hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
免疫クロマト法を用い唾液を検体とする抗BP180抗体の迅速検査法の確立

水疱性類天疱瘡は、全身に表皮下水疱が多発する高齢者に後発する皮膚疾患である。本症では、抗基底膜に対する自己抗体が存在するため、自己免疫性水疱症と理解されている。現在行われている、血清を用いた蛍光抗体法やELISA法は時間がかかることが問題となっている。そこで、我々は、簡便で迅速な検査の確立を試みた。今回の研究で、我々は抗体の検出検査において、唾液の有用性を蛍光抗体法とELISA法を用いて確認した。さらに、BP180のいろいろなリコンビナント蛋白を作成し、それを用いたELISA法を作成した。さらに、それらの蛋白を用いて免疫クロマト法も作成した。水疱性類天疱瘡は全身に表皮下水疱が多発する、最も頻度が高い自己免疫性水疱症であり、高齢者に好発する。高齢化社会を向かえ、皮膚科診療においても、高齢者に好発する疾患が増加し、他科入院中の患者や在宅のねたきりの患者に、水疱性類天疱瘡を目にする機会も多い。本症患者の血清中には,皮膚の基底膜を認識する抗基底膜抗体が存在する。その自己抗体が認識する自己抗原として、BP230とBP180の類天疱瘡抗原が同定されたが、その後の研究から、病態形成に関与している自己抗原は、BP180と考えられている。水疱性類天疱瘡の診断はCLEIA法による抗BP180抗体検出が容易であるが、外注であるため時間がかかり、より簡便にベットサイドで迅速に本症を診断できる画期的な検査法の開発が望まれている。本研究は、簡便で短時間で結果の出る免疫クロマト法を用い、かつ簡単に採取できる唾液を検体として、画期的な抗BP180抗体検出法の確立を目指している。本年度は、抗原蛋白としてBP180のNC16Aドメイン、BP180の細胞外ドメイン、BP180の全長の合成を行った。NC16Aドメインは大腸菌を使い、細胞外ドメインは昆虫細胞を使い、また全長は人の細胞を用いて行った。また、全長は、北大の西江らがこれをもちいたELISAを構築しているので、比較検討をおこなうように、当科の患者血清を北大に送った。以上研究は順調に経過している。高齢化社会を迎え、皮膚科診療においても、高齢者に好発する疾患が増加し、他科入院中の患者や在宅のねたきりの患者に、水疱性類天疱瘡を目にする機会も多い。申請者は、30年に渡り本症の研究を継続し、本症の診断法や治療法の進歩に貢献してきた。本症の診断は、病理検査による表皮下水疱、蛍光抗体法による抗基底膜抗体の検出、血中にあるBP180に対する自己抗体の検出で可能であるが、実際の臨床の場では、CLEIA法(近年ELISA法から変更)による抗BP180抗体検出が容易である。しかし、この検査でも外注検査であるため、少なくとも2-4日を要する。また、在宅患者の場合、診察は通常2週間ごとに行うので、水疱性類天疱瘡の結果がきて、内服治療を始められるのは、2週間後であり、患者本人はもとより、介護による水疱のガーゼ交換などの処置も大変である。そこで、より簡便に、ベットサイドで、迅速に、本症を診断する画期的な検査法の開発が臨床の場から望まれている。来年度は、それらの合成蛋白を用いて、ELISAを作成し合成蛋白の抗原性のチェックを行う。また、その後、イムノクロマトグラフィーを作成し、検討比較を行う。また、実際のベットサイドでも使用できるか検討する。また、もし、時間があるようであれば、BP230の抗原についてもELISAやイムノクロマトグラフィーを同様に作成し、臨床の場での検討を考えている。皮膚科学予定額よりも消耗品費が安価に購入できたため。次年度の消耗品費に充てる。
疾患マーカーとしての毛根・毛髪中microRNAの検討

臨床的に有用な診断/治療マーカーがいまだ見いだされていない疾患において毛根・毛髪microRNA濃度を測定し、正常対照群との比較や臨床症状との相関の検討を行い、毛根・毛髪microRNAが各疾患のマーカーとなりうるかどうかを検討した。皮膚筋炎や乾癬において有意に上昇を認め、疾患のバイオマーカーとして利用できる可能性が示唆された。臨床的に有用な診断/治療マーカーがいまだ見いだされていない疾患が皮膚科/形成外科領域においても数多く存在するが、それぞれの疾患で特異的に増減しているmicroRNAに注目しその機能解析を行う計画である。臨床的に有用な診断/治療マーカーがいまだ見いだされていない疾患が皮膚科/形成外科領域においても数多く存在する。毛根・毛髪は非侵襲かつ簡便に採取できるという点で血液や生検材料等と比較しても有用である。さらにそれぞれの疾患で特異的に増減しているmicroRNAに注目しその機能解析を行うのが今回の計画である。今回我々はmicroRNAがエキソソームにより保護されて細胞外で安定に存在しているのであれば、毛根、あるいは細胞成分がほとんど存在しない毛髪にもmicroRNAが存在し、その発現量がなんらかの疾患マーカーになるのではないかと仮説を立てた。毛髪中にmicroRNAが存在する事はすでに確認されており(Lefkowitz GK, et al. Plos one 2011)、我々もまた毛髪を溶かす事でmicroRNAを抽出することができ、また血清・毛根および毛髪中のmicroRNA量はそれぞれ相関せず、独立した新しい疾患マーカーとなりうる事を報告している(Wang Z, et al. J Dermatol Sci 2013)。そこで本研究計画において、我々は毛根・毛髪中のmicroRNAが様々な皮膚疾患のマーカーになる可能性を確かめたい。本年度、皮膚筋炎と健常者において毛髪microRNA濃度を測定し、正常対照群との比較検討を行い、毛髪microRNAが疾患のマーカーとなりうるかどうかを検討した。そこでそのような疾患において毛根・毛髪microRNA濃度を測定し、正常対照群との比較や臨床症状との相関の検討を行い、毛根・毛髪microRNAが各疾患のマーカーとなりうるかどうかを検討した。我々は血液および血清が患者サンプルの中で最も取得しやすい検体である事を考慮し、血清中のmicroRNA濃度が様々な皮膚疾患の診断あるいは病勢マーカーとなる可能性を検討している(図1)。microRNAは細胞外でもエキソソームと呼ばれる膜の構造体に包まれRNAaseから保護されているため血清中に微量ながら安定して存在しており、それらを抽出・精製し測定する事で悪性腫瘍をはじめとする様々な疾患において有用な腫瘍マーカーとなることがすでに示されている(Zhu W, et al. BMC Research Note 2009)。我々はこれまで皮膚科領域において強皮症患者の血清miR-92a濃度や乾癬患者のmiR-1266濃度が臨床的に有用なマーカーとなりうる事を報告した。正常人由来の少数の毛根・毛髪サンプルから様々な市販のキットを用いてtotal microRNAを抽出し、これまで報告されている方法と抽出率などを比較してもっとも効率の良い抽出方法を検討した。皮膚筋炎の毛髪におけるmicroRNA-214(hsa-miR-214)の有意な上昇を確認し、疾患のバイオマーカーとしての有用性の可能性を見出した。毛根および毛髪から効率的にmicroRNAを抽出する手法を開発している段階であり、当初の予定から遅れている。他の疾患について検討を加え、疾患のバイオマーカーとしての有用性を評価する。形成外科学・悪性腫瘍の患者および膠原病患者や炎症性皮膚疾患患者の毛根および毛髪における様々なmicroRNAの発現を正常対照群や他の疾患群と比較し、疾患マーカーとしての有用性を評価する・さらに各疾患で特異的に増減しているmicroRNAに注目しその機能解析を行う。
鉄の超高圧高温下における構造及び物性の計算機シミュレーション

地球内核の主成分は六方最密構造のE-Feであると考えられているが、内核の温度圧力条件が実験室で再現可能な範井をはるかに越えているので、その構造、物性の詳細については数多くの未解決な問題が存在する。本年度に得られた研究実績は下記のとおりである。1.前年度に求められたE-Feについてのポテンシャルを一層精密化することに成功した。得られたポテンシャルを用いた分子動力学計算が、実測のE-Feの静水圧縮データと高圧下での熱膨張データの両者を極めて高精度で再現することを確認した。2.精密化されたポテンシャルを用いて、昨年度に行った密度と弾性率のシミュレーションに加えて、剛性率をも求めた。その結果、密度と剛性率の両者共、地震波からのデータPREMと比ベて若干大きな値を与え、一方弾性率については、ほぼPREMと同性度であることが見出された。これらは、昨年度に得られた「地球内核に、鉄の他に若干量の軽元素存在の可能性がある」との結論を再確認するものである。3.昨年度に見いだされた、内核の温度圧力条件下における、鉄の六方最密構造から体心立方構造への相転移の可能性について、シミュレーションを用いて徹底的な検討を加えた。その結果、この転移が用いたポテンシャルモデルと昇温方法の詳細に依存することが明らかになった。なお、今年度に求められた精密なポテンシャルを用いたシミュレーションによれば、地球内核の可能なあらゆる温度圧力条件でE-Feが安定に存在することが確認された。4.面心立方構造のα-Feについても、シミュレーションを行い、得られた結果をE-Feによるものと比較検討した。
がん悪性形質獲得に関係するエピジェネティック制御因子の探索

これまでエピジェネティック制御異常が、乳がんの進展・予後・薬剤耐性などと密接に関わることが示唆されてきた。最近、エピジェネティック制御因子が、遺伝子異常によって誘導される病変に直接作用する例が報告されつつある。しかし、腫瘍悪性化におけるエピジェネティック異常と遺伝子異常の関係は、意外なほど理解されていない。本研究では、“目的特化型CRISPR/Cas9スクリーニング法"によって、乳がん細胞内でがん悪性形質を増悪させるエピジェネティック制御因子を同定する。そして、これら因子と遺伝子異常の関係性を紐解き、エピジェネティック制御の可塑性を標的とする、がん悪性進展の新しい治療戦略の開発を目指す。
植物系有機資源の化学修飾による機能開発

1.単糖,オリゴ糖類(天然低分子)の化学修飾による生理活性機能の発現三輪はイリド配糖類の合成的研究,糖誘導体を利用したケタールの不斉アルキル化反応,糖誘導体を原料とする不飽和ケタールの合成研究を行い,また小林はジフルオロ酢酸誘導体の炭素鎖伸長反応,ブロモジフルオロメチルアセチレン誘導体のレフォマトスキー反応などの研究を行ない,それぞれ成果をあげた.石戸は2'-デオキシリボヌクレオシド類の高選択的5'-0-アシル化,オリゴヌクレオチド類の化学合成に関する研究を,さらに高野はキラルC2対称資源を原料とする,また北川は糖類を素材とする生理活性物質の合成について積極的な研究を展開した.2.セルロース(天然高分子)の高度化学修飾による機能性材料の開発飯島はセルロースに酸性基を導入して成膜し,イオン透過性に基する理論的展開を行なった.宮本はセルロース誘導体間で形成されるポリイオン錯体が優れた血液適合性を示すことから,人工透析膜への固定化の可能性について検討し,またポリアミノ酸との新規なグラフト共重合体を種々合成し,その分子構造と生体適合性および細胞親和性との関係を検討した.石川はセルロース誘導体をペルフルオロアルキル基の導入により高度に機能化することを目指し,エチルセルロースの残存ヒドロキシル基に種々のペルフルオロアシル化を行い,熱化学的に安定で,低エネルギー表面性を持ち,かつ気体透過性のよい分離膜への応用を検討した.3.ヘテロアロマチックカチオンを基盤とするヘテロ環の化学修飾秋葉はアザアロマチックスを四級化により活性化し,求核試剤と反応させて官能基を位置選択的に導入する方法を開発しつつあり, 4-シロキシベンゾピリリウム塩および2-シロキシピリリウム塩の生成とこれらの反応について研究を行った.1.単糖,オリゴ糖類(天然低分子)の化学修飾による生理活性機能の発現三輪はイリド配糖類の合成的研究,糖誘導体を利用したケタールの不斉アルキル化反応,糖誘導体を原料とする不飽和ケタールの合成研究を行い,また小林はジフルオロ酢酸誘導体の炭素鎖伸長反応,ブロモジフルオロメチルアセチレン誘導体のレフォマトスキー反応などの研究を行ない,それぞれ成果をあげた.石戸は2'-デオキシリボヌクレオシド類の高選択的5'-0-アシル化,オリゴヌクレオチド類の化学合成に関する研究を,さらに高野はキラルC2対称資源を原料とする,また北川は糖類を素材とする生理活性物質の合成について積極的な研究を展開した.2.セルロース(天然高分子)の高度化学修飾による機能性材料の開発飯島はセルロースに酸性基を導入して成膜し,イオン透過性に基する理論的展開を行なった.宮本はセルロース誘導体間で形成されるポリイオン錯体が優れた血液適合性を示すことから,人工透析膜への固定化の可能性について検討し,またポリアミノ酸との新規なグラフト共重合体を種々合成し,その分子構造と生体適合性および細胞親和性との関係を検討した.石川はセルロース誘導体をペルフルオロアルキル基の導入により高度に機能化することを目指し,エチルセルロースの残存ヒドロキシル基に種々のペルフルオロアシル化を行い,熱化学的に安定で,低エネルギー表面性を持ち,かつ気体透過性のよい分離膜への応用を検討した.3.ヘテロアロマチックカチオンを基盤とするヘテロ環の化学修飾秋葉はアザアロマチックスを四級化により活性化し,求核試剤と反応させて官能基を位置選択的に導入する方法を開発しつつあり, 4-シロキシベンゾピリリウム塩および2-シロキシピリリウム塩の生成とこれらの反応について研究を行った.
脳内の外界ベクトルによる動作制御の研究

回転中に頭部を傾斜すると、裸眼では影響されないが、遮眼では奇妙な感覚と揺らぎ、眼振が起こる。この違いは脳内に外界のベクトルを想定すると、単純な原理で説明可能である。今回の研究では、a)裸眼と遮眼の違いが速い回転で成立するか、b)連日刺激を反復するとどこまで適応するか、c)裸眼と遮眼で訓練効果に違いがあるか、d)コリオリ刺激の適応はベクトル理論で説明可能か、を調べた。平成11年度は、コンピュータ駆動の回転椅子を回転起立台に改造した。平成12年度は、コリオリ刺激下(頭部の前屈と直立)の起立成功率を回転速度を変えて調べた。50度/秒の回転では裸眼と遮眼で有意差(89.5%/57.9%)が見られたが、70度/秒以上では有意差が消失し、90度/秒以上では急速に低下した。平成13年度は、連日のコリオリ刺激反復が起立上限速度に及ぼす影響、視覚の有無が訓練効果に及ぼす影響、さらに訓練による獲得機能の性質を調べた。20分間の刺激を9日間反復することにより、半数以上の被験者が視覚の有無と無関係に、200度/秒で起立可能となった。訓練終了後に回転方向を逆転すると、初日の成績にまで低下した。一方、頭部の側方傾斜刺激では訓練効果が維持されていた。以上をまとめると次の結論が得られる。a)コリオリ刺激に対し短時間、短期間で姿勢は適応する。b)起立上限速度は200度/秒をはるかに上回る。c)視覚は訓練効果に影響しない。d)コリオリ刺激への空間識の適応は、reference frameが静止空間から回転空間に移行することでベクトル理論で説明可能である。1)実験装置の整備:所属施設が変更したため(山口大学から東海大学ヘ)、補助金を用いて、回転椅子を改造し本格的な回転起立台を作成した。同時に起立台に重心動揺計を固定し、スリップリングで介して記録情報をモニター記録できるシステムを作り上げた。2)ベクトル理論構築:器械製作と平行して、山口大学で行ったコリオリ実験結果を元に精緻な理論としてまとめた。内容は、外界空間を脳内の相対的なベクトルとして仮定すると、その時観察される眼球運動、姿勢、感覚は全てこのベクトルの画一的な表現とみなすことができる、というものである。Aviation Space&Environmental Medicineに投稿し、全く修正を受けずに優秀論文として受理された。3)今後の計画:現在、回転起立台を用いて、種々の刺激条件で、起立姿勢の変化を調べ、ベクトルリ理論の予測値と観察結果を比較している。理論が極めて単純なため、普遍性が高く、今後、中枢の知覚と動作の関わり、前庭神経核と小脳の機能的分担、中枢における座標変換システム、ベクトル再現に占める耳石の役割など、研究のツールとしての応用や発展が期待できる。[目的]低速回転のコリオリ刺激は、遮眼で受動感覚、奇妙な眼振、重心の移動を生む。しかし、裸眼ではこれらは観察されず姿勢も安定している。この違いは、脳内に外界ベクトルを想定することで単純に説明可能である。今回は、高速回転でこの原理が成立するか否かを調べた。[方法と対象]実験には回転起立台(永島医科)を用いた。起立台中央に重心動揺計を設置し、その上に被験者は足縁を3cm離して起立した。前胸部で腕を組み、頭部前方に傾斜角度計を取り付けた。回転は右回転とし50°/sから20°/s間隔で150°/sまでの回転刺激を与えた。回転開始

120秒後に前屈し、90秒後に直立頭位に戻し、90秒その姿勢を保った。遮眼と裸眼で10名の健康成人と1名の両側前庭機能消失者を対象に実験した。足位の移動や踏み変えのある場合は起立不成功と判定した。[結果]50°/sの裸眼と遮眼の起立成功率(起立成功例数/10×100)は94.7%、57.9%であった。遮眼裸眼いずれも、回転速度の増加と共に起立成功率は急速に低下し、110°/s以上ではほぼ全員が不成功であった。1名の両側前庭機能消失者はコリオリ刺激の影響を受けず、遮眼の110°/sでも起立可能であった。[考察と結論]低速の受動回転では、視覚から脳内に再現された外界空間は、コリオリ刺激中の前庭器からの慣性入力とベクトル合成し、外界を再現し続ける。このため、裸眼では受動感覚や揺らぎは生まれない。しかし、高速移動では視覚から外界を再現できないので、裸眼においても相対的に慣性入力が過大となり、低速の遮眼と同様の現象が生まれる。前庭器機能を失うと、慣性入力が投影されないので、揺らぎがないのは当然である。今回の結果より、高速の能動移動で揺らがないのは、固有覚からの身体移動情報(小脳)が空間情報(脳幹)を修正するためと考えられた。コリオリ刺激の反復が起立姿勢に与える影響を調べるために、以下の実験を行った。回転椅子を改造した回転起立台を用い、健康な若年被験者20名を10名ずつ裸眼と閉眼の2群に分けた。第1日には50度/秒の回転から20度/秒毎に速度を上げてゆき、コリオリ刺激(頭部の前屈と直立)で起立可能な速度の上限を求めた。その後、起立上限速度で20分間のコリオリ刺激を与え、第2日からは前日よりも20度/秒速い速度で同様に刺激を反復した。右回転で起立上限速度が200度/秒に達するまで、最長9日間のトレーニングを実施した。第10日には他群の視覚条件で、第11日には左回転で、それぞれ起立上限速度を調べた。起立上限速度の平均は、第1日の裸眼群と閉眼群でそれぞれ84度/秒と57度/秒、最終の第9日で193度/秒と186度/秒であった。トレーニング早期の3日間を除き、両郡に有意の差はなかった。裸眼でトレーニングした群は閉眼で有意の低下が見られたが、閉眼でトレーニングした群は裸眼で変化が見られなかった。回転方向を逆転した条件では、両群共にトレーニング前の起立上限速度の値を示した。一方、早期に200度/秒に達した8名で行った側方傾斜の刺激(方向の異なるコリオリ刺激)では、トレーニング効果が維持され、高い起立上限速度が観察された。以上の結果から、コリオリ刺激に対する起立向上は、特定方向の揺らぎの減少によるのではなく、空間識のreference frameが回転空間に移行した結果と解釈される。また、この適応過程には外界視覚情報が無関係であることが結論された。宇宙空間でステーションを回転させる人工重力の環境においても、極めて短期間に空間識が適応することを示唆している。
機械学習とMASを活用したAIによるオーダーメイド型地域農業動向予測モデルの構築

本研究では、地域農業における将来的な農業経営体数や農地利用状況の変化を予測できるような地域農業動向予測モデルを開発することを目的としている。本年度は、機械学習(AI)とマイクロシミュレーションを利用した農業経営体数予測モデルを開発した。モデルでは、まず、農林業センサスのデータをもとに、営農継続あるいは離農する農業経営体の特徴を学習した機械学習モデルを構築する。次に、モデルによって、個々の農業経営体の将来的な離農(営農継続)確率を予測する。最後に、マイクロシミュレーションの手法により、それら個々の農業経営体の予測結果を積み上げ、地域全体の将来的な農業経営体数や、離農に伴う供給農地面積を推計する。本モデルを用いることで、市町村単位の予測においても精度が高い推計結果が得られることが確認できた。また、推計精度は、地域農業の条件が異なる各市町村において大きな相違がみられなかった。このことから、機械学習の手法を活用することで、データを基に各地域それぞれの離農の特徴を学習したオーダーメイドなモデルの構築が可能であることが示唆された。また、本モデルは、個々の農業経営体の離農リスクの把握や、農業経営体の任意の属性別(例えば、販売金額が1位の部門別)での地域の農業経営体数の予測にも有効であることが分かった。この研究の成果は、市町村行政が地域の将来ビジョンを策定する場合や、担い手農業経営体が規模拡大における戦略を立案する際に活用できると考えられる。本年度は、地域農業動向予測のために必要となる一つ目のモデルとして、農業経営体数予測モデルの開発を順調に進めることができた。概ね良好な予測精度が得られるモデルが開発できたため、今後進める予定である予測結果を提供するシステムの開発に向けた道筋を立てることができた。また来年度以降の農地利用状況予測モデルの開発に必要な手法に関する知見も蓄積することができた。今後は、農業経営体数予測モデルの社会実装に向けてシステムを開発し、予測結果やモデルを提供していくとともに、システムの利用者の意見やニーズを把握しながら、モデルやシステムの改良を進めていきたいと考えている。また、次の段階として、耕作放棄地の発生等を予測する農地利用状況予測モデルの開発にも着手する。モデル構築にあたり、どのようなデータを収集し活用するか、どのような手法を適用するかを慎重に検討したうえで進めていく予定である。年度途中に、所属研究機関内での配置換があったため、当初の予算執行計画が進まなかったが、次年度において、今後の研究を進めるうえで必要となるデータならびにソフトウェアの購入費用や、調査や学会参加のための旅費として活用する予定である。
動的有限要素解析と口腔機能情報を融合した補綴装置の設計最適化システムの構築と活用

補綴装置装着後の長期予後の多くは一定の術式を行った患者群の経過観察から得られる、補綴装置の生存率、破折原因などを調査する臨床研究により検討されている。しかし実際の日常臨床においては、それらのデータが個々の患者に必ずしも適応するとは限らない。口腔内で長期間、機能を維持できる補綴装置の設計・製作を可能とするため、本研究では工学的手法を用いて患者個々の機能的・形態的データ(歯列・歯槽骨・顎関節形態、骨密度、咬合接触、咬合力、下顎運動)を組み込んだ動的有限要素解析による構造力学的シミュレーションを応用した補綴装置の設計最適化システムを構築し、臨床へ応用することを目的とする。平成30年度は、生体組織を高精細に再現した動的有限要素解析モデルの生成を行うため、まず本研究の基盤となるデータ入力として、歯・歯列形態を取得する方法である三次元形状計測の精度検証を行った。三次元形状計測装置の製品の正確度および精度を定量的に評価した結果、動的有限要素解析を行うための咬合面や歯列形態の取得には十分な精度を有することが明らかとなった。CT画像データから生成した顎骨や顎関節形態を再現した三次元モデルに対して三次元形状計測した歯列のデータを統合することにより、顎骨部分と歯列部分を正確に再現したモデルを製作可能とした。生体組織として患者の歯・歯列形態に加え、骨・顎関節形態や骨密度、歯周組織や筋肉、歯髄や歯根膜を再現した高精細三次元有限要素モデルを生成した。初年度では動的有限要素解析モデルを生成するための精度検証として、三次元形状計測装置から得られる歯列形態データの正確度と精度について明らかとした。また、CT画像データから皮質骨や海綿骨、顎骨や支台歯の形態を三次元再構築することで仮想空間上にモデル化し、動的有限要素解析モデルを生成することにも成功しているため順調に進展していると考える。今後も計画通り、歯列形態と咬合力・下顎運動データの統合の自動化を行うため、プログラム開発環境を用いたデータ統合ソフトウェアの開発と、6自由度下顎運動測定装置を用いて計測した顎運動と歯列形態の座標系の統合を進めていく予定である。当初購入を予定していた物品の価格変動に加え、学内の物品にて代替可能な研究を行ったため、次年度使用が生じた。次年度では、歯列形態と咬合力・下顎運動データの統合の自動化を行うため、感圧シートや咬合採得用材料等の実験材料や解析に必要なソフトウェアに使用する計画である。
NMDはAluのゲノム内蓄積による遺伝子破壊に対する防御機構か

我々は、ナンセンス変異依存mRNA分解機構(nonsense mediated decay;NMD)の生理的な働きの一つとして、選択的スプライシングによりエクソン化されたAlu配列をはじめとする分散型高頻度反復配列を含むmRNAを認識、破壊することにより、これら反復配列が蛋白のアミノ酸配列に入り込むことを防いでいるのではないか、との仮説を立てた。本研究では、薬理学的手法およびRNA干渉を用いて、NMDを特異的に抑制したヒト細胞株を用いて、その細胞の転写産物の解析を行うことにより、NMDがAlu配列を含むスプライシング変異体mRNA(ASV)の除去に必須であるかを検証することを目的とする。本研究の結果、Alu配列を含むスプライシング変異体mRNAの発現は定常的に低く抑制されていること、そしてその抑制効果の一部はNMDの作用であるを示す所見が得られた。その一方で、すべてのASVにその抑制効果がみられるわけではなく、むしろ限定的な効果であることが明らかになった。これらの結果から、進化的にヒト遺伝子のイントロン内に組み込まれたAlu配列は、NMDを含む様々な機構によって発現の抑制を受け、その遺伝子が元来持つ機能が阻害されることを防いでいるのではないかと考えられた。我々は、ナンセンス変異依存mRNA分解機構(nonsense mediated decay ; NMD)の生理的な働きの一つとして、選択的スプライシングによりエクソン化されたAlu配列をはじめとする分散型高頻度反復配列を含むmRNAを認識、破壊することにより、これら反復配列が蛋白のアミノ酸配列に入り込むことを防いでいるのではないか、との仮説を立てた。本研究では、RNA干渉を用いて、NMDを特異的に抑制したヒト細胞株を作成し、その細胞の転写産物の解析を網羅的に行うことにより、NMDがAlu配列を含むスプライシング変異体mRNAの除去に必須であるかを検証することを目的とする。本年度は以下の2項目について成果を得た。1.RNA干渉により特異的にNMDを抑制した細胞株の確立2.NMD抑制によるAlu配列を含むエクソンの顕在化の検証-既知遺伝子での限定的解析1についてはベクター法とオリゴ法の2種類の方法を用いて、HeLa細胞においてNMDのによるmRNA変性機構の中心的役割を担う蛋白の一つであるUPF1の発現抑制系を確立し、その効率などを評価した結果、後者を以降の実験に用いることにした。現在、コンスタントに約90%の抑制効率を得ることができている。2については約50個のAlu配列がエクソン化された選択的スプライス変異体を有する遺伝子をデータベースから選択し、そのうちHeLa細胞で発現が認められた約20個を以降の実験の対象として選択した。サイクロヘキサミドおよびRNA干渉を用いてNDMを抑制したHeLa細胞から抽出したRNAを用いて、それぞれの遺伝子におけるAlu配列を含有する選択的スプライス変異体の発現効率を、野生体との発現と比較した。その結果、Alu配列がエクソン化された選択的スプライス変異体の発現量はどの遺伝子についても非常に低いこと、そしてNMD抑制による発現の変動が限定的であることがわかった。本研究では、RNA干渉を用いて、NMDを特異的に抑制したヒト細胞株を用いて、その細胞の転写産物の解析を行うことにより、NMDがAlu配列を含むスプライシング変異体mRNAの除去に必須であるかを検証することを目的とする。昨年度にNMDの抑制実験系を確立したので、本年度はこれを用いて以下の2項目について成果を得た。1.NMD抑制による、Alu配列を含むエクソンの顕在化の検証-既知遺伝子での限定的解析2.高発現型Alu配列エクソンを持つADARB1遺伝子導入実験1については約50個のAlu配列がエクソン化された選択的スプライス変異体を有する遺伝子をデータベースから選択し、そのうちHeLa細胞で発現が認められた約20個を以降の実験の対象として選択した。

サイクロヘキサミドおよびRNA干渉を用いてNMDを抑制したHeLa細胞から抽出したRNAを用いて、それぞれの遺伝子におけるAlu配列を含有する選択的スプライス変異体の発現効率を、野生体との発現と比較した。その結果、Alu配列がエクソン化された選択的スプライス変異体の発現量はどの遺伝子についても非常に低いこと、そしてNMD抑制による発現の変動が限定的であることがわかった。そこで、2として高発現型のAlu配列エクソンを持つADARB1遺伝子に点変異導入した発現ベクターを作製し、これを用いて1と同様にAlu配列を含有する選択的スプライス変異体の発現効率に対するNMDの影響を調べたところ、我々の予想に反してNMDの影響が限定的である事が分かった。我々は、ナンセンス変異依存mRNA分解機構(nonsense mediated decay; NMD)の生理的な働きの一つとして、選択的スプライシングによりエクソン化されたAlu配列をはじめとする分散型高頻度反復配列を含むmRNAを認識、破壊することにより、これら反復配列が蛋白のアミノ酸配列に入り込むことを防いでいるのではないか、との仮説を立てた。本研究では、薬理学的手法およびRNA干渉を用いて、NMDを特異的に抑制したヒト細胞株を用いて、その細胞の転写産物の解析を行うことにより、NMDがAlu配列を含むスプライシング変異体mRNA(ASV)の除去に必須であるかを検証することを目的とする。これまで1.NMD抑制によるAlu配列を含むエクソンの顕在化の検証一既知遺伝子での限定的解析2.高発現型Alu配列エクソンを持つADARB1遺伝子導入実験を行った結果、Alu配列がエクソン化された選択的スプライス変異体の発現量はどの遺伝子についても非常に低いこと、そしてNMD抑制による発現の変動が限定的であることがわかった。すなわちこれらASVにはNMDによるmRNA除去を受けづらい、何らかの分子機構が備わっていると考えられた。これを明らかにするために、これらのASVのエクソンおよびイントロンの塩基配列構造用いて、選択的スプライシングの効率を検討した。これらの結果より、ASVの発現の抑制にはNMDのみならず、様々な因子が関わっていることが示唆された。
共鳴構造の観点からの新規電子状態理論の開発

本研究課題では、我々が開発してきた双直交第二量子化演算子表現に基づく共鳴構造理論を検証するとともに、その発展と一般化を図ってきた。この解析法で得られる電子状態の記述は、基底関数や局在化軌道の生成法などにほとんど依存しないことを系統的に調べた上で、四電子型演算子への拡張に成功した。また多電子系理論に展開する上での問題点を明らかにした。さらに並行して、溶液内の種々の分子の化学現象を計算し、開発した方法などを用いながら電子構造とその変化を解析した量子化学計算が隆盛な今日にあっては、分子軌道法(MO法)が一般的である。原子価結合法(VB法)は系を構成する各原子上の軌道を考え化学的直感に直接訴えるが、計算は非常に複雑化しやすい。逆にMO法は計算機上での処理は比較的し易いが、分子全体に非局在化した軌道を考えるので、伝統的な化学結合の概念とは必ずしも合致しない。この半世紀間の量子化学の発展は電子計算機の発達とも密接に関わっており、今日のMO法の隆盛に繋がったものと理解できる。しかし、VB法における化学結合の理解法は現代においても魅力的であり、化学に即した理論としての輝きは褪せておらず、MO法対VB法の構図は今日でも尚議論の的である。それでは並列的である二つの概念を結びつけることは不可能なのだろうか。本研究課題では、これまで我々が開発してきた、双直交な第二量子化演算子表現に基づく共鳴構造理論を基にして、その直接的発展を図っている。同時に、この解析法を下敷きにしつつ、既存の方法とは本質的に異なる新規理論を産み出すことを目標とし、以下の二つの方向から研究を進めている。(1)これまでに我々が開発してきた、双直交な第二量子化演算子表現に基づく共鳴構造理論を基にして、その直接的な発展を図る。実際の化学現象に対する応用計算を行い、技術的な側面に関しても検証することで、その利点や問題点を明らかにする。(2)(1)の解析法を下敷きにしつつ、既存の方法とは本質的に異なるMO法とVB法をハイブリットした新規電子状態理論の構築を目指す。研究課題としては、解析法による応用計算を行ってその理論的性質を確認・検証しつつ、それに基づいた新規理論の構築へ順次重点を移行していく形で遂行する。さらに並行して、溶液内の種々の分子の化学現象を計算し、開発した方法などを用いながら電子構造とその変化を解析した本課題では、これまで我々が開発してきた双直交な第二量子化演算子表現に基づく共鳴構造理論を基に、その直接的な発展・一般化を図る。同時に、この解析法を下敷きにしつつ、既存の方法とは本質的に異なる新規理論を生み出すことを目標としている。実施初年度にあたる今年度は、これまで確立してきた理論について様々な角度から検討を行った。具体的には以下の通り要約される。(1) MO法、VB法いずれにせよ実際の計算では適当な基底関数展開が必須である。また、我々の方法では、局在化軌道を生成して適当な生成消滅演算子を必要とする。現実の計算においては、これらについて幾つかの方法が知られており、いわば人為的な選択を行う必要がある。そこでこうした選択が数値結果に与える影響について系統的に検討を行った。その結果、我々の方法から導かれた共鳴構造の重みは、基底関数、局在化法、演算子などに殆ど依存せずに、検討した分子系いずれに対しても事実上同等の結果を与えることがわかった。(2)この方法を用いて、水、アンモニア、ホルムアミド、ホルムアルデヒドなど様々な化学種の電子構造を調べた。いずれも化学的な直感に直接結びつく結果を与えていることが分かった。(3)化学反応は電子状態変化が端的に現れる例の一つである。アミンに対する二酸化炭素吸着を例に、この方法が的確にその変化を説明し、計算結果の解釈する上で非常に有効であることが示された。以上の結果は、二つの学術論文として投稿し、そのうちの一つは既に出版が確定している。本課題では、これまで我々が開発して来た双直交な第二量子化演算子表現に基づく共鳴構造理論に基に、その直接的な発展・一般化を図っている。今年度の成果は以下の通りである。(1)この解析法は、基底関数や波動関数の局在化法、演算子などの選択を必要とし、それらの組み合わせに計算結果が依存する可能性がある。しかしながら実際の系に適用定され、定義の選択に事実上依存しないことが明らかになった。(2)従来の方法は二電子間の関係を扱う方法であることから、非局在化した共役系電子などを扱うことが出来なかった。そこで四電子系へ拡張した演算子を新たに導出した。この方法はMulliken電荷と無矛盾になるように定義されており、従来法とも定量的にほぼ一致する結果が得られた。一方で、より多電子系への一般化とスピン固有状態であるか否かについては更なる考察が必要であることが分った。

(3)アミンによる二酸化炭素の吸収過程は、二酸化炭素上に共役して電子が広がり、炭素-窒素結合形成時に大きな電子状態変化がある。このために従来を用いることができない。そこで矛め判る形式的な電荷を用いて、重みの計算を行う簡便法を開発した。本研究課題においては、これまで我々が開発して来た双直交な第二量子化演算子表現に基づく共鳴構造理論の発展を図るとともに、この解析法を基にして既存の方法とは違った視点からの新規理論の創出を目標として研究を進めている。これまでに我々が開発して来た方法は、二電子間の関係を扱う表式となっていることから、カルボニル基などの非局在化が著しい共役系電子を扱うことが出来なかった。そこで四電子系へ拡張した演算子を新たに導出し、本年度はこの方法を学術論文として発表した。新理論で得られる共鳴構造の重みは、Mulliken電荷と無矛盾になるように定義されており、さまざまな分子に対する量子化学計算の結果を解析し、従来法との比較を行ったところ、定量的にほぼ一致する結果が得られた。一方で、化学反応などは電子の非局在化が顕著なために従来理論では解析が不可能である。新理論により得られた結果は、原子価結合法やMOVB理論などによる既報値と良好な一致を示した。しかしより多電子を含む系旨への理論の一般化に関しては、系統的な導出が存在しない上に演算子が複雑化するために、拡張性の高い一般表式を得ることは困難であることが明らかとなって来た。またスピン固有状態との対応については更なる考察が必要であることが分った。実際には四電子系を扱うことで多くの分子の電子状態の本質を記述できるものと考えられることから、今後はこの解析法を幅広い系に対して用いることで、その適用範囲を明らかにして行きたい。またこれと並行して、上記理論の応用を企図して、イオン結合の典型例であるフッ化マグネシウム、電荷移動型の相互作用系としてヘキサメチルベンゼン-テトラシアノエチレンの系について計算を行った。本年度は、主に有機化合物を対象とした計算を行い、化学反応や励起・発光スペクトルなどをターゲットとし電子状態の特徴を引き出し、溶媒などの外場の影響についても調べた。具体的には以下の通りである。(1)水中のエタノールアミン(MEA)は二酸化炭素と結合し、工業的な回収材料として注目されている。この反応はMEAと二酸化炭素の結合形成とそれに引き続くプロトン脱離の二段階から構成される。前半部分については、水中では特異的な結合が生成することを以前に報告しており今回は後半部分についての解析を行った。この結果、プロトンの脱離過程においてMEAが塩基として働き、その際に二酸化炭素由来のC-O結合の電子構造変化が反応において大きな役割を果たすことを見いだした。共鳴構造の解析を行ったところ、そのイオン結合性(C+O-)は62%にもおよび、周囲の溶媒の水分子と強い水素結合を形成する。一方でアミノ基においては過剰電荷が全体に広がっていて比較的その寄与は小さいことがわかった。(2)TEMPOは極性/非極性を問わず様々な溶媒に溶けることから、そのnπ*遷移を通じて、ルイス酸性を測る指標になると言われている。
腸管での抗原提示に関与するマウス小腸上皮細胞株の樹立

本研究により、胎仔BALB/cマウスから小腸上皮細胞(IEC)を初代培養する方法を確立した。この方法は、EDTA溶液により処理を行った胎仔小腸組織片より増殖してくるIECを培養するもので、胎生15および16日目の胎仔小腸組織片からの上皮細胞の増殖が最も良好であった。次に、IECの増殖活性を亢進することが期待される活性化型β-カテニン遺伝子を、ヒト伸長因子1αサブユニットのプロモーター下流に挿入した発現ベクターを構築した。リポフェクション法およびエレクトポレーション法を用いて胎仔由来初代培養IECへの活性化型β-カテニン遺伝子の導入を試みたが、細胞増殖活性を維持したクローンの単離には至らず、細胞株を得ることは出来なかった。現在、SV40ウイルス由来のラージT抗原遺伝子の導入実験を行っている。一方、得られたマウス胎仔由来初代培養IECにおける免疫担当細胞としての特性についても解析を行った。培養開始2週間後、初代培養IECにおいて成熟マーカーと考えられるアルカリフォスファターゼ活性とMHCクラスII分子の発現が認められた。このMHCクラスII分子の発現は、培地中へのインターフェロンγの添加によって強く増強された。さらに、卵白アルブミン(OVA)特異的T細胞レセプターを発現するトランスジェニックマウスから精製した脾臓および小腸上皮内リンパ球由来CD4陽性T細胞に対し、抗原提示能を有することが明らかとなった。一方、初代培養IECの共存により、通常の脾臓CD4陽性T細胞の抗原特異的な増殖が抑制されることも示した。また、腸管免疫系に重要な影響を与えることが示唆されている微生物に対するIECの応答についても析を行った結果、初代培養IECが微生物由来物質を認識する受容体を発現していること、大腸菌およびリポ多糖に応答して、様々なサイトカイン遺伝子の発現が上昇することを明らかにした。成体および胎仔BALB/cマウスより小腸上皮細胞の初代培養を行った結果、胎生15日目の胎仔由来小腸組織片からの上皮様細胞の増殖が最も良好であった。さらに卵白アルブミン(OVA)特異的T細胞レセプターを発現するトランスジェニックマウスから精製した脾臓および小腸上皮内リンパ球由来CD4陽性T細胞を、小腸上皮細胞と抗原(OVAペプチド)とともに培養した結果、T細胞の増殖応答が認められたことから、胎仔小腸上皮の初代培養細胞が抗原提示能を有することが明らかとなった。次に、小腸上皮細胞の増殖活性を亢進することが期待される活性化型β-カテニン遺伝子の発現ベクターを構築した。細胞内分解と活性調節に重要なN末端数十残基を除去した活性化型β-カテニンは、細胞内で安定に存在し、細胞増殖などの機能に関与すると考えられる。野生型マウスβ-カテニンcDNAを鋳型としたPCR法を用いてN末端を欠失した翻訳領域を増幅し、哺乳動物細胞発現ベクターに挿入して、活性化型β-カテニン発現ベクターを得た。同様に、活性化型β-カテニン遺伝子を発現するレトロウイルス発現ベクターも構築した。リポフェクション法およびエレクトロポレーション法を用いて胎仔小腸上皮の初代培養細胞への活性化型β-カテニン遺伝子の導入を試みたが、細胞増殖活性は亢進されなかった。これは、遺伝子導入のリポーターであるGFP遺伝子の発現が認められないことから、遺伝子導入が不完全であったためと考えられた。一方、レトロウイルス発現系を用いて活性化型β-カテニン遺伝子を導入した結果、GFPを発現する上皮細胞が非常に低い頻度で観察された。しかし、これらの細胞においても増殖能の冗進は認められず、活性化型β-カテニンの発現を制御するプロモーターの選択、あるいは小腸上皮細胞の増殖能を亢進しうる他の遺伝子の導入についても考慮する必要があると考えられた。

また、腸管免疫系に重要な影響を与えることが示唆されている微生物に対するIECの応答についても析を行った結果、初代培養IECが微生物由来物質を認識する受容体を発現していること、大腸菌およびリポ多糖に応答して、様々なサイトカイン遺伝子の発現が上昇することを明らかにした。
蛋白質化学合成法を用いた修飾ヒストンの化学合成とその機能解明

遺伝子発現の制御を担うクロマチンはヒストンタンパクとDNAからなるヌクレオソームから構成され、更にリンカーヒストンH1と相互作用しクロマトソームを形成し、これが連なることで高次クロマチン構造を構成する。その構造は動的に変化しておりH1に修飾が導入されることでクロマチン構造が緩くなり転写活性やDNA修復につながるとされている。本研究では化学合成法により修飾が導入されたH1を合成し、その機能解析を行うことで遺伝子発現の調節機構を解明し、更には特定の病気とH1の修飾を関連付けることで新たな創薬ターゲットの提案を行う。
生産自動化システムのためのパワ-・情報一体化ネットワ-クシステムに関する研究

メカトロニクスシステムの分野におけるマイクロエレクトロニクス応用技術の発展に対処するために、新しいネットワ-クア-キテクチャを提案した。これは、メカトロニクスシステムのような小さな範囲でパワ-の操作と情報処理の機能の両方を一体化して扱うものである。このシステムを"パワ--情報一体化ネットワ-クシステム(IPINS)"と呼ぶ。本研究では、パワ-情報一体化ネットワ-クシステムを構築する上で、必要となるキ-テクノロジ-を提案した。そして、キ-テクノロジ-に対する詳細な要求項目を検討し、それらの要求に見合う、理想的なコンポ-ネントを提案した。次に、提案したシステムの可能性を評価するため、実際に各コンポ-ネントを試作した。試作システムでは、5V、24V、250VのDCパワ-ラインと光ファイバ-による情報ラインが一体化されたハイブリッドケ-ブル、これらパワ-と情報のラインを自由に分岐させるためのハイブリッドコネクタ、メカトロニクスシステムとのインタ-フェイスをとるためのスマ-トノ-ドモジュ-ル、様々な情報に基づき、パワ-を制御するための制御用ソフトウェア、各ノ-ドにおいてネットワ-クとのインタ-フェイスをとるためのハ-ドウェアやその実時間分散通信制御を行うための制御ソフトウェア等のハ-ドウェア・ソフトウェアを開発した。こういった、試作システムを製作し、能力テストを行った。その結果、提案したシステムはほとんどの実際のメカトロニクスコントロ-ラに受け入れられる、適度な性能を有していることがわかった。研究実施計画に従って研究を進めた結果次の研究実績が得られた。1.パワー・情報ネットワークシステム仕様を以下の項目に分けて作成した。(山崎)a.パワー送電、分配システムb.パワー系診断システムc.情報伝送システムd.情報ーパワー変換モジュールe.複合ケーブル、複合コネクタ2.情報伝送ネットワーク管理ソフトウェアシステムの開発ISO-OSIの第12層及び第7層の3層構造のプロトコルを提案し、このネットワーク管理ソフトを開発した。(山崎)3.情報パワー変換制御モジュールの開発(山崎)第1、2層のプロトコルをファームウェアとして内蔵し、シリアルデータ通信を自動的に実行できる8ビットのマイクロコントローラを用いて情報パワー変換制御機能と論理演算制御機能を有するモジュールを開発した。4.光ー電気複合ケーブルと多点分岐複合コネクタの開発(小田島)光ファイバと銅ケーブルとを複合した単一ケーブルを開発した。またこのケーブル用の複合分岐コネクタを試作開発した。5.スマート・パワーICの開発試作(八幡)情報・パワー変換制御モジュールで必要なスマートパワーモジュールの設計を行った。6.パワー制御性能測定装置の試作本ネットワークにつながり、かつパワー制御を行い、制御性能を測定できるノードとしてモータテストベンチの試作開発を行った。これはメカトロニクスシステムのような小さな範囲でパワ-の操作と情報処理の機能の両方を一体化して扱うものである。このシステムを"パワ-ー情報一体化ネットワ-クシステム(IPINS)"と呼ぶ。試作システムでは、5V,24V,250VのDCパワ-ラインと光ファイバ-による情報ラインが一体化されたハイブリッドケ-ブル、これらパワ-と情報のラインを自由に分岐させるためのハイブリッドコネクタ、メカトロニクスシステムとのインタ-フェイスをとるためのスマ-トノ-ドモジュ-ル、様々な情報に基づき、パワ-を制御するための制御用ソフトウェア、各ノ-ドにおいてネットワ-クとのインタ-フェイスをとるためのハ-ドウェアやその実時間分散通信制御を行うための制御ソフトウェア等のハ-ドウェア・ソフトウェアを開発した。
X線単粒子構造解析の礎となる信号雑音比の悪い回折像の類似性判定に関する研究

生体単粒子構造解析において高分解能解析を実現するには量子雑音に埋もれたピクセル信号を有効信号として扱うことが必須となる。本研究では高分解能解析の実現の鍵となる、回折像類似性判定法の自動化と改善を行った。2値分類解析に対する性能評価を行うことで、アルゴリズムにおける重要なパラメータ値の最適化を行い、低計算コストを実現する事前解析法を開発した。加えて、低計算コストを実現する事前解析と高精度化を実現する本解析と組み合わせることで、全体としての計算コストを抑えつつ高精度で類似度を求めるアルゴリズムの構築を目指した。両者を組みわせる際に重要となる切り替え波数値を解明した。XFEL光を用いた生体試料の単粒子構造解析が容易ではない最たる理由の1つは回折強度不足である。微弱な信号を最大限に有効活用するため、本研究では信号雑音比の悪い回折像の類似性を判定する方法の開発を進めている。今年度は開発中の類似性判定アルゴリズムに対して、パラメータサーベイによる最適化を行い、性能評価を実施した。具体的には3つの大きさの異なる分子(リゾチーム、アルデヒド酸化還元酵素、70s-リボソーム)を選択し、各々4つのことなる入射X線強度密度に対して類似性判定シミュレーションを行った。予備実験から類似性を類似度として数値化する際に必要な回折像の同心円方向の積分幅を与えるパラメータは、判定結果に対して1度5度の範囲でそれほど敏感ではないという結果を得た。そこで積分幅は1度に設定し、判定性能に対して重要であると予想した類似対判定の閾値と回折像の上限波数に対してパラメータサーベイを実施した。回折像対の図柄の類似性は波数空間における距離に対応する。シミュレーションでは1対の回折像の波数空間での距離を規定する2つの角度を直接求めることができ、この2つの角度を類似性の答えとして性能評価を行った。類似度と答えの分布の関係を精査することで、類似判定解析が成立する条件を次の3つの条件で表現することに成功した。1.類似対の数を確保するための条件。2.非類似対に由来するバックグラウンドを排除する条件。3.回折強度の対称性に由来するシャドー相関線を排除する条件。これにより分子種毎、入射X線強度毎に、閾値と上限波数をパラメータとして類似判定解析が成立する領域を示すことに成功した。上記の条件は類似度の答えに対する分布関数をもとに与えられるが、近似的に分子種によらずユニバーサルに与えることも可能であることが示唆された。X線単粒子構造解析では信号雑音比の悪い回折像対の図柄の類似性を判定する方法が、実験データから構造情報を抽出する上で重要な役割を果たす。量子雑音に埋もれた微弱な信号を最大限活用するための方法を開発することで、構造情報の高分解能化および構造解析に必要な入射X線強度の低減が可能となり、単粒子構造解析の適用可能性を大きく広げることができる。回折像類似性判定法における量子雑音限界を追究し、申請書に記された3つの課題についてそれぞれ以下の成果を得た。課題1.回折像類似性判定アルゴリズムの最適化とその評価:類似性判法のパラメータ最適化を引き続き行うことで、図柄の類似性を数値化した類似値の精度と感度の向上に努めた。相関値の分散値を指標として判定成績の評価法を構築することで、量子雑音低減メカニズムの導入により入射X線強度を約2割弱に抑えることが可能であることを示した。課題2.類似性判定時間を短縮するための事前判定法の開発:アルゴリズムを低波数領域と高波数領域の2段階に分けることを検討した。結果、計算コストの小さい低波数領域の相関図において相関線の有無を事前に判定することにより、計算コストを半減できることがわかた。課題3.類似判定法における検出器不感領域の影響:検出器の不感領域を模倣した、中心部分のデータが欠損した回折像を用いて類似性判定計算を行った。結果、中心部分の欠損データが大きいほど、図柄の類似性を数値化した類似値は小さくなるものの、欠損領域が一定以下では、その影響は限定的であり解析が破たんすることは無いことが分かった。加えて、回折像類似性判定法を応用したハイブリッドな分子モデリング法の論文が受理された。上記に示したように類似積判定法の感度と精度は向上しかつ計算コストも抑えることができていることから、当初予定していた成果はすでに得ることができている。一方で、現在構築した方法が最良であるという保証はなく、今後さらなる改良を目的に研究を進めていきたいと考えている。生体単粒子X線構造解析において高分解能解析を実現するには量子雑音に埋もれたピクセル信号を有効信号として扱うことが必須となる。本研究では高分解能解析の実現の鍵となる、相関図を基礎としたX線回折像類似性判定法の自動化と高度化を進めた。【課題1.回折像類似性判定法とその評価】さらなる高精度化・高感度化・高効率化を目指し、回折像類似性判定法にたいし予備解析と主解析からなるマルチステップアルゴリズムを開発した。予備解析では相関図において類似対であることを示す相関線を高速に同定することを目的とし、主解析でより詳細な類似度を算出する。数種の性能指標を検討した結果、縦軸を感度、横軸を偽陽性度からなるROC解析により分類性能を評価した。3種の生体高分子に対して様々な入射X線強度密度のもと性能評価を行なった。【課題

2.類似性判定時間を短縮するための事前判定法(予備解析)の開発】予備解析が対象とする低波数領域においては、相関線に加え、180°反対側にも高い相関値を持つシャドーが出現する。予備解析では相関線とシャドー両者の寄与を足し合わせた双対類似度を求めるようにアルゴリズムの最適化を行い相関線の出現を同定するための感度向上を目指した。70s-Ribosomeの場合、入射X線強度密度3x10**19[photons/pulse/mm**2]より大きな領域で予備解析を行うことが可能であることを示した。【課題3.類似性判定法における検出器不感領域の影響】検出器面において入射X線の光路に位置するビームストップ領域は、検出器不感領域の代表例であり、ほぼ全ての検出器においてこの実データを得ることは難しい。上記解析においては、意図的に回折像中心部位からの信号を用いずに解析を行いその影響を引き続き調査した。マルチステップアルゴリズムにおいても類似性判定法におけるビームストップの影響は限定的であることを示した。生体単粒子構造解析において高分解能解析を実現するには量子雑音に埋もれたピクセル信号を有効信号として扱うことが必須となる。本研究では高分解能解析の実現の鍵となる、回折像類似性判定法の自動化と改善を行った。2値分類解析に対する性能評価を行うことで、アルゴリズムにおける重要なパラメータ値の最適化を行い、低計算コストを実現する事前解析法を開発した。加えて、低計算コストを実現する事前解析と高精度化を実現する本解析と組み合わせることで、全体としての計算コストを抑えつつ高精度で類似度を求めるアルゴリズムの構築を目指した。両者を組みわせる際に重要となる切り替え波数値を解明した。本研究では3つの課題を遂行する予定にしている。今年度は計画当初予定した課題1に関して以下の結果を得ることに成功した。大きさの異なる3つの分子に対してパラメータサーベイを実施した。解析が成立する条件を精査し、類似判定法の評価法を構築した。分子種毎、入射X線強度毎に閾値と上限波数をパラメータとして類似判定法の評価を行い、解析が成立する領域を示した。これに伴い、適したパラメータの範囲を明らかにすることに成功した。一方で、解析が成立する各々の領域でどの程度の分解能が達成できるのかさらに調査を進める必要が出てきた。以上から、平成26年度の研究実施計画をほぼ予定通り行うことができているが、課題1に関してさらなる調査も必要であると考えている。今年度、はこれまで得られた成果を発表することに注力したい。3つの課題については以下の方策をもって進めていきたい。課題1.回折像類似性判定アルゴリズムの最適化とその評価:アルゴリズムの2段階化に伴う各領域におけるアルゴリズムの最適化後に成績を再評価することで、さらに改良が進められたかを確かめる。課題2.類似性判定時間を短縮するための事前判定法の開発:低波数領域と高波数領域の境界を明らかにし、各領域におけるアルゴリズムの最適化を進める。課題