hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
共感性の進化・神経基盤

平成28年7月に予定されている国際シンポジウムのプログラムの検討、招聘者の来日に向けた調整を行うとともに、告知のためのシンポジウム専用ウェブサイトの開設、ポスター・チラシなどの作成、配布など、集客のための施策を実施した。平成28年1月には、第3回領域会議を東京大学本郷キャンパスで開催し、延べ80名が参加した。会議の冒頭に長谷川代表より、中間評価結果Aを踏まえつつ、指摘された課題(共感性に関与する遺伝子、分子群の同定や、その多様性と機能の解析の進捗がやや遅れている)をクリアするために残りの2年で何を目指し、そのために領域全体で何をサポートすべきかを再認識するよう呼びかけがあった。若手育成については、チュートリアル、領域会議ともに若手のポスター発表を奨励し、旅費の支援を行った。また、若手研究者を特定の技術習得のため、奈良先端科学技術大学院大学へ長期で派遣しその費用を援助するなど、領域内の若手育成のための施策を積極的に実施した。中間評価でも指摘されたように、研究領域全体としては、A01(共感性の比較認知研究)、C01(共感性の分子・回路基盤の解明)項目において、特筆すべき成果をあげることができ、着実に成果が上がってきている。B01(共感性の進化モデル)項目についてはやや進捗に遅れが見られると指摘されたが、この目標の達成は容易ではないため、残りの2年で総括班を中心に公募班まで含めた本研究領域全体でサポートする体制を整える。後期公募班の選考においても、B01の成果に繋げる助けとなるような研究を選択している。研究支援面では、昨年度に引き続き、領域内連携を活性化すべく、3つの研究支援基盤を有効活用し、ラボ間交流や、勉強会の実施を通して領域内情報の共有化を図った。運営面では、多数のシンポジウムやワークショップを共催することで、本領域の研究成果を効果的に発信することができた。特筆事項として、遺伝情報管理センターの村山計画班を中心とする領域内連携研究により、鳥類の情動伝染の網羅的遺伝子発現データベースを世界に先駆けて完成させたことがある。これにより、鳥類の共感性に寄与する遺伝子領域を同定することで絞り込まれる候補遺伝子領域をターゲットとして、ハトやマウスなど多種との比較解析を行い、恐怖情動伝染に関与する遺伝子の絞込を行える。平成28年度は、7月に開催した国際シンポジウム「Brain & Social Mind - The Origin of Empathy and Morality」(本領域、国際心理学会議(ICP)2016、日本神経科学大会との共催)への集客のための告知およびその運営に注力した。これに先立ち、4月には関連性理論の提唱者であるダン・スペルベル教授の講演会(長谷川班主体)を言語科学会、日本人間行動進化学会と共催した。これらイベントの開催は、領域の国際的な認知度向上にもつながった。また、12月開催の次世代脳冬のシンポジウムに於いて、昨年同様、新学術「自己制御精神」領域と共催で次世代育成シンポジウムを開催した。平成29年1月には、第4回領域会議を慶應義塾大学三田キャンパスで開催し、延べ80名が参加した。今回は、C01班の発表を、新学術領域「認知的インタラクションデザイン学」(東京大学植田一博代表)との合同セッション(参加140名)にて行い、イヌの進化研究の世界的権威であるランゲ博士による特別講演もプログラムに組込んだ。
骨リモデリング時における骨細胞のカルシウムセンサーとしての機能の解明

【骨細胞の単離と同定】生後12日齢SD系ラットから頭蓋冠を取り出し、軟組織を取り除いた後、コラゲナーゼとキレート剤を用いて骨基質から6分画で細胞を単離した。その細胞の同定には、アルカリフォスファターゼ活性の定性と定量、並びにオステオカルシン遺伝子の発現をin situハイブリダイゼーション法を用いて行った。結果:分画Iは線維芽細胞、分画IIIは骨芽細胞、分画VIは骨細胞の形態的特徴を示した。ALPase活性、オステオカルシン遺伝子の発現は分画IIIで高く、分画I、分画VIでは低かった。【細胞外液カルシウムに対する骨細胞の応答性】単離した骨細胞の細胞外液に高濃度のカルシウムを添加したときの応答を、ACAS570WORKSTATIONを用い、細胞内カルシウム濃度の変動を指標に検討した。結果:骨細胞は、細胞外カルシウムの濃度に依存性して即時的に細胞内カルシウム濃度が上昇した。さらに、その応答は分化が進むにつれて上昇し、分画VIで最も高かった。また、電位依存性カルシウムチャンネルのアゴニストであるBAY K 8644、阻害剤であるニカルジピンを作用させても細胞内カルシウム濃度の上昇には変化がなかった。このことより、細胞内カルシウム濃度の上昇にはカルシウムチャンネルは関与せずに、カルシウム感受性レセプターを介していることが示唆された。【骨細胞におけるカルシウム感受性レセプターの発現】6分画で単離した細胞のカルシウム感受性レセプター遺伝子の発現をRT-PCR法とin situハイブリダイゼ-ション法を用いて行った。結果:分画I、分画IIIの細胞にはカルシウム感受性レセプター遺伝子の発現は認められなかったが、分画VIの細胞にはカルシウム感受性レセプター遺伝子の発現が認められた。【骨細胞における細胞内情報伝達システムの解明】カルシウム感受性レセプターによる細胞内情報伝達システムについて検討を加えた。結果:細胞内カルシウム貯蔵庫(小胞体)からのカルシウム放出阻害剤であるTMB-8、Ca-ATPase阻害剤であるタプシガルギンをそれぞれ前処置した後に細胞外に高濃度のカルシウムを添加しても応答しなかった。また、フォスフォリパーゼC阻害剤であるU-73122を前処置しても同様の結果であった。【結論】骨芽細胞から骨細胞へと分化するにつれて細胞膜上にカルシウム感受性レセプターが発現し、骨細胞、破骨細胞による骨吸収によって高濃度の細胞外カルシウムが存在する環境下でカルシウム感受性レセプターを介して応答するというカルシウムセンサーとしての役割があることが明らかになった。さらにその応答は、レセプター共役型G-タンパク質がフォスフォリパーゼCを活性化し、それによってできたイノシトール3リン酸が小胞体からのカルシウムを放出させる機能により行われていることが示唆された。

さらにその応答は、レセプター共役型G-タンパク質がフォスフォリパーゼCを活性化し、それによってできたイノシトール3リン酸が小胞体からのカルシウムを放出させる機能により行われていることが示唆された。【骨細胞の単離と同定】生後12日齢SD系ラットから頭蓋冠を取り出し、軟組織を取り除いた後、コラゲナーゼとキレート剤を用いて骨基質から骨細胞を単離した。骨細胞の同定には、アルカリフォスファターゼ活性の定性と定量およびオステオカルシンとカルシウム感受性レセプター遺伝子の発現をin situハイブリダイゼーション法を用いて行った。結果:上記の方法で単離した骨細胞は、アルカリフォスファターゼ活性が極めて低く、オステオカルシン遺伝子の発現も認められなかったが、カルシウム感受性レセプター遺伝子が発現していることを認めた。【細胞外液カルシウムに対する骨細胞の応答性】単離した骨細胞の細胞外液に高濃度のカルシウムを添加したときの応答を、ACAS570WORKSTATIONを用い、細胞内カルシウム濃度の変動を指標に検討した。結果:骨細胞は、細胞外カルシウムの濃度に依存性して即時的に細胞内カルシウム濃度が上昇した。さらに、電位依存性カルシウムチャンネルのアゴニストであるBAY K 8644、阻害剤であるニカルジピンを作用させても細胞内カルシウム濃度の上昇には変化がなかった。このことより、細胞内カルシウム濃度の上昇にはカルシウムチャンネルは関与せずに、カルシウム感受性レセプターを介していることが示唆された。【骨細胞におけるカルシウム感受性レセプターの発現】生後12日齢SDラット頭蓋冠より6分画で単離した細胞のカルシウム感受性レセプター遺伝子の発現をRT-PCR法とin situハイブリダイゼーション法を用いて行った。結果:単離された分画I(線維芽細胞)、分画III(骨芽細胞)の細胞にはカルシウム感受性レセプター遺伝子の発現は認められなかったが、分画VI(骨細胞)の細胞にはカルシウム感受性レセプター遺伝子の発現が認められた。【骨細胞における細胞内情報伝達システムの解明】カルシウム感受性レセプターによる細胞内情報伝達システムについて検討を加えた。結果:細胞内カルシウム貯蔵庫(小胞体)からのカルシウム放出阻害剤であるTMB-8、Ca-ATPase阻害剤であるタプシガルギンをそれぞれ前処置した後に細胞外に高濃度のカルシウムを添加しても応答しなかった。また、フォスフォリパーゼC阻害剤であるU-73122を前処置しても同様の結果であった。以上のことから、骨芽細胞から骨細胞へと分化するにつれて細胞膜上にカルシウム感受性レセプターが発現し、骨細胞は、破骨細胞による骨吸収によって高濃度の細胞外カルシウムが存在する環境下でカルシウム感受性レセプターを介して応答するというカルシウムセンサーとしての役割があることが明らかになった。さらにその応答は、レセプター共役型G-蛋白質がフォスフォリパーゼCを活性化し、それによってできたイノシトール3リン酸が小胞体からのカルシウムを放出させる機能により行われていることが示唆された。
PI3キナーゼ阻害剤ワ-トマンニンの合成と生物有機化学的展開

本研究では、PI3キナーゼの強力な阻害剤、ワ-トマンニンをバイオロジカルツールとして利用する研究展開を目指した。バイオロジカルツールとしては、(1)ワ-トマンニンをリガンドとしたアフィニティクロマトグラフィー(2)放射性同位体を導入したワ-トマンニン誘導体(標識化合物)を考えた。これらの合成には、PI3キナーゼの阻害活性を保持しているワ-トマンニン誘導体が必要であった。そこで既存の構造活性相関のデータから、ワ-トマンニンの17位のカルボニル基周辺に構造修飾を施せば、その目的に合った誘導体が得られると我々は予想した。この予想のもとに幾つかのワ-トマンニン誘導体を合成し、それらのPI3キナーゼ阻害活性をin vitroで測定したところ(東京大学薬学部堅田教授に測定を依頼)、いずれにおいても23桁の活性低下が観察された。この結果は、既存の構造活性相関とは異なる傾向にあり、新たな知見を得たと言える。ワ-トマンニンは反応性に富んだフラン環を有し、実際その部位で速やかに化学反応を起こして開環体を与えことより、その部位でPI3キナーゼと共有結合を生成すると思われる。本研究で得られたワ-トマンニン誘導体をリガンドとするアフィニティークロマトグラフィーを使用すれば、23桁の活性低下を見込んでも、ワ-トマンニンPI3キナーゼ複合体が形成され、PI3キナーゼに結合する未発見のタンパク質を単離精製可能であるので、アフィニティークロマトグラフィーの作成を現在検討中である。また、放射活性なヨウ素を含む誘導体の合成に成功し、その標識体を利用してPI3キナーゼの触媒ユニットを初めて標識できたこと、従来のPI3キナーゼのサブユニットとは、制御様式等の異なる新たなサブタイプを確認できたことは特筆すべき成果である。
高ロイシン血症例における分枝鎖αケト酸脱水素酵素のチアミン反応性に関する研究

新生児期から血中ロイシン高値が続く、分枝鎖α-ケト酸脱水素酵素(BCKD)活性正常の同胞例を解析し、BCKD kinase(BCKDK)に父由来ヘテロ接合性新規1塩基置換を同定した。BCKDKはE1αのリン酸化によってBCKD複合体を不活化する酵素であり、本家系はBCKDKの機能亢進性変異による常染色体優性遺伝性メープルシロップ尿症という新規病型と考えられた。本研究開始時点までに我々は、血中ロイシン高値24例の分枝鎖αケト酸脱水素酵素複合体(BCKADC)活性を測定し、14例をメープルシロップ尿症(MSUD)罹患者と診断していた。平成22年度の新規1症例(新生児スクリーニング陽性;正常活性)を加えると、我々の方法で正常活性を認めた症例は11例ある。うち2例(同胞例)は血中ロイシン著増を繰り返しており、遺伝的原因が強く推定された。他の9例中については経過を照会し、7例には同様の経過は認められなかった(2例は回答なし)。そこで、今年度は上記同胞例の遺伝子解析を主要課題とした。BCKADCの活性発現に直接関与するサブユニット(E1α,E1β,E2,E3)のうち、ピルビン酸脱水素酵素欠損症の所見を伴うE3欠損症は否定的と考え、E1α,E1β,E2の各遺伝子について直接塩基配列解析を行ったが、変異は検出されなかった。この同胞例がチアミン反応性MSUD罹患者と仮定した場合、想定される遺伝子変異は1アミノ酸置換であり、直接塩基配列解析で検出困難な欠失等の可能性は考えられない。従って、この同胞例では従来のMSUDの原因とは異なる病因が推測される。ロイシン代謝に関わる他のタンパク質としては、BCKADCの活性調節酵素であるBCKAD phosphatase (BDP), BCKAD kinase (BDK)や、分枝鎖アミノトランスフェラーゼ(BCATc;細胞質局在,BCATm;ミトコンドリア局在)がある。近年、これら諸酵素についての研究が進んでおり、げっ歯類を用いた実験では、BDK欠損動物とBCATm欠損動物でヒトのMSUDに類似した代謝異常所見が観察されているが、ヒトでの欠損症例は報告されていない。これらの知見を基に、平成23年度は上記同胞例の解析対象遺伝子を拡大する方針である。本研究開始時点までに我々は、血中ロイシン高値24例の分枝鎖αケト酸脱水素酵素複合体(BCKAD)活性を測定し、14例をメープルシロップ尿症(MSUD)罹患者と診断していた。平成22年度には1症例、23年度には6例を新たに解析し、3例を罹患者と診断した。正常活性を認めた14例中2例(同胞例)は血中ロイシン増加が続いており、遺伝的原因が強く推定された。22年度は上記同胞例のBCKAD遺伝子解析(E1α,E1β,E2)を行い、変異は検出されていない。この同胞例がチアミン反応性MSUD罹患者と仮定すると、これらサブユニットの大欠失等の可能性は考えられず、新規の病因が推測された。候補分子として今年度は分枝鎖アミノトランスフェラーゼ(BCATc;細胞質局在,BCATm;ミトコンドリア局在)を解析し年が、変異は検出されなかった。続いて、BCKADの活性調節酵素であるBCKAD kinase (BCKDK), BCKAD phosphatase (PPM1K)のうち前者を解析したところ、同胞例の両者に同一のヘテロ接合性1塩基置換が同定された。BCKAD kinaseはリン酸化によってBCKAD活性を抑制する酵素であり、BCKDK欠損マウスはBCKAD活性の亢進によって血中ロイシン低下を示すと報告されている。従って、血中ロイシン高値の原因となりうるBCKAD遺伝子の変化は機能亢進性変異である必要があり、ヘテロ接合性変異による常染色体優性遺伝形式を示すことが想定される。このようなヒト症例は現在まで知られていない。メープルシロップ尿症(MUSD)は分岐酸α-ケト酸脱水素酵素(BCKD)複合体の障害によって分枝アミノ酸(BCAA;バリン・ロイシン・イソロイシン)の異化が低下する、常染色体劣性遺伝性の先天性代謝異常症である。BCKD複合体は代謝活性を形成するサブユニット(E1α,E1β,E2,E3)および、活性発現に必要なチアミンの結合部位であるE1αのリン酸化/脱リン酸化による調節酵素BCKD kinase (BCKDK), BCKD phosphatase (BCKDP)から構成される。典型例はE1α,E1β,E2いずれかの変異に起因する。特殊な分子機序に起因する「チアミン反応型」症例は、E1αではなくE2変異で生じる。我々は国内BCAA高値例のBCKD複合体活性測定を通じて、新生児スクリーニング陽性以降異常値が続くにも関わらず正常活性を示す同胞例を発見した。

E2変異による「チアミン反応型」症例の活性は、高濃度チアミンを添加しても正常の40%程度までしか上昇しないことから、E1αチアミン結合部位の変異を想定したが、正常配列であった。続いて、高乳酸血症を伴う病型となるE3を除く全構成タンパクおよび、上流の分枝鎖アミノトランスフェラーゼ(BCAT-1,BCAT-2)の遺伝子解析を行った結果、BCKDK遺伝子にヘテロ接合性新規1塩基置換(c.406C>A, p.L136M)を同定した。これを伝えた父親は同胞例と同程度のBCAA高値を示し、母親および変異を持たない別の同胞のBCAAは正常レベルであった。BCKDKはリン酸化によってBCKD複合体を不活化する酵素であり、本家系はBCKDKの機能亢進性変異による常染色体優性遺伝性MSUDという新規病型と考えられた。今後、BCAA持続高値例の確定診断において、BCKD複合体活性が正常の場合は、BCKDK変異の追加検索が必要である。ヒトにおいて血中ロイシン濃度の調節に関与しうると考えられる8種の候補遺伝子のうち、6種類目(BCKDK)の解析で新規の塩基置換が同定された。本遺伝子の変異に起因する臨床患者は過去に報告がなく、メープルシロップ尿症のスクリーニングにおいて考慮すべき新たな原因の発見につながることが期待される。24年度が最終年度であるため、記入しない。平成24年度は、上記同胞例の両親を解析してBCKDK塩基置換の由来を確認し、伝達した親の血中ロイシン濃度測定を実施する。同時に、BCKDKリン酸化亢進の有無を検証するための機能解析を進める。リン酸化亢進によるBCKAD活性の抑制が示された場合は、高濃度のチアミン添加による活性回復効果について検討する方針である。
脳卒中発症者の生命予後および機能予後に影響を与える因子の研究

1986年から1992年の7年間に愛媛県御荘保健所で登録された405名の脳卒中発症者のうち397名について、その生命予後および機能予後を調査しそれに影響を与える要因を検討した。さらに、同保健所所管内の老人保健法による検診の累積受診者名簿とも照合し、発症者の発症前受診状況も把握した。生命予後の検討にあたっては急性期としての発症時点および安定期としての在宅医療開始時点の2つの時点からの予後を検討した。1.生命予後の検討では、全体の1年後の累積生存率は発症時点からは60.6%であり、在宅医療開始時点からは82.8%であった。2.発症時点からの生命予後の検討では、年齢階級、発症時の意識障害、言語障害および発症前の検診受診の有無が予後と関連する要因と考えた。3.在宅療養開始時点からの生命予後の検討では、年齢階級、在宅療養開始時の意識障害、発症前の高血圧の有無および検診受診の有無が予後と関連する要因と考えられた。4.機能予後に影響を与えうるものとしては、年齢階級、発症時の意識障害、運動障害、発症前の検診受診の有無が考えられた。5.生命予後および機能予後に発症前の検診受診の有無が関連しており、検診受診群は発症の軽症化、社会的ケアの受入易さが考えられ、非受診群は発症前から症弱老人であったことが影響したと考えられる。6.発症者の情報と検診データの照合により、2つのデータベースをデータリンケージすることにより新しい視点でのデータの活用の可能性が示された。本年度の研究実施計画どおりの進捗状況である。愛媛県御荘保健所管内の脳卒中発症者をすでに死亡したものも含めて対象とした。生存者に関しては本人および介護者、また、死亡者に関しては家庭を対象とした訪問面接調査を行い、さらに、脳卒中登録票・退院時連絡票・経過管理票およびその他の記録を用いて、データの収集を行った。以下に、本年度の実績の概要を示す。1986年から1992年の7年間に計403名(男231名,女172名)のものが調査できた。病型別には、脳出血108名、脳梗塞263名、くも膜下出血21名、その他11名であった。観察期間が1年未満のものを除く384名のうち、1年以上生存していたものが228名(59.4%)であった。カプラン-マイヤー法を用いて病型別、年齢階級別に予後の検討をした。病型別には、脳梗塞がもっとも予後が良好であった。くも膜下出血がもっとも予後が悪く、特に、発症後1ケ月以内の累積生存率の低下が顕著であった。脳出血は脳梗塞とくも膜下出血の中間に位置していた。年齢階級別には、69歳以下の生命予後は良好であったが、高齢者になるほど予後は悪く、80歳以上では発症後1年以内に約6割のものが死亡していた。なお、次年度はさらに該当地域で実施されている老人保護法による一般健康診査のデータとリンクすることにより、生命予後に発症前の状況がどのように影響するかを検討する。1986年から1992年の7年間に愛媛県御荘保健所で登録された405名の脳卒中発症者のうち397名について,その生命予後および機能予後を調査しそれに影響を与えうる要因を検討した。さらに,同保健所管内の老人保健法による検診の累積受診者名簿とも照合し,発症者の発症前検診受診状況も把握した。生命予後の検討にあたっては急性期としての発症時点および安定期としての在宅療養開始時点の2つの時点からの予後を検討した。1)生命予後の検討では,全体の1年後の累積生存率は発症時点からは60.6%であり,在宅療養開始時点からは82.8%であった。

2)発症時点からの生命予後の検討では,年齢階級,発症時の意識障害,言語障害および発症前の検診受診の有無が予後と関連する要因と考えられた。3)在宅療養開始時点からの生命予後の検討では,年齢階級,在宅療養開始時の意識障害,発症前の高血圧の有無および検診受診の有無が予後と関連する要因と考えられた。4)機能予後に影響を与えうるものとしては,年齢階級,発症時の意識障害,運動障害,発症前の検診受診の有無が考えられた。5)生命予後および機能予後に発症前の検診受診の有無が関連しており,検診受診群は発症の軽症化,社会的ケアの受入易さが考えられ,非受診群は発症前から虚弱老人であったことが影響したと考えられる。6)発症者の情報とと検診データの照合により,2つのデータベースをデータリンケージすることによる新しい視点でのデータの活用の可能性が示された。
特発性間質性肺炎におけるサイトケラチンの発現と局在、およびその臨床的意義

間質性肺疾患の上皮系細胞におけるサイトケラチン(CK)サブクラス発現の変化の検討:特発性間質性肺炎(IIP)および他の間質性肺炎の胸腔鏡下肺生検組織と孤立性肺癌切除肺の正常部分を用いて以下の検討を行った。1)肺組織におけるCKサブクラスの発現と分布:i)各CKサブクラスに特異的な抗体を用い、酵素抗体間接法よる免疫染色、ii)in situ hybridization法による発現と局在、2)肺組織、血清中のCKサブクラスの定量:i)10mm^3の生凍結肺組織からCK-rich fraction抽出し定量、ii)各CKサブクラスに特異的な抗体を用いたindirect ELISAを確立し、組織、血清中の各CKサブクラスを定量した。結果:(1)IIPの肺組織では多様な被覆上皮が観察され、CK8,17の発現が増加していた。(2)IIPの肺組織では、CK17を発現する単層・重層扁平化生上皮、立方状上皮、気管支化生上皮の増生が特徴的であり、これらは細気管支上皮の基底細胞由来であることが推察された。(3)不規則な線維化巣を被覆する立方状上皮細胞は、CK17の発現の有/無で2群に分けることが出来、前者は細気管支基底細胞由来の上皮細胞、後者はII型上皮細胞と推察された。上皮細胞に発現するCKは、その起源、分化度や機能により異なり、IIPでみられる上皮にCK発現の特徴ある変化を認めた今回の結果は、これらの上皮の機能的変化を裏付けるものとともに肺のリモデリングに上皮の機能が重要と考えられた。1)肺組織におけるCKサブクラスの発現と分布:i)各CKサブクラスに特異的な抗体を用い、酵素抗体間接法による免疫染色、ii)in situ hybridization法による発現と局在、2)肺組織、血清中のCKサブクラスの定量:i)10mm^3の生凍結肺組織からCK-rich fraction抽出し定量、ii)各CKサブクラスに特異的な抗体を用いたindirect ELISAを確立し、組織、血清中の各CKサブクラスを定量した。1)肺組織におけるCKサブクラスの発現と分布:i)各CKサブクラスに特異的な抗体を用い、酵素抗体間接法よる免疫染色、ii)in situ hybridization法による発現と局在、2)肺組織、血清中のCKサブクラスの定量:i)

10mm^3の生凍結肺組織からCK-rich fraction抽出し定量、ii)各CKサブクラスに特異的な抗体を用いたindirect ELISAを確立し、組織、血清中の各CKサブクラスを定量した。結果:(1)IIPの肺組織では多様な被覆上皮が観察され、CK-8,17の発現が増加していた。(2)IIPの肺組織では、CK17を発現する単層・重層扁平化生上皮、立方状上皮、気管支化生上皮の増生が特徴的であり、これらは細気管支上皮の基底細胞由来であることが推察された。(3)不規則な線雑化巣を被覆する立方状上皮細胞は、CK17の発現の有/無で2群に分けることが出来、前者は細気管支基底細胞由来の上皮細胞、後者はII型上皮細胞と推察された。上皮細胞に発現するCKは、その起源、分化度や機能により異なり、IIPでみられる上皮にCK発現の特徴ある変化を認めた今回の結果は、これらの上皮の機能的変化を裏付けるものとともに肺のリモデリングに上皮の機能が重要と考えられた。間質性肺疾患の上皮系細胞におけるサイトケラチン(CK)サブクラス発現の変化の検討:特発性間質性肺炎(IIP)および他の間質性肺炎の胸腔鏡下肺生検組織と孤立性肺癌切除肺の正常部分を用いて以下の検討を行った。1)肺組織におけるCKサブクラスの発現と分布:i)各CKサブクラスに特異的な抗体を用い、酸素抗体間接法よる免疫染色、ii)in situ hybridization法による発現と局在、2)肺組織、血清中のCKサブクラスの定量:i)10mm^3の生凍結肺組織からCK-rich fraction抽出し定量、ii)各CKサブクラスに特異的な抗体を用いたindirect ELISAを確立し、組織、血清中の各CKサブクラスを定量した。結果:(1)IIPの肺組織では多様な被覆上皮が観察され、CK8,17の発現が増加していた。(3)不規則な線維化巣を被覆する立方状上皮細胞は、CK17の発現の有/無で2群に分けることが出来、前者は細気管支基底細胞由来の上皮細胞、後者はII型上皮細胞と推察された。
海鳥を標準デバイスとした海洋汚染リスクの広域マッピング法の開発

大気・海流により拡散する汚染物質は深刻な問題である。しかし,従来の手法による広範囲の汚染物質測定は現実的ではない。海鳥は生物学的ホットスポットで採食し,食物連鎖により汚染物質を体組織に濃縮して繁殖地に戻る。本研究は,海鳥の多数個体の移動を通年追跡し、その体組織の汚染物質濃度を個体の利用場所に関連づけることで生物多様性・資源保全に資する,広域スケールの汚染マップを作る。本研究は、海鳥をデバイスとする新しいアイデアをもとに、広域スケールの汚染マップを作ることを目的としている。具体的には、北太平洋西部において、動物装着型データロガーを用いて、より多数の外洋性海鳥個体の移動を通年追跡し、集中度が高いホットスポットの抽出を行う。また、全個体の血液・羽根など体組織の汚染物質濃度を測定し、汚染度を地図化する。汚染物質の生体影響を解析しホットスポットのリスクを評価する。海鳥に注目した残留性有機汚染物質、Hgについての汚染状況を調べ、海域のホットスポットを特定する方法論は興味深く、生物多様性・資源保全に利用可能な汎用性の高い新たな手法を開発が期待される。
肺癌ウイルスエンベロープ細胞内領域の構造機能相関

ラット上皮細胞株RK3Eを用いたトランスフォーメーションアッセイにおいて、jaagsiekte sheep retrovirus(JSRV)、及びenzootic nasal tumor virus(ENTV)のどちらのエンベロープも、Ras-MEK-MAPK経路、PI3k-Akt-mTOR経路、及びRac1を活性化して細胞をトランスフォームすることが示唆された。また、JSRVエンベロープ細胞内領域のY590遺伝子に変異を導入したウイルスゲノムを持つウイルス粒子の接種は、ヒツジ個体内で肺癌を発症しなかったことから、Y590を含めた細胞内領域の重要性がin vivoにおいて初めて確認された。レトロウイルス科ベータレトロウイルス属に分類されるjaagsiekte sheep retrovirus(JSRV)のエンベロープタンパク質は、癌遺伝子産物として機能することにより培養細胞をトランスフォームし、また宿主であるヒツジ個体内で肺癌を誘導する。また、JSRVとアミノ酸レベルで相同性のあるenzootic nasal tumorvirus(ENTV)のエンベロープタンパク質もJSRVと同様に、培養細胞をトランスフォームするが、ヒツジ個体内では鼻腔内腫瘍を誘導する。自然宿主内での腫瘍発生部位はJSRVとENTVでそれぞれ異なるが、免疫不全マウスにおいてはどちらのエンベロープも肺癌を誘導することが報告されており、JSRVとENTVの宿主病原性は非常に類似していることが示唆されてきていた。ラット上皮細胞株を用いたトランスフォーメーションアッセイにおいて、MEK、mTOR、Ras、及びRaclに対する特異的阻害剤が、JSRVエンベロープによるトランスフォーメーションと同程度にENTVエンベロープによるトランスフォーメーションも効率よく阻害したことから、どちらのエンベロープもRas/MEK/MAPK経路、PI3k/Akt/mTOR経路、及びRac1を活性化して細胞をトランスフォームすることが示唆された。またこれまでに、JSRVエンベロープチロシン残基Y590変異体は、培養細胞株をトランスフォームする活性を失うことが報告されており、Y590を含めたエンベロープ細胞内領域のトランスフォーメーションにおける重要性が示唆されてきていた。野生型ウイルス、及びY590遺伝子に変異を導入したウイルスゲノムを持つウイルスをそれぞれヒツジに接種した結果、野生型ウイルスでは肺癌が誘導された一方で、Y590変異体ウイルスでの肺癌誘導は観察されなかった。したがって、Y590を含めた細胞内領域の重要性がin vivoにおいて初めて確認された。以上の結果から、JSRVエンベロープはその細胞内領域を介して複数のシグナル伝達経路を活性化し病原性を発現しているという当初の仮説は妥当であり、更に肺癌発症の分子機構を検討する目的で、現在JSRVエンベロープ細胞内領域に直接結合する分子を同定中である。今後得られる情報は、ENTVエンベロープによる病原性発現機構と比較検討する上でも重要であると考えている。jaagsiekte sheep retrovirus(JSRV)のエンベロープタンパク質は、癌遺伝子産物として機能することにより培養細胞をトランスフォームし、また宿主であるヒツジ個体内で肺癌を誘導する。また、JSRVとアミノ酸レベルで相同性の高いenzooticnasal tumorvirus(ENTV)のエンベロープタンパク質もげっ歯類線維芽細胞株をトランスフォームするが、ヒツジ個体内では鼻腔内腫瘍を誘導する。興味深いことに細胞内領域のアミノ酸配列は両者において保存されていない。したがって、トランスフォーメーションにおけるJSRVとENTVのエンベロープ細胞内領域の比較検討が、最も重要な課題となっていた。本研究では、ラット上皮細胞株RK3Eを用いたトランスフォーメーションアッセイにおいて、MEK、mTOR、Ras、及びRac1に対する特異的阻害剤が、JSRVエンベロープによるトランスフォーメーションと同程度にENTVエンベロープによるトランスフォーメーションも効率よく阻害したことから、どちらのエンベロープもRas-MEK-MAPK路、PI3k-Akt-mTOR経路、及びRac1を活性化して細胞をトランスフォームすることが示唆された。また、p38に対する特異的阻害剤が、JSRVエンベロープによるトランスフォーメーションと同程度にENTVエンベロープによるトランスフォーメーションも増大させたことから、p38経路がトランスフォーメーションを負に制御していることが示唆された。一方、JSRVエンベロープ細胞内領域のチロシン残基Y590変異体は、培養細胞株をトランスフォームする活性を失うことが報告されており、Y590を含めたエンベロープ細胞内領域のトランスフォーメーションにおける重要性が示唆されてきていた。野生型ウイルス、及びY590遺伝子に変異を導入したウイルスゲノムを持つウイルス粒子をそれぞれヒツジに接種した結果、野生型ウイルスでは肺癌が誘導された一方で、Y590変異体ウイルスでの肺癌誘導は観察されなかった。以上の結果から、JSRVエンベロープはY590を含めたその細胞内領域を介して複数のシグナル伝達経路を活性化し、病原性を発現しているという当初の仮説がin vitro、ならびにin vivoにて証明された。

本研究代表者は、これまでに得られた研究成果を、レトロウイルスエンベロープが関与する新しいタイプの発癌メカニズムとして、ウイルス学雑誌の中で最もインパクトファクターが高いReviews in Medical Virology誌にて提唱した(Maeda N et al., Rev. Med. Virol. 2008)。
北米の自然史系博物館等における科学教育の動向に関する調査研究

調査研究の目的に従って、以下にあげた米国内の諸博物館を調査した。モンタナ州ボ-ズマン市ロッキ-博物館コロラド州デンバ-市デンバ-自然史博物館イリノイ州シカゴ市フィ-ルド自然史博物館イリノイ州シカゴ市科学産業博物館マサチュ-セッツ州ボストン市チルドレン博物館カリフォルニア州サンフランシスコ市エクスプラトリウムカリフォルニア州モントレ-市モントレ-ベイ水族館各博物館では、印刷物・教材等の資料を収集するとともに、科学教育の企画や内容、教材の開発等に関して、関係者らと討論、取材を行い、また、科学教育の実施状況や設備の観察・撮影などを行い、記録を作製した。その概要を以下に記すが、全館的に共通する傾向として、ボランテアによる教育活動がたいへん盛んになってきていることがあげられる。また、特に自然史系博物館の最近の発展と充実にめざましいものがある。ロッキ-博物館は数年前までは小規模な地方的総合博物館であったが、ここ数年、恐竜研究の世界的権威J.R.ホ-ナ-博士の活動を中心に拡大の一途をたどり、1989年にはそれまでの約4倍の規模をほこる博物館として生まれかわった。それに伴い、ボランティアの活動は館内の教育活動にとどまらず、化石標本の整理・整形、野外での発掘作業にも拡大し、さらに、野外での発掘作業そのものを科学教育の一環の中に取り込んで教育活動を進めている。これらの活動やホ-ナ-博士らの研究の成果は、国立科学博物館において特別展という形で紹介することになり、我国との共同の教育活動に発展した。デンバ-自然史博物館も、1987年にそれまでの約2倍の規模の増築を行い、従来のどちらかといえば“静"の展示から“動"の展示に改変され、映像(IMAXなど)を大幅に取り入れ近代化をはかっている。ボランティアの活動は活発で、行事によりその数の増減はあるが、最大1300名を数えたことがある。フィ-ルド自然史博物館は研究面での活躍がめざましいが、展示はやや新しさに欠ける面があった。しかし、幼児コ-ナ-の動物の展示物がすべて親子になっている点や、貸し出し標本が充実といてる点などに材料の工夫が見られ、ユニ-クであった。科学産業博物館は科学的な原理や産業に関わる展示を、体験的参加的に学習させるよう工夫されている。石炭鉱山の実物大の復元や高さ5mの拡大心臓模型、人体の実物大薄片などかなり印象の強い材料を使っている。チルドレン博物館とエクスプロラトリウムも、体験的に学習させるために種々の工夫がこらされているが、それは特にチルドレン博物館のモット-「聞いたことは忘れる。見たことは思い出す。試したことは理解する。」に端的に表れているといえる。また、エクスプロラトリウムは展示物の開発、試作、製作を職員の自由な発想で行い、同時に販売・賃貸も行い、自館にとどまらない教育普及活動を積極的に行っている。モントレ-ベイ水族館は、現在の実際の海岸をそのまま展示物の一環に取り入れたり、実際に手でさわらせたりさせており、水族館でも参加型の展示の試みが見られる。

チルドレン博物館とエクスプロラトリウムも、体験的に学習させるために種々の工夫がこらされているが、それは特にチルドレン博物館のモット-「聞いたことは忘れる。見たことは思い出す。試したことは理解する。」に端的に表れているといえる。また、エクスプロラトリウムは展示物の開発、試作、製作を職員の自由な発想で行い、同時に販売・賃貸も行い、自館にとどまらない教育普及活動を積極的に行っている。モントレ-ベイ水族館は、現在の実際の海岸をそのまま展示物の一環に取り入れたり、実際に手でさわらせたりさせており、水族館でも参加型の展示の試みが見られる。
データベースの管理・制御・回復のための分散アルゴリズム

本補助金の2年間の交付期間にわたり,カナダ国よりKameda教授(2回)およびPilarski助教授,さらにロシア国よりKarzanov教授を招へいし,またこちらからは茨木教授(3回),大西助手おび永持助手をカナダ国へ派遣し,データベースの管理・制御・回復のための分散アルゴリズムについて共同研究を行うことができた。得られた主な成果は以下のとおりである。1.分散システムの相互排除メカニズムであるコテリーの研究。まず,コテリーの数学的性質がブール関数の劣双対性と自己双対性に密接に関連していることを明らかにし,ブール関数の理論を用いることにより,コテリーの最適性およびその構成法を見通しよく記述できることを示した。つぎに,この結果を利用して,リング状のネットワークにおいて,構成要素の故障確率を考慮するとき可用性を最大にするコテリーの構造を明らかにし,それらを求める効率良いアルゴリズムを与えた。なお,ブール代数的手法は,意味のあるすべてのコテリーを生成する目的にも有用であることから,その計算複雑さを含めて,研究は継続中である。2.データベースシステムの並行処理制御に関する研究,これまで当研究グループが提案し,研究を進めてきた先読みスケジューラにおいて,より並行性を高める並行処理アルゴリズムを考案し,その理論的性質を明らかにした。なお,先読みスケジューラは分散データベースにおいて最もその特長を生かすことができると考えられるので,現在その可能性を詳しく調べている。すでに提案済の方式に加えて,並行性を高めるための工夫と実用上考慮すべきメカニズム上の制約を加味したアリゴリズムにまとめ上げたい。3.グラフとネットワークの連結性に関する研究,分散システムはグラフあるいはネットワークとして表現されるが,ネットワーク中の通信客量の評価,各要素が故障確率としたときのネットワークの信頼度の評価などにおいて,ネットワークの連結度,あるいはそれと等価な慨念である最小カットの計算が求められる。これまで,連結度の計算には最大フローを求めるアルゴリズムに立脚したアプローチがとられていたが,それらとは全く異なるアイデァを用いて,しかも従来のものより高速なアルゴリズムを与えることに成功した。このアルゴリズムは,実用上もきわめて高速であり,従来のものに優ることが計算実験によってたしかめられている。また,ここに用いられた考え方は,ネットワークの他の性質を調べる目的にも有用であり,その一例としてグラフの3辺連結成分を求める新しいアルゴリズムを得ている。4.非線形最適化に関する研究。分散システムの最適化をはかるとき,その構成要素の非線形性に注目すると,いわゆる非線形計画問題になる。この最適化のためにアルゴリズムについても従来から研究を行ってきたが,本研究の期間中に,より一般的な定式化である変分不等式に対して新しいアルゴリズムを与えた。また,問題がネットワーク構造をもつ場合の非線形最適化についても研究を進め,ニュートン法の改良など,計算実験を含めて有望な成果を得ている。この方面の研究も継続していきたい。以上のように,本共同研究の結果,分散システムに関する一定の成果を得ることができた。その中には,従来にない新しい考え方が含まれているので,幸い国の内外から注目を得ているものもある。たとえば,コテリーのブール代数的理論について,オランダ国エラスムス大学のBioch教授は,それを利用することでコテリーの分辞についての新しい結果を得ており,アメリカ合衆国ラトガース大学のHammer教授のグループは,ブール関数の同定問題に我々の成果をとり入れている。また,ドイツ国ボン大学のFrank教授はグラフの連結度を求める我々のアルゴリズムの数学的性質に興味をもち,その拡張をはかっている。今後,可能ならばこれらの研究者との共同研究へと発展させたいと考えている。

これまで,連結度の計算には最大フローを求めるアルゴリズムに立脚したアプローチがとられていたが,それらとは全く異なるアイデァを用いて,しかも従来のものより高速なアルゴリズムを与えることに成功した。このアルゴリズムは,実用上もきわめて高速であり,従来のものに優ることが計算実験によってたしかめられている。また,ここに用いられた考え方は,ネットワークの他の性質を調べる目的にも有用であり,その一例としてグラフの3辺連結成分を求める新しいアルゴリズムを得ている。4.非線形最適化に関する研究。分散システムの最適化をはかるとき,その構成要素の非線形性に注目すると,いわゆる非線形計画問題になる。この最適化のためにアルゴリズムについても従来から研究を行ってきたが,本研究の期間中に,より一般的な定式化である変分不等式に対して新しいアルゴリズムを与えた。また,問題がネットワーク構造をもつ場合の非線形最適化についても研究を進め,ニュートン法の改良など,計算実験を含めて有望な成果を得ている。この方面の研究も継続していきたい。以上のように,本共同研究の結果,分散システムに関する一定の成果を得ることができた。その中には,従来にない新しい考え方が含まれているので,幸い国の内外から注目を得ているものもある。たとえば,コテリーのブール代数的理論について,オランダ国エラスムス大学のBioch教授は,それを利用することでコテリーの分辞についての新しい結果を得ており,アメリカ合衆国ラトガース大学のHammer教授のグループは,ブール関数の同定問題に我々の成果をとり入れている。また,ドイツ国ボン大学のFrank教授はグラフの連結度を求める我々のアルゴリズムの数学的性質に興味をもち,その拡張をはかっている。今後,可能ならばこれらの研究者との共同研究へと発展させたいと考えている。コンピュ-タをネットワ-ク状に結合し,多様な利用者に供することは,情報化社会を実現するための基本技術として,現在大きな関心を集めている.コンピュ-タネットワ-クを通してのデ-タベ-スの利用は最も重要な応用分野の一つであるといえるが,この実現はデ-タベ-スの管理・制御・回復を分散的に行なってはじめて可能となる.本研究はそのアルゴリズムの確立と開発を目的としている.本年度は,京都大学からは研究代表者の茨木と共同研究者の大西助手がSimon Fraser大学を訪問し,また,Simon Fraser大学からはKameda教授とPilarski助教授を京都大学へ招へいすることができた.この共同研究によって,以下の成果をあげることができた.1.分散ネットワ-クの排他制御の方式の一つにコテリ-(Coterie)に基づくものがあるが,コテリ-のみたすべき数学的条件をブ-ル代数を用いて明確に記述し,その性質を明らかにした.このアプロ-チによれば,種々のコテリ-を統一的に扱うことが可能となり,相互の比較が容易になる。
小児がんにおける地固め療法としてのペプチドワクチン療法の確立

横紋筋肉腫の生存率は概ね改善したものの、PAX3-FOXO1陽性横紋筋肉腫の予後は不良である。我々は新規治療として免疫療法に着目し、検討を行った。本検討により、横紋筋肉腫特異的融合遺伝子であるPAX3-FOXO1はPD-L1の発現を亢進させ、抗腫瘍免疫に対し抑制的に働くことが示唆された。PAX3-FOXO1陽性横紋筋肉腫は、PD-L1を介してCD8陽性T細胞を抑制することにより、腫瘍免疫から逃避している可能性が示唆された。PD-L1を介した免疫逃避を抑制し、抗腫瘍免疫を高めるPD-1経路阻害薬はPAX3-FOXO1陽性横紋筋肉腫の新規治療法となり得ると考えられた。小児がんの予後は手術療法、放射線療法、化学療法の集学的治療により改善を認めるが、依然として予後不良な一群が存在する。これらの治療のさらなる強化は治療関連毒性のために不可能であり、予後の改善のために革新的な異なる機序で作用する治療法の導入が必要である。近年、免疫療法は作用機序の異なる「fourth modality of cancer treatment第四のがん治療」として、成人がんを中心に実用化へ向け臨床試験が行われている。一方で、小児がんにおいては免疫療法の基礎検討、臨床試験は未だ少ない。我々は、本課題において、小児がんに発現する免疫療法の標的となる抗原を同定し、preclinicalモデルで、小児がんに対する抗腫瘍効果の証明を行い、これらの基礎検討を基盤に免疫療法を小児がんにおいて臨床応用することを最終目標としている。小児がん細胞株と免疫細胞の共培養の系を確立し、小児がんにおける腫瘍免疫の調整に関わる免疫分子についての検討を行った。横紋筋肉腫細胞株特異的に発現する融合遺伝子の発現を低下させた際に、腫瘍免疫に対して抑制的に働く免疫調整分子の一つは、発現の低下を認め、共培養したリンパ球の増殖能の亢進を認めた。これらの結果は、小児がんに特異的に発現し、腫瘍の発生や増殖を促進する融合遺伝子が腫瘍免疫に関与することを示唆するものである。小児がんにおける腫瘍免疫の臨床応用に向けて、さらに検討を進める。転移性横紋筋肉腫の中でも予後不良なPAX3-FOXO1陽性横紋筋肉腫の細胞株Rh30を用いた検討で、PAX3-FOXO1ノックダウンにより、腫瘍表面のPD-L1発現が低下し、単核球との共培養の系ではCD8陽性T細胞の分裂能は亢進した。これらの結果より、PAX3-FOXO1はPD-L1の発現を亢進させ、抗腫瘍免疫に対して抑制的に働くことが明らかになった。PD-1抗体は、PD-1とPD-L1の相互作用を阻害し、抗腫瘍免疫を増強させ、抗腫瘍効果を示し、PD-L1が高発現している腫瘍に対して有効であることが報告されている。PAX3-FOXO1陽性横紋筋肉腫ではPD-L1発現が高く、PD-1抗体が有効である可能性が示唆された。免疫療法の効果を高めるバイオマーカーの同定について、免疫チェックポイント阻害剤の臨床応用を視野に研究が順調に進んでいる。小児がんにおける新規がん抗原ペプチドの同定は進んでおらず、やや遅れている、とした。一方で、小児がんにおいては免疫療法の基礎検討は未だ少ない。我々は、小児がんにおいて、腫瘍免疫の調節に関わる因子を同定し、がんペプチドワクチン療法などの免疫療法の効果を高めるために必要なバイオマーカーを同定するための検討を行った。本検討では、腫瘍免疫逃避に関わるPD-L1分子に着目し、PAX3-FOXO1陽性横紋筋肉腫細胞株の内、PD-L1発現の高いRh30細胞株、RM2細胞株におけるPD-L1発現とPAX3-FOXO1融合遺伝子との関連の検証を行った。上記の二細胞株に対するPAX3-FOXO1ノックダウンにより、IFN-γによるPD-L1発現誘導は低下した。したがって、PAX3-FOXO1は、IFN-γによるPD-L1発現誘導を亢進させていることが推測される。PD-L1を介した免疫逃避を抑制し、抗腫瘍免疫を高めるPD-

1経路阻害薬は、PAX3-FOXO1陽性横紋筋肉腫において、予後の改善をもたらす新規治療法となり、がんペプチドワクチン療法の効果を強化する可能性が示唆された。横紋筋肉腫の生存率は概ね改善したものの、PAX3-FOXO1陽性横紋筋肉腫の予後は不良である。我々は新規治療として免疫療法に着目し、検討を行った。本検討により、横紋筋肉腫特異的融合遺伝子であるPAX3-FOXO1はPD-L1の発現を亢進させ、抗腫瘍免疫に対し抑制的に働くことが示唆された。PAX3-FOXO1陽性横紋筋肉腫は、PD-L1を介してCD8陽性T細胞を抑制することにより、腫瘍免疫から逃避している可能性が示唆された。PD-L1を介した免疫逃避を抑制し、抗腫瘍免疫を高めるPD-1経路阻害薬はPAX3-FOXO1陽性横紋筋肉腫の新規治療法となり得ると考えられた。免疫療法の効果を高めるバイオマーカーに着目した検討が順調に進展している。1.免疫療法の効果を高めるバイオマーカーの同定小児がんにおいてもPD-L1による腫瘍免疫逃避が働いていることが示唆され、免疫チェックポイント阻害剤の臨床応用を視野に入れた検討を進める。2.小児がんにおけるがん抗原ペプチドの同定樹状細胞とCD8陽性リンパ球の共培養により、抗原特異的CD8陽性リンパ球を培養する系を確立させ、融合遺伝子特異的がん抗原ペプチドの同定を目指す。3.小児がんpreclinicalモデルでの免疫療法による抗腫瘍効果の証明単核球と小児がん細胞株の共培養系が確立しており、この系を用いて検討を進める。小児がんにおける免疫療法による抗腫瘍効果について検討を進める。小児腫瘍学1.免疫療法の効果を高めるバイオマーカーの同定小児がんのマウスモデルを用いて、腫瘍免疫の調節に関わる因子を同定し、免疫療法の効果を高めるために必要なバイオマーカーを同定する。2.小児がんにおけるがん抗原ペプチドの同定小児がん融合遺伝子特異的がん抗原ペプチドの同定を行う。また、これまでに同定されているがん抗原について、免疫染色にて小児がん細胞株や臨床検体を用いて、発現を確認する。3.小児がんpreclinicalモデルでの免疫療法による抗腫瘍効果の証明がん抗原を表出した細胞株のマウスxenograft modelを用いて、がん抗原と共培養を行い刺激したリンパ球を尾静注し、抗腫瘍効果を検証する。
密度汎関数法に基づく大規模分子の励起状態分子動力学理論の開発

本研究の目的は、時間依存密度汎関数法(TDDFT)にもとづく大規模分子励起状態の分子動力学(MD)計算法を開発することにある。この目的に従い、本年度はTDDFTに対する補正法およびMDプログラムを開発した。1.TDDFTは、分子の励起エネルギーを精密に再現する高速かつ簡便な方法として、現在広く利用されているが、Rydberg励起エネルギー、振動子強度、および電荷移動励起エネルギーを過小評価するという問題を抱えてきた。本研究では、この問題が交換汎関数の長距離相互作用の欠如に起因していると考え、すでに開発済みの交換汎関数に対する長距離補正(LC)法をTDDFTに適用した。まず、典型的分子の励起エネルギー計算を行なった結果、LC法で補正したTDDFTは、1eV以下の平均絶対誤差の精密なRydberg励起エネルギーを与え、補正前の2から3eVの誤差をもつ結果から明確に改善することが分かった。また、その際、valence励起エネルギーの精度はほとんど損なわなかった。続いて、同じ分子の励起状態について振動子強度の計算を行なった結果、補正前に1,2桁過小評価していた振動子強度を同桁まで劇的に改善することが分かった。最後に、LC-BOPをエチレン-テトラフルオロエチレン二量体の電荷移動励起エネルギー計算に適用した。Dreuwらは、TDDFTによる電荷移動励起エネルギーが、長距離分子間において正しい漸近的振る舞いを与えることの重要性を指摘し、現在まで正しい振る舞いを与える汎関数が存在しないことを重大な問題とした。計算の結果、LC法は長距離分子間の電荷移動励起の振る舞いを完全に正しく与えることが分かった。高精度ab initio SAC-CI法の振る舞いと比較しても、ほぼ完全な一致が見られた。さらに、分子間距離∞での電荷移動励起エネルギーの実験結果は12.5eVであるが、LC法で補正すると12.49eVと完全に再現することが分かった。以上より、従来のTDDFTの問題は、交換汎関数が長距離軌道間相互作用を十分に取り込んでいないためと結論づけられる。2.TDDFTにもとづく励起状態MD計算プログラムの開発を引き続き行なっている。ベースとなる時間依存Hartree-Fock(TDHF)法にもとづく励起状態MD計算プログラムは、まもなく完成する予定である。現在、平行して、TDDFTへの拡張に必要な、汎関数の3次微分計算プログラムを作成中であり、TDHF法計算プログラムが完成し次第、TDDFT計算プログラム作成に取り掛かる予定である。本研究の目的は、密度汎関数法(DFT)による大規模分子の高精度計算法を開発し、それをもとに、励起状態分子動力学計算法を構築することにある。この目的に従い、本年度の研究を以下のように遂行した。1.時間依存Kohn-Sham(TDKS)法は、結合性励起エネルギーを驚くほど高精度に再現するが、Rydberg励起エネルギーを過小評価する傾向がある。DFT汎関数が自己相互作用誤差を含んでいることが主要な原因とされてきた。この問題を解決するため、本研究者は本年度、領域的自己相互作用補正法を開発した。この方法は、分子内において電子間相互作用を自己相互作用が支配する領域を見つけ出し、その領域の交換ポテンシャルを原子軌道の自己相互作用ポテンシャルで置換して補正を行なう斬新な方法である。この補正法を自己相互作用誤差が原因とされる化学反応障壁過小評価の問題へ適用し、過小評価を大幅に改善することができた。さらに、この方法をRydberg励起エネルギー過小評価の問題へ適用した。その結果、過小評価は改善したが十分とは言えず、別の問題も関わっていることが示唆された。2.TDKS法にもとづく電子励起状態の分子動力学(MD)計算プログラムの開発を現在行なっている。最近、TDKS法にもとづくMD計算についての論文が発表された。本研究者らは、現在までに開発してきたTDKS法計算プログラムを利用し、この方法の計算プログラム開発を行なっている。また、大規模分子を取り扱うためには、TDKS法計算自体の高速化も必要である。本研究者らは、電子励起状態の中から特定の状感に関連する分子軌道のみを考慮することによる高速TDKS法の開発にも現在取り組んでいる。

Dreuwらは、TDDFTによる電荷移動励起エネルギーが、長距離分子間において正しい漸近的振る舞いを与えることの重要性を指摘し、現在まで正しい振る舞いを与える汎関数が存在しないことを重大な問題とした。計算の結果、LC法は長距離分子間の電荷移動励起の振る舞いを完全に正しく与えることが分かった。高精度ab initio SAC-CI法の振る舞いと比較しても、ほぼ完全な一致が見られた。さらに、分子間距離∞での電荷移動励起エネルギーの実験結果は12.5eVであるが、LC法で補正すると12.49eVと完全に再現することが分かった。以上より、従来のTDDFTの問題は、交換汎関数が長距離軌道間相互作用を十分に取り込んでいないためと結論づけられる。2.TDDFTにもとづく励起状態MD計算プログラムの開発を引き続き行なっている。ベースとなる時間依存Hartree-Fock(TDHF)法にもとづく励起状態MD計算プログラムは、まもなく完成する予定である。現在、平行して、TDDFTへの拡張に必要な、汎関数の3次微分計算プログラムを作成中であり、TDHF法計算プログラムが完成し次第、TDDFT計算プログラム作成に取り掛かる予定である。