回転波束がfsecの時間オーダーで変化する様子をSACLAのEUV-FELパルスによるCO2分子の解離オンの角度分布測定によりモニターし、同時に配列したCO2分子からの価電子帯からの光電子の角度分布測定(時間分解光電子分光)おこなった。本実験では、配列度が低い(0.65)分子アンサンブルしか生成できなかったために、光電子の角度分布には明瞭な時間依存性(配列度依存性)を見出すことは出来なかった。得られた光電子の角度分布の実験結果を再現するために、配列度を考慮に入れた分子アンサンブルからの光電子の角度分布を記述する公式を導出し、シュミレーション計算をおこなった。その結果、配列度が0.85以上でなければ、光電子の角度分布に明瞭な干渉効果が露わになった配列度依存性が現れないことを明らかにした。本研究で目的とする、超高速X線光電子回折実験を実現するためには、軟X線領域の自由電子レーザーが不可欠となるので、軟X線自由電子レーザーをユーザーに供給している韓国のPAL-XFEL施設を視察した。その結果、我々の光電子回折計をPAL-XFELに持ち込み、YAGレーザーで断熱的に配列度0.85以上の分子アンサンブルを用意さえすれば、PAL-XFEL施設にある近紫外短パルスレーザーによるポンプそして軟X線自由電子レーザーによるプローブによる分子光化学反応測定が確実に実施できるであろうことを明らかにした。帰国後、PAL-XFEL施設に本研究の実験課題を申請し、採択された。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。Velocity map imaging spectrometer (VMI)を心臓部とする光電子回折計実験装置のアップグレード作業を実施した。すなわち、イオン検出器を高品質なものに交換し、カメラはリサーチグレードのものに交換した。さらには、古いターボ分子ポンプは新品に置き換えた。計測系を強化するために、8chのデジタル・ディレイおよびデジタル・オシロを新規に購入した。約一年間にわたる実験装置のアップグレード作業を終了したあとの2月13日から2月16日の期間、SACLAのEUV領域の自由電子レーザー(EUV-FEL)を使った実験を実施した。この実験では、ポンプの光学レーザー・パスルとプローブのEUV-FELパスルの到達時間差の計測法を確立させておくために、800nmの近赤外レーザー・パスルによる、EUV-FEL由来の光電子のサイドバンドの測定をおこなった。その結果、Ar 3p光電子の複数のサイドバンドの測定に成功し、到達時間差ゼロの計測法を確立することができた。実験技術のグレードアップに関しては、初期の目的を達成した。EUV-FELの利用開始が遅れたために、二原子分子(IBr)で計画していた最初のポンプープローブ実験は、次年度2017年5月16日から5月19日となっている。800nmの近紫外短パルスレーザーによる、Ar 3p光電子のサイドバンドの測定結果およびその解析結果を論文として発表した。これらの結果からSACLAのシステムにおいては、近紫外短パルスレーザーとEUV-FELパルスとの間に、およそ1psecものタイミング・ジッターがあることを明らかにした。2018年2月22日から2月26日のSACLAの実験では、800nmの近紫外短パルスレーザーでCO2分子の回転波束を誘起して、その後の分子の配列度をEUV-FELパルスによる解離イオンの角度分布によりモニターする実験をおこなった。この実験では、解離イオンと同時に価電子帯の光電子も測定しているので、現在、時間依存(配列度依存)の光電子の回折像も解析している。これらの実験研究と平行して、超高速光電子回折法で得られることが期待される、実験結果のシミュレーションに関する理論研究をおこなった。その結果、核間距離が平衡核間距離から無限大の距離まで伸びる解離性の反応では、光電子回折を統一的に扱える理論がないので、光電離理論と光電子回折理論の両者を援用して、解離性反応を統一的に扱える理論の枠組みを構築した。nsecの近紫外短パルスレーザーで断熱的に分子を配列させること、そして100fsecの近紫外短パルスレーザーで非断熱的に分子を配列させることは成功し、習熟してきた。今後は、配列用のレーザー・励起用の光学レーザー・プローブ用のEUV-FELの三つのレーザーの同期実験で、超高速光電子回折実験をおこなう。しかしながら、SACLAのシステムにおいてはタイミング・ジッターが大きいので、2018年5月30日から6月3日のSACLAの実験では、psecオーダーの比較的遅い解離反応「CH3I→CH3 + I」に的をしぼり、超高速光電子回折実験をおこなう予定でいる。

得られた光電子の角度分布の実験結果を再現するために、配列度を考慮に入れた分子アンサンブルからの光電子の角度分布を記述する公式を導出し、シュミレーション計算をおこなった。その結果、配列度が0.85以上でなければ、光電子の角度分布に明瞭な干渉効果が露わになった配列度依存性が現れないことを明らかにした。本研究で目的とする、超高速X線光電子回折実験を実現するためには、軟X線領域の自由電子レーザーが不可欠となるので、軟X線自由電子レーザーをユーザーに供給している韓国のPAL-XFEL施設を視察した。その結果、我々の光電子回折計をPAL-XFELに持ち込み、YAGレーザーで断熱的に配列度0.85以上の分子アンサンブルを用意さえすれば、PAL-XFEL施設にある近紫外短パルスレーザーによるポンプそして軟X線自由電子レーザーによるプローブによる分子光化学反応測定が確実に実施できるであろうことを明らかにした。帰国後、PAL-XFEL施設に本研究の実験課題を申請し、採択された。SACLAでは2016年度よりEUV-FELが利用可能になったので、今後は光学レーザー・ポンプでEUV-FELプローブの実験に集中する。そして、分子光化学反応の超高速分子イメージングを世界に先駆けて実現するよう努力する。本超高速光電子回折法では、軽元素の最内殻の光電離が可能な軟X線のFELが必要であり、タイミング・ジッターは50fsec以下でなければならない。しかしながら、SACLAのEUV-FELではこれらの条件を満たすことが出来ないことが明らかになってきた。一方で、韓国浦項のPAL-XFELはこれらの条件を満足することが判明した。よって、現在PAL-XFELのビームライン担当者と連絡をとり、本実験をPAL-XFELで実施することを検討している。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
非平衡条件下における多成分モデル生体膜の大変形ダイナミクス

我々は、生体膜の示す膜変形現象を物理的な観点から明らかにするために、脂質のみからなるモデル生体膜ベシクル(以下、ベシクル)を用いた研究を行った。均一なベシクルは、面積と体積の比率を変化させることで、多様な形状を示す。一方、飽和リン脂質、不飽和リン脂質、コレステロールからなる3成分ベシクルは、転移点以下で液体秩序相と液体無秩序相に2相分離し、生体膜におけるラフトに似たドメインを形成する。そこで、様々な形状のべシクルにおける相分離現象を顕微鏡観察した。その結果、相分離を境に均一系とは全く異なる膜変形が観察された。特に筒状ベシクルでは、相分離と共にベシクルが波打ち、周期的ドメインパターンが現れることを見出した。またドメイン形状は、液体秩序相の面積分率に依存して、円形状からストライプ形状へと転移した。これは最も支配的となるドメイン界面をなるべく小さくするために起こったと、自由エネルギー解析から説明できた。またドメインの周期性は、面積と体積の保存に由来する幾何学的束縛だけでなく、相分離のキネティクすも影響していることを報告した。さらに、脂質のみからなる膜の物性から、より実際の生体膜に近づけた、膜蛋白質や糖鎖モデルとしての高分子(PEG:Polyethylene glycol)を添加した膜系での研究を展開した。その結果、高分子は脂質間の相分離を妨げ、生体膜に見られるラフトに似た小さなドメインが安定して現れることを見出した。以上の成果は、生体膜を物理学で記述するという目標に一歩近づいたといえる。我々は生体膜の示す膜変形現象を、膜物理の観点かち研究してきた。脂質のみからなるモデル生体膜ベシクル(以下、ベシクル)は、生体膜の持つ膜内外の浸透圧差によって様々に変形する。また近年、面積と体積の比で定義される余剰面積と2分子膜の非対称性をパラメーターとするADE(Area Difference Elasticity)modelによって多様なベシクル形状が表現されることが分かってきた。一方生体膜は、様々な脂質やタンパク質等からなり、脂質の膜内相分離に由来するドメイン構造を持つ。ドメインは多成分ベシクルでも観察され、界面の寄与によって発芽と呼ばれる膜外への変形を引き起こす。我々はこれら生体膜の持つ2つの特徴、膜内外の浸透圧差とドメイン構造を多成分ベシクルに導入し競合させる実験を行った。高温で均一なベシクルに浸透圧差を与え、様々な形状に変形した後にそれぞれの形状で温度を下げ相分離させた。その結果ベシクルは、相分離を境に均一系とは全く異なる変形経路を示した。相分離初期過程では、様々な多角形ベシクルが2つのドメインを両側に持つ赤血球型ベシクルへ集約したり、筒状ベシクルが多角形ベシクルで観察された赤血球型ベシクルを連続させたネックレス形状へ変形したりした。相分離後期過程では、相分離直前の余剰面積値によってベシクル内または外ヘドメインが発芽した。我々はこれら様々な変形現象を、複数のドメインを持つベシクルに対してADE modelに基づくエネルギー解析を行い定性的に説明した。すなわち生体膜の示す膜変形現象は、変形のきっかけとなる特定の分子だけでなく、膜というスケールに現れる物理的性質に着目することで表現し得ることを示唆した。さらにこの研究は、ソフトマターとしての多成分ベシクルが示す非平衡現象を記述する上でも新しいコンセプトを生み出す独創的なものである。均一なベシクルは、面積と体積の比で定義される余剰面積と2分子膜の外膜と内幕の面積差よって多様な形状を示す。一方、飽和リン脂質、不飽和リン脂質、コレステロールからなる3成分ベシクルは、転移点以下で液体秩序相と液体無秩序相に2相分離し、生体膜における脂質ラフトに似たドメイン構造を形成する。そこで、膜変形に重要であると考えられるこの2つの現象を競合させ、より実際の生体膜に近い条件下での膜変形を蛍光顕微鏡観察した。高温で均一な3成分ベシクルの膜外に糖によって浸透圧差を加え、それにより現れたそれぞれのベシクル形状で温度を下げて相分離させた。特に筒状ベシクルでは、相分離と共にベシクルが変形し、やがて周期的ドメインパターンが現れた。ドメイン形状は、相分離後に現れる液体秩序相の面積分率に依存し、50%を境に、赤血球型ベシクルの両側に形成された円形から帯状へと転移した。これは最も支配的となるドメイン界面をなるべく小さくするために起こったと自由エネルギー解析から説明できた。またドメインの周期性は、ベシクルの形状に依存した相の分配とそれに伴う膜変形が同時に起こることで、速度論的に決定されることを見出した。こうした反応速度の異なる現象が競合することで、生体膜は複雑な変形を実現していることを示唆した。さらにこの研究は、非平衡条件下にある生体膜を物理的に記述する上でも大きな一歩となったと言える。一方、飽和リン脂質、不飽和リン脂質、コレステロールからなる