hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
多次元階層的ネットワーク性に基づく大規模動的システムのロバスト制御系設計

平成30年度は、大規模な電力ネットワーク、交通ネットワーク、水道ネットワークに代表される社会インフラシステムを想定したシステムに対する消散性・受動性と安定性に関する検討を行った。準備的な取り組みとして、大規模異種電力ネットワークのダイナミクスを効率的に捉えることができる理論的な枠組みの構築に関する考察を行った。このような電力ネットワークを数学的に抽象化したシステムの枠組みとして、サブシステムとネットワークシステムからなるネットワーク化された非線形デスクリプタシステムの定式化を行った。このシステムのデスクリプタ表現によって、ネットワーク構造を維持しながら、システムの効率的な解析と制御を行うことが可能となる。主要結果として、サブシステムの消散性に基づき、部分的な状態の局所漸近安定性と同期のための十分条件を導出した。また、構造保存モデルで記述された電力ネットワークにこの十分条件を適用し、電力ネットワークの制御系設計におけるそれらの有効性を示した。特に、この成果は非線形性を有する大規模複雑なシステムに対して、本研究課題の枠組みが有効に働く点を示唆するもので、本研究課題の今後の方向性を大きく切り開くものとなった。この成果は、国際論文誌SICEJCMSIに掲載された。なお、上記の成果の交通ネットワーク、水道ネットワークを含む大規模社会インフラシステムへの拡張に関するモデリングや有限周波数特性に関して予備的な成果は得たものの、理論的に十分に整理された成果には至らず、平成30年度内での外部発表は見送った。この拡張に関しては、平成31年度以降の課題として残った。平成30年度に計画していた交通ネットワーク、河川ネットワークを含む大規模社会インフラシステムへの拡張については、「研究実績の概要」で述べたようにいくつかの予備的な成果を得たものの理論的に十分に整理された成果には至らず、平成31年度以降の課題として残った。電力ネットワークとこれらのネットワークの大きな違いは「流れ」を記述するダイナミクスが偏微分方程式を用いた流体力学モデルによって記述される点である。流体力学モデルを理論的にきちんと取り扱うためには、導出や結果の整理に時間がかかる点が想定される。さらに空間的な振る舞いに関する有限周波数特性や消散性についても明確化の必要がある。これらの点については平成31年度前半に時間を確保し、丁寧に結果の整理や検討を行うことで理論的な十分な成果に結実することが期待される。当初の予定では平成31年度はシミュレーションと実験による検証を想定していたため、本研究課題はやや遅れていると考えられるが、詳細な検討を丁寧に遂行することによって、平成31年度にキャッチアップできるものと思われる。平成31年度(H31)は、本研究課題の核として、「多次元階層的ネットワークシステムのロバスト制御系設計」に主として着手する。平成30年度において今後の課題として残っている多次元階層的ネットワークシステムの有限周波数特性に基づくロバスト制御系設計に関する検討のテーマ(i)を平成31年度の前半で遂行する。その後、応用に関するテーマ(ii),(iii)を進める。また、平成30年度に得られた予備的成果を整理することによって、外部発表も積極的に行う。(i)多次元階層的ネットワークシステムの有限周波数特性に基づくロバスト制御系設計の枠組みを構築する。さらに、階層性とネットワーク性の特徴を的確に盛り込んだ分散・協調的な設計法を導く。さらに、分散・協調的な多次元有限周波数KYP補題を導出することによって、本テーマで考えるロバスト制御系設計へと生かす。(ii)電力ネットワーク、交通ネットワーク、水道ネットワークからなる社会インフラシステムを考え、需要家の振る舞いや自然環境による不確かさに対しても頑健な制御系を構築する。特に、これらのインフラネットワークの運用のための施設(発電施設、上・下水処理場など)の配置やネットワーク構造を明確化する.(iii) (i)で説明した各種インフラネットワークはそのスケールの大きさのため、送電線、水道管などのインフラの内部状態の予測はとても難しい問題である。これらの予測に対して、多次元階層的ネットワーク性やこれまで得た分散・協調カルマンフィルタの知見を活用した予測と制御の技術を確立し,画像処理による可視化の可能性も検討する。平成29年度は、大規模な電力ネットワーク、交通ネットワーク、河川ネットワークに代表される社会インフラシステムを想定した数理モデリングに関する検討を行った。主要な成果としては、上で述べた3種類の社会インフラシステムが、本研究課題で提案する多次元階層的ネットワークシステムとして共通に記述されることを確認し、「モノの流れ」という観点でこれらの制御を統一的に取り扱うことが可能となる点もあわせて述べた。また、都市河川に代表される河川ネットワークの分散協調制御に焦点を絞り、本研究課題で提案する枠組みが実システムへ有用となる可能性についても検討を行った。特に、この成果は非線形性、ハイブリッド性を有するシステムに対して、本研究課題の多次元階層的ネットワークシステムの枠組みが有効に働く点を示唆するもので、本研究課題の今後の方向性を大きく切り開くものとなった。これらの成果は、自動制御連合講演会などの国内学会や国際会議SICE Annual Conference 2018での併設シンポジウムにおいて、予稿や口頭による発表を行った。なお、多次元階層的ネットワークシステムの基本的な性質(可制御性,可観測性,安定性など)や有限周波数特性に関する検討についても着手を行い、従来結果の拡張に相当するいくつかの部分的な成果を得た。しかし、理論的に十分に整理された成果には至らず、平成29年度内での外部発表は見送ったため、平成30年度以降の課題として残った。

平成29年度に成果発表を計画していた多次元階層的ネットワークシステムの基本的な性質(可制御性,可観測性,安定性など)や有限周波数特性に関する検討については、「研究実績の概要」で述べたようにいくつかの部分的な成果を得たものの理論的に十分に整理された成果には至らず平成30年度以降の課題として残った。しかし、これらの成果は当初よりサブシステムとネットワークシステムに分離した成果を想定していたことにより、導出や結果の整理に時間がかかる点が想定されていたものである。したがって、これらの点については平成30年度内に時間を確保し、丁寧に結果の整理や検討を行うことで理論的な十分な成果に結実することが期待される。よって、本研究課題は現在までおおむね順調に進展していると考えられる。平成30年度は、大規模な電力ネットワーク、交通ネットワーク、水道ネットワークに代表される社会インフラシステムを想定したシステムに対する消散性・受動性と安定性に関する検討を行った。準備的な取り組みとして、大規模異種電力ネットワークのダイナミクスを効率的に捉えることができる理論的な枠組みの構築に関する考察を行った。このような電力ネットワークを数学的に抽象化したシステムの枠組みとして、サブシステムとネットワークシステムからなるネットワーク化された非線形デスクリプタシステムの定式化を行った。このシステムのデスクリプタ表現によって、ネットワーク構造を維持しながら、システムの効率的な解析と制御を行うことが可能となる。主要結果として、サブシステムの消散性に基づき、部分的な状態の局所漸近安定性と同期のための十分条件を導出した。また、構造保存モデルで記述された電力ネットワークにこの十分条件を適用し、電力ネットワークの制御系設計におけるそれらの有効性を示した。特に、この成果は非線形性を有する大規模複雑なシステムに対して、本研究課題の枠組みが有効に働く点を示唆するもので、本研究課題の今後の方向性を大きく切り開くものとなった。この成果は、国際論文誌SICEJCMSIに掲載された。なお、上記の成果の交通ネットワーク、水道ネットワークを含む大規模社会インフラシステムへの拡張に関するモデリングや有限周波数特性に関して予備的な成果は得たものの、理論的に十分に整理された成果には至らず、平成30年度内での外部発表は見送った。この拡張に関しては、平成31年度以降の課題として残った。平成30年度に計画していた交通ネットワーク、河川ネットワークを含む大規模社会インフラシステムへの拡張については、「研究実績の概要」で述べたようにいくつかの予備的な成果を得たものの理論的に十分に整理された成果には至らず、平成31年度以降の課題として残った。電力ネットワークとこれらのネットワークの大きな違いは「流れ」を記述するダイナミクスが偏微分方程式を用いた流体力学モデルによって記述される点である。流体力学モデルを理論的にきちんと取り扱うためには、導出や結果の整理に時間がかかる点が想定される。
脊索動物モデルのホヤ発生の遺伝子システムとその進化の解明

ホヤは尾索類に属し、ナメクジウオの頭索類、サカナやヒトを含む脊椎動物とともに脊索動物門を構成する。これらの動物は脊索・背側神経管・鰓裂など多くの共有形質を有し、今から約5.5億年以上昔に共通の祖先から進化してきたものと考えられている。本研究は、カタユウレイボヤのゲノムプロジェクトおよびめcDNAプロジェクト展開を計り、脊索動物モデルとしての発生遺伝子システムとその進化に関連したゲノム科学の進展を計ることを目的とした。ゲノムプロジェクトの展開:国立遺伝研およびアメリカとの共同研究によって、カタユウレイボヤ(Ciona intestinalis)のドラフトゲノムを2002年に解読し、公表した。このホヤの約160Mbのゲノムに15,852のタンパク質をコードする遺伝子の存在が明らかになった。これらを脊椎動物ゲノムおよび無脊椎動物ゲノムと比較するこによって、脊索動物および脊索動物の進化に関わったと思われるゲノム変化を論じた。また2色FISH法を駆使して、ドラフトゲノム情報の約65%をn=14本の染色体にマップした。cDNAプロジェクトの展開と脊索動物モデルとしての発生遺伝子システムの解析:いくつかの発生段階の胚および成体の組織から16のcDNAライブラリーを作製し、それをもとに、総計67万におよぶEST解析を行った。また、発生に重要な役割を担う転写因子およびシグナル分子をコードする遺伝子を含め約6千のcDNAの順完全長塩基配列を決定した。そしてゲノム解読によって得られた情報も加えて、発生に関わる遺伝子を正確にアノテーションした。これらの情報をもとに、脊索動物モデルとしてのホヤ発生遺伝子システムの解析を多方面にわたって展開した。脊索動物門はホヤなどの尾索類、ナメクジウオの頭索類、それに脊椎動物からなる。これらの動物は脊索・背側神経管・鰓裂など多くの共有形質を有し、共通の祖先から進化してきたものと考えられている。ホヤのオタマジャクシ幼生は約2600個の細胞からなるが、体幹部背側の中枢神経系(構成細胞数約350)、尾部の脊索(構成細胞数40)や筋肉(構成細胞数約40)など、脊椎動物の体制の原型がそこに存在する。また、これらの細胞の系譜がほぼ完全に解明されている。ユウレイボヤ(Ciona intestinalis)のゲノムサイズは約160Mb、遺伝子数は15500と推定されており、これらの遺伝子の発生における発現システムを各割球1つ1つのレベルで解析することが可能である。こうしたバックグラウンドをもとに、本年度は特に「組織・器官形成に働く遺伝子の多くが発現していると思われる尾芽胚について、その遺伝子発現プロファイルの網羅的解析」を行い、次のような成果が得られた。統合ゲノム・シーケンシングセンターの協力を得て3423クローンのEST解析を行ったところ、これらは1213の独立クラスターを表すことが分かった。これら1213クラスターの全てについてホールマウントin situハイブリダイゼーションによってその発現を調べたところ、149遺伝子が表皮細胞特異的に、34遺伝子が神経系特異的に、29遺伝子が内胚葉特異的に、112遺伝子が間充織特異的に、31遺伝子が筋肉細胞特異的に、そして32遺伝子が脊索細胞特異的に発現していることがわかった。すなわちこの研究によって、ユウレイボヤ胚発生における全ての細胞型の分化マーカーが得られたことになり、今後の発生メカニズムの研究に大きな貢献となったと考えられる。また、これらの組織特異的発現遺伝子を表1のカテゴリーに振り分けてみると、内胚葉では細胞間相互作用で働く遺伝子の発現が多いことや、筋肉細胞では細胞骨格関連遺伝子の、また脊索細胞では代謝関連遺伝子の発現が多いことなどが分かった。

これらの動物は脊索・背側神経管・鰓裂など多くの共有形質を有し、共通の祖先から進化してきたものと考えられている。ホヤのオタマジャクシ幼生は約2600個の細胞からなるが、体幹部背側の中枢神経系(構成細胞数約350)、尾部の脊索(構成細胞数40)や筋肉(構成細胞数約40)など、脊椎動物の体制の原型がそこに存在する。また、これらの細胞の系譜がほぼ完全に解明されている。ユウレイボヤ(Ciona intestinalis)のゲノムサイズは約160Mb、遺伝子数は15500と推定されており、これらの遺伝子の発生における発現システムを各割球1つ1つのレベルで解析することが可能である。こうしたバックグラウンドをもとに、本年度は特に「組織・器官形成に働く遺伝子の多くが発現していると思われる尾芽胚について、その遺伝子発現プロファイルの網羅的解析」を行い、次のような成果が得られた。統合ゲノム・シーケンシングセンターの協力を得て約88,000クローンのEST解析を行ったところ、これらはおよそ15,000の独立クラスターを表すことが分かった。受精卵・卵割期胚・尾芽胚・幼生・幼若体の5つの発生段階を選び、それぞれについて約1000の遺伝子がどのように発現するかをホールマウントin situハイブリダイゼーションによって調べた。その結果、表皮細胞・神経系・内胚葉・間充織・筋肉細胞・脊索細胞などで特異的に発現する多くの遺伝子を単離することができ、また、発生遺伝子のダイナミックな発現プロファイルが明らかになった。脊索動物門はホヤなどの尾索類、ナメクジウオの頭索類、それに脊椎動物からなる。これらの動物は脊索・背側神経管・鯉裂など多くの共有形質を有し、共通の祖先から進化してきたものと考えられている。カタユウレイボヤ(Ciona intestinalis)のゲノムサイズは約160Mb、遺伝子数は15,500と推定されており、これらの遺伝子の胚発生における発現を各割球1つ1つのレベルで総合的・網羅的に解析することが可能である。こうした研究のバックグラウンドをもとに、本研究は、カタユウレイボヤのcDNAプロジェクトおよびゲノムプロジェクトの展開を計り、発生遺伝子システムの解明と進化と関連したゲノム科学の進展を計ることを目的とした。まずcDNAプロジェクトとして、この動物の発生および成体で発現する遺伝子のEST解析を行い、これまでに480,000近いEST情報を得た(これは、全生物の中で第3位にあたる)。また、これらのESTデータをアッセンブルすることによって約4000近いcDNAクローンの全長配列を決めることができ、さらに、約4000以上のcDNAの全長塩基配列を決定した。さらに、受精卵・卵割期胚・尾芽胚・幼生・幼若体の5つの発生段階を選び、それぞれで発現する約1000の遺伝子の発現パターンを明らかにした。そしてゲノムプロジェクトでは、アメリカJGI、国立遺伝研(日本)と共同で、カタユウレイボヤのドラフト・ゲノムを決定した。
ドミノ倒し的異性化現象を利用したフォトメカニカル材料の開発と応用

本研究では四官能性アミンの中心部にアゾベンゼンを導入した新規架橋剤N,N-Bis(3,5-diaminobenzoyl)-4,4'-diaminoazobenzene (BDA-Azo)を合成し、二官能性酸無水物との末端架橋法により三次元ネットワークを構築した。これにより、ネットワークに導入されるアゾベンゼンのうち、光応答性に有効なものの割合が約66%から87%へと大幅に上昇した。内径0.2 mmのガラスキャピラリーをモールドとして作成したゲルを溶媒中に固定し、垂直方向から波長405 nmのレーザー光を照射した。照射表面において体積が収縮することによるゲルの屈曲速度を比較すると、従来のものと比較して本研究のゲルは1.5倍の速度と、極めて高速に変形した。また、本研究では、ネットワークの架橋密度を高めることにより、セグメント同士の接近を防ぐことで凝集を軽減し、剛直性の高いイミド結合へ変換した後も本来の変形速度と可逆的光応答性を維持することに成功した。このゲルを種々の測定を通して多角的に評価し、光応答性ゲルの光変形挙動の詳細な解析を行った。共焦点レーザー顕微鏡により、ゲル中に分散させた蛍光マイクロビーズの動きから励起光照射に対するゲルのミクロスケールでの光応答性を確認した。その結果、照射枠内の方が照射枠外よりビーズと中心との距離の変位量、すなわち収縮・膨潤の大きさが小さく、加えてゲルの内部方向へ押し込まれて行く傾向が確認された。このことから、光応答性ゲルの屈曲挙動は「1紫外光照射枠内の部分が収縮してゲルの内部方向に入って行く→2網目を通じて力が伝搬して照射枠外の網目がほぼ平行に引っ張られる→3照射枠内の部分が支点となって屈曲」というメカニズムで生じると推測された。本研究では3年間で以下の点を明らかにする。実験計画1.高速光応答性アゾベンゼンの分子設計指針の確立特に高速光応答を可能にする均一な網目構造を得るためのアゾベンゼンの分子設計指針の確立実験計画2.光異性化をトリガーとするドミノ倒し的アゾベンゼンの異性化の証明実験計画3.光酸発生剤を利用したネットワーク型フォトメカニカル材料のパターンニングおよびフォトメカニカル効果を利用したナノアクチュエーターの作製これに対応して、以下の実験方法でアプローチを行っている。実験方法1.高速光応答性アゾベンゼンの分子設計指針の確立アゾベンゼンを含む、多官能性の分子を設計し、この分子と2官能性の分子を反応させたネットワーク高分子を合成することで、高速光応答性が実現できることが証明された。また、耐久性の高いポリイミドに変換することにより、耐熱性や経時安定性に優れた材料を得られた。実験方法2.光異性化をトリガーとしたドミノ倒し的アゾベンゼンの異性化の証明ラマン分光により、トランス体とシス体の異性化率の割合を測定しようと試みているが、ネットワーク高分子中に含有されている溶媒のシグナルが強いため、アゾベンゼンのシグナルが隠れてしまい、確認できていない。より感度の高い測定法の利用を検討している。また、ドミノ倒し的運動は、ネットワーク高分子中に導入した蛍光ビーズが光照射された部分と照射されていない部分で、どのように動くかを解析して、推定しようとしている。実験方法3.光酸発生剤を利用したネットワーク型フォトメカニカル材料のパターンニングおよびフォトメカニカル効果を利用したナノアクチュエーターの作製予備的な実験を行い、アゾベンゼンを含む分子に導入したBoc基の脱保護を試みた。しかし、現在用いている光酸発生剤ではうまくいっていない。光酸発生剤の酸の強さを変えて実験を行う。実験計画1.高速光応答性アゾベンゼンの分子設計指針の確立高速光応答を可能にする均一な網目構造を得るためのアゾベンゼンの分子設計指針はほぼ確立できた。そのため今後は実験計画2と実験計画3を中心に研究を行う。実験計画2.光異性化をトリガーとするドミノ倒し的アゾベンゼンの異性化の証明現在までの所、Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS)顕微鏡を利用してアゾベンゼンのトランス体とシス体を検知しようとしてきた。しかし、現在の系はネットワーク高分子中に溶媒を95%ほど含むため、アゾベンゼンのシグナルが弱く検知できない。そこでより感度の高い、ラマン分光法にて解析を行う。また、ネットワーク構造のマクロな動きは、ネットワーク高分子の網目よりもかなり大きな直径を有する蛍光ビーズをドープし、その動きをトレースすることで、解析する。実験計画3.光酸発生剤を利用したネットワーク型フォトメカニカル材料のパターンニングおよびフォトメカニカル効果を利用したナノアクチュエーターの作製予備的な実験を行い、アゾベンゼンを含む分子に導入したBoc基の脱保護を試みた。光酸発生剤としてはモノスルホニウム塩を利用しているが、そのカウンターイオンを変え、発生する酸の強さを変えて実験を行う。Boc基の脱離は主に薄膜クロマトグラフィーによる目視にて行っていたが、これを液体クロマトグラフィーに変更して定量的な解析を行う。

これにより、ネットワークに導入されるアゾベンゼンのうち、光応答性に有効なものの割合が約66%から87%へと大幅に上昇した。内径0.2 mmのガラスキャピラリーをモールドとして作成したゲルを溶媒中に固定し、垂直方向から波長405 nmのレーザー光を照射した。照射表面において体積が収縮することによるゲルの屈曲速度を比較すると、従来のものと比較して本研究のゲルは1.5倍の速度と、極めて高速に変形した。また、本研究では、ネットワークの架橋密度を高めることにより、セグメント同士の接近を防ぐことで凝集を軽減し、剛直性の高いイミド結合へ変換した後も本来の変形速度と可逆的光応答性を維持することに成功した。このゲルを種々の測定を通して多角的に評価し、光応答性ゲルの光変形挙動の詳細な解析を行った。共焦点レーザー顕微鏡により、ゲル中に分散させた蛍光マイクロビーズの動きから励起光照射に対するゲルのミクロスケールでの光応答性を確認した。その結果、照射枠内の方が照射枠外よりビーズと中心との距離の変位量、すなわち収縮・膨潤の大きさが小さく、加えてゲルの内部方向へ押し込まれて行く傾向が確認された。このことから、光応答性ゲルの屈曲挙動は「1紫外光照射枠内の部分が収縮してゲルの内部方向に入って行く→2網目を通じて力が伝搬して照射枠外の網目がほぼ平行に引っ張られる→3照射枠内の部分が支点となって屈曲」というメカニズムで生じると推測された。本研究では3年間で以下の点を明らかにする。実験計画1.高速光応答性アゾベンゼンの分子設計指針の確立特に高速光応答を可能にする均一な網目構造を得るためのアゾベンゼンの分子設計指針の確立実験計画2.光異性化をトリガーとするドミノ倒し的アゾベンゼンの異性化の証明実験計画3.光酸発生剤を利用したネットワーク型フォトメカニカル材料のパターンニングおよびフォトメカニカル効果を利用したナノアクチュエーターの作製これに対応して、以下の実験方法でアプローチを行っている。実験方法1.高速光応答性アゾベンゼンの分子設計指針の確立アゾベンゼンを含む、多官能性の分子を設計し、この分子と2官能性の分子を反応させたネットワーク高分子を合成することで、高速光応答性が実現できることが証明された。また、耐久性の高いポリイミドに変換することにより、耐熱性や経時安定性に優れた材料を得られた。実験方法2.光異性化をトリガーとしたドミノ倒し的アゾベンゼンの異性化の証明ラマン分光により、トランス体とシス体の異性化率の割合を測定しようと試みているが、ネットワーク高分子中に含有されている溶媒のシグナルが強いため、アゾベンゼンのシグナルが隠れてしまい、確認できていない。より感度の高い測定法の利用を検討している。また、ドミノ倒し的運動は、ネットワーク高分子中に導入した蛍光ビーズが光照射された部分と照射されていない部分で、どのように動くかを解析して、推定しようとしている。実験方法3.光酸発生剤を利用したネットワーク型フォトメカニカル材料のパターンニングおよびフォトメカニカル効果を利用したナノアクチュエーターの作製予備的な実験を行い、アゾベンゼンを含む分子に導入したBoc基の脱保護を試みた。
海洋生物の腸管に共生する海洋性微生物を利用した希少脂質生産法の開発

保湿機能を持つ脂質は化粧品や化成品用途に利用されている。本研究において、需要が拡大し今後供給不足が懸念されるスクワレンの発酵生産系確立と新たなファルネセン生産プロセスの開発を目指す。深海ザメや海洋生物にはユニークな中性脂質が多く含まれ、共生微生物による脂質改善が行われていると予想される。これら共生微生物群とそれぞれの海洋生物油脂との比較から生物種ごとに変化する脂質組成との相関を調べるとともに、新たな脂質生合成経路の解明とそれら関連酵素遺伝子を活用した油糧微生物での発酵生産へと連動する。魚をはじめとした様々な海洋生物の臓器および生息海域の海水を単離源として、好気性菌928株、嫌気性菌429株を単離した。また、海水からは好気性菌58株を単離した。単離菌株については好気(振盪培養)あるいは嫌気(静置培養)条件で3日間培養後、メチルエステル化およびけん化脂質をガスクロマトグラフィー質量分析(GC-MS)により解析した。その結果、数種の長鎖アルコールを蓄積する微生物を新たに見いだした。さらに、アルキルグリセロールを蓄積する微生物を単離した。アルキルグリセロールを蓄積する培養条件の検討を行ったところ、トレハロースを炭素源とすることでアルキルグリセロール生産性が顕著に増加し、また培養温度を28°Cとした場合に生育度は悪くなるもののアルキルグリセロール生産量が増加した。さらに、トリメチルシリル化脂質のGC-MS分析の結果、アルキルグリセロールのsn-1位にC16あるいはC17の炭素鎖を有することが示唆された。今後、アルキルグリセロールの分取精製を行った後に、NMRなどを用いてこれらの化合物の構造を決定する。魚をはじめとした様々な海洋生物の臓器および生息海域の海水から微生物を単離し、それら微生物の脂質群の解析を行った結果、これまでに、スクアレン、ジピコリン酸、長鎖アルコール、アルキルグリセロールを蓄積する微生物の単離に成功した。今年度は特に、アルキルグリセロールを蓄積する微生物の培養条件の検討と、アルキルグリセロールの構成脂質の構造予測を行った。この微生物はサメの腸管より単離されており、サメの肝油にはスクアレンだけでなくアルキルグリセロールの一種であるバチルアルコールが含まれることから、微生物がつくる脂質と宿主となる海洋生物の脂質の関係性を検討するうえで興味が持たれる。また、アルキルグリセロールを蓄積する微生物として硫酸還元菌が報告されているが、本研究で単離した菌株は一般的な好気性のバクテリアであることから、これまでにない新たなアルキルグリセロール生合成経路や、アルキルグリセロールの細胞内での役割があるかもしれない。単離した菌株は現状の最適条件下で、15 mg/L程度のアルキルグリセロールを蓄積することが分かっている。海洋生物あるいは海水などから微生物を単離し、それら微生物がつくる希少脂質の蓄積を高める培養条件の検討を試み、希少脂質の構造決定をいくつか行ったことから研究はおおむね順調に進んでいると判断される。これまでに得られた微生物がつくる希少脂質の構造を詳細に決定する。また、それらの生合成に関わる酵素あるいは酵素遺伝子を探索し、機能性を評価する。特にスクアレンを生産するバクテリアのスクアレン生合成経路が真核生物と同等なのか、ステロール類を生産するかなどを継続して精査する。バクテリア由来スクアレン合成酵素遺伝子を探索し、真核油糧微生物に導入することでその機能性を評価することを試みる。魚の腸内細菌群を単離し、脂質の包括的な解析を行ったところ、ジピコリン酸を蓄積するバクテリアを単離した。同定の結果、Bacillus属であると推定されたことから、蓄積されるジピコリン酸は芽胞形成に関連することが考えられた。培養条件を検討したところ、約300 mg/lのジピコリン酸が生成された。また、スクワレンを蓄積するバクテリアを単離した。しかしながら、その蓄積量は3 mg/l程度であった。anteisoの奇数鎖脂肪酸を蓄積したことからバクテリアであることが推測された。総脂肪酸に占めるanteiso奇数鎖脂肪酸の割合は65%に達した。本菌はグルコースだけでなく、スクロースやトレハロースでも良好に生育することが分かった。バクテリアのスクアレン生合成については不明な点も多く、生合成経路の解明と蓄積されるスクアレンの機能性について研究する必要がある。深海ザメを含む魚類や海洋生物に共生する微生物を多く単離し、脂肪酸組成やステロール組成分析を行った。多くの海洋性微生物はバクテリアであり、ジピコリン酸蓄積性のBacillus属細菌やスクアレン生産性の細菌の単離に成功した。ユニークな脂質生産性の微生物の単離を継続するとともに、これまでに単離された微生物の脂質生合成経路の解明にも取り組んでいることから、研究はおおむね順調に進んでいると判断される。

保湿機能を持つ脂質は化粧品や化成品用途に利用されている。本研究において、需要が拡大し今後供給不足が懸念されるスクワレンの発酵生産系確立と新たなファルネセン生産プロセスの開発を目指す。深海ザメや海洋生物にはユニークな中性脂質が多く含まれ、共生微生物による脂質改善が行われていると予想される。これら共生微生物群とそれぞれの海洋生物油脂との比較から生物種ごとに変化する脂質組成との相関を調べるとともに、新たな脂質生合成経路の解明とそれら関連酵素遺伝子を活用した油糧微生物での発酵生産へと連動する。魚をはじめとした様々な海洋生物の臓器および生息海域の海水を単離源として、好気性菌928株、嫌気性菌429株を単離した。また、海水からは好気性菌58株を単離した。単離菌株については好気(振盪培養)あるいは嫌気(静置培養)条件で3日間培養後、メチルエステル化およびけん化脂質をガスクロマトグラフィー質量分析(GC-MS)により解析した。その結果、数種の長鎖アルコールを蓄積する微生物を新たに見いだした。さらに、アルキルグリセロールを蓄積する微生物を単離した。アルキルグリセロールを蓄積する培養条件の検討を行ったところ、トレハロースを炭素源とすることでアルキルグリセロール生産性が顕著に増加し、また培養温度を28°Cとした場合に生育度は悪くなるもののアルキルグリセロール生産量が増加した。さらに、トリメチルシリル化脂質のGC-MS分析の結果、アルキルグリセロールのsn-1位にC16あるいはC17の炭素鎖を有することが示唆された。今後、アルキルグリセロールの分取精製を行った後に、NMRなどを用いてこれらの化合物の構造を決定する。魚をはじめとした様々な海洋生物の臓器および生息海域の海水から微生物を単離し、それら微生物の脂質群の解析を行った結果、これまでに、スクアレン、ジピコリン酸、長鎖アルコール、アルキルグリセロールを蓄積する微生物の単離に成功した。今年度は特に、アルキルグリセロールを蓄積する微生物の培養条件の検討と、アルキルグリセロールの構成脂質の構造予測を行った。この微生物はサメの腸管より単離されており、サメの肝油にはスクアレンだけでなくアルキルグリセロールの一種であるバチルアルコールが含まれることから、微生物がつくる脂質と宿主となる海洋生物の脂質の関係性を検討するうえで興味が持たれる。また、アルキルグリセロールを蓄積する微生物として硫酸還元菌が報告されているが、本研究で単離した菌株は一般的な好気性のバクテリアであることから、これまでにない新たなアルキルグリセロール生合成経路や、アルキルグリセロールの細胞内での役割があるかもしれない。単離した菌株は現状の最適条件下で、15 mg/L程度のアルキルグリセロールを蓄積することが分かっている。海洋生物あるいは海水などから微生物を単離し、それら微生物がつくる希少脂質の蓄積を高める培養条件の検討を試み、希少脂質の構造決定をいくつか行ったことから研究はおおむね順調に進んでいると判断される。まず、ユニークな脂質生産性の微生物の単離を継続する。特に、海洋性の藻類や微細藻類に関して分析検体数が少ないことから、それらに対してスクリーニングを行う必要がある。また、これまでに単離された微生物の脂質生合成経路の解明に取り組む必要がある。
包括的手法によるがん治療の新規放射線増感法の研究

がん治療において、物理的精度の向上や低侵襲性という面からも今後、放射線治療の大きな増加が見込まれる。一方、放射線治療の増感剤としては臨床に定着した増感剤はほとんどない。本研究においては種々の機能を持つ遺伝子を標的としてより広く網羅的に増感標的遺伝子を検索する。放射線感受性を増感させる候補遺伝子として抽出されたDNMT3b, poly(ADP-ribose) polymerase1 (PARP-1)、interleukin 27 receptor, alpha (IL27RA)、APOBEC3Gの評価を進め、これらの遺伝子の機能阻害が放射線感受性を増感させることを見出した。放射線治療では物理的精度の向上により肺がん等において治療成績が向上している。低侵襲性という面からも今後、放射線治療の大きな増加が見込まれる。一方、放射線治療の増感剤としては低酸素増感剤等が検討されているが、臨床に定着した増感剤はほとんどない。腫瘍局所での増感が達成できれば、照射線量を減少させ、再発時にも十分再照射ができるなど、局所制御率の向上につながる。shRNAライブラリーを用いた独自の放射線増感剤の網羅的スクリーニングを行い、HeLa細胞において、ノックダウンにより放射線増感を示す遺伝子標的として、DNAメチル化転移酵素DNMT3Bを見出した。DNMT3Bの機能阻害により、HeLa以外にA549,及びHCT116細胞株においてもガンマ線照射に対して増感効果を認めた。DNMT3Bの機能阻害によりガンマ線照射後のHP1β、γH2AX、Rad51のfoci形成が減少した。DNMT3Bの機能阻害下ではDNMT3B -HP1βの相互作用が低下し、ガンマ線照射後ΤP63、ΒΑX、PUMA、ΝΟXΑの発現が誘導された。DNMT3Bの機能阻害下で放射線増感が起きる機構として、HP1βとγH2AXのfoci形成不全が重要であることが示された。DNMT3Bのノックダウンを行ったA549細胞ではマウスのxenograftモデルにおいて放射線増感効果が認められた。DNMT3B遺伝子はがんでしばしば過剰発現を示すことから、DNMT3B阻害剤は放射線増感の標的の候補となりうると考えられる。平成27年度の研究計画に従って、がん細胞株についてshRNAライブラリーを用いた独自の放射線増感剤の網羅的探索系を用いて得られた候補遺伝子について放射線増感の検証と作用機構の解析が行え、xenograftモデルにおいても放射線増感効果を確認でき、放射線増感の標的候補1つを見出せたところであり、本年度の計画をほぼ達成できた。がんに対する放射線療法は放射線により細胞のDNAを破壊する作用を利用し、がん組織に集中的に放射線を照射することでがん細胞を死滅させる治療法である。放射線療法は体外からの局所的な治療が可能なため侵襲性が低く、高齢化社会に向けて応用の展開が期待されている。新規の放射線増感の標的を同定し、放射線増感剤の開発を検討するために網羅的な放射線増感因子の探索をレンチウイルスshRNAライブラリーを用いたマイクロアレイ解析により行っている。放射線感受性に影響を与える候補遺伝子の評価を進めた。この探索においてpoly(ADP-ribose) polymerase1 (PARP-1)、interleukin 27 receptor, alpha (IL27RA)、APOBEC3GのshRNAが抽出された。PARP-1は既知の放射線増感標的であり、DNA修復応答に関与する。PARP阻害剤はガンマ線のみならず、臨床応用が拡大されつつある陽子線治療に対しても有効であることをがん細胞株を用いて認めた。IL27RAの発現抑制によって肺がん由来A549細胞においてガンマ線に対する増感効果が誘導された。IL27RAの発現抑制は他のサイトカインの発現誘導に大きく影響を与えることが分かった。一方で正常ヒト線維芽細胞であるWI38細胞ではIL27RAの発現抑制では放射線増感は誘導されなかった。IL27RA、APOBEC3G発現阻害による放射線増感の機構について、さらに検討を加えている。放射線感受性に影響を与える候補遺伝子が網羅的探索系により、複数抽出され、そのそれぞれの機構を十分に解析するために時間がかかっており、H29年度に繰越をして研究を継続することにした。放射線感受性に影響を与える候補遺伝子が網羅的探索系により、複数抽出され、これらの増感標的候補について検証と解析を行った。網羅的な放射線増感因子の探索をヒト子宮頚部がん由来HeLa細胞株を用いて、レンチウイルスshRNAライブラリーによるマイクロアレイ解析により行ってきた。放射線感受性を増感させる候補遺伝子として抽出されたpoly(ADP-ribose) polymerase1 (PARP-1)、interleukin 27 receptor, alpha (IL27RA)、APOBEC3Gの評価を進めた。IL27RAのsiRNAによるノックダウン条件下で複数の肺がん細胞株においてガンマ線照射に対し増感効果がコロニー形成法で示された。IL27RAの発現抑制はガンマ線照射後の特定の複数のサイトカインの発現誘導に照射後2-4日の範囲で影響を与えた。APOBEC3GのsiRNAによるノックダウン条件下では、特定の肺がん細胞株と前立腺がん細胞株においてガンマ線照射に対し増感効果をコロニー形成法で認めた。APOBEC3GのsiRNA処理条件下ではガンマ線照射後の細胞周期停止が影響を受け、DNA修復応答の阻害の可能性が示唆された。

11株の複数のがん種を含むヒトがん細胞株でAPOBEC3Gの発現レベルをリアルタイムPCR法で検討したところ、約70%の株で高い発現レベルを示し、増感標的候補となることが示された。今後、APOBEC3Gの機能阻害によるDNA修復経路や細胞死誘導への影響をさらに検討し、放射線増感に適するがん種について検討し、臨床応用への可能性を検討する必要がある。がん治療において、物理的精度の向上や低侵襲性という面からも今後、放射線治療の大きな増加が見込まれる。一方、放射線治療の増感剤としては臨床に定着した増感剤はほとんどない。本研究においては種々の機能を持つ遺伝子を標的としてより広く網羅的に増感標的遺伝子を検索する。放射線感受性を増感させる候補遺伝子として抽出されたDNMT3b, poly(ADP-ribose) polymerase1 (PARP-1)、interleukin 27 receptor, alpha (IL27RA)、APOBEC3Gの評価を進め、これらの遺伝子の機能阻害が放射線感受性を増感させることを見出した。DNMT3Bの含まれる「増感標的クラスター」についてその意義を検討し、クラスター内の増感標的候補の意義を検討する。また、shRNAライブラリーを用いた網羅的探索系からの他の増感候補遺伝子について文献情報などで絞り込み、検証を行い、臨床的意義の高い、より有用な放射線増感標的を同定する。放射線感受性に影響を与える候補遺伝子が網羅的探索系により、複数抽出され、そのそれぞれの機構を解析し、有望な候補遺伝子については臨床的意義を検討し、その阻害剤の開発研究へと導出の予定である。薬学、生化学、腫瘍学、分子生物学円の通貨構造の性質上、避けられない余剰として発生したものである。本研究ではがんの放射線治療への応用に有効な複数の放射線増感候補遺伝子を選定した。その増感機構が複雑であるために、増感機構の解析に想定以上の時間を要しており、来年度にかけて研究期間を延長し解析を行い、論文投稿に十分な時間を確保することが必要であるため、延長を申請した。物品費等に計上する予定である。本研究で選定したがんの放射線治療に有効な複数の放射線増感候補遺伝子について、その増感機構を分子レベルで解析し、論文作成の準備を進める。
実験的マウス角膜移植におけるTGF-β投与後の拒絶反応抑制効果

今回の実験モデルでは、ドナーとしてC57BL/6(H-2b)マウス、レシピエントとしてBALB/c(H-2d)マウスをそれぞれ使用した。この組み合わせはドナーとレシピエントの間で主要組織適合抗原(MHC)のみならずそれ以外のマイナ-抗原も異なり、抗原性の相違が強い。まず予備的実験として、豚の活性型TGF-2(R&Dsystem社)を経静脈的に3ngまたは30ng投与し、遅延型過敏反応(DTH)を局所にて計測したところ、dose-dependentに遅延型過敏反応は抑制され、TGF-βの経静脈投与によっても細胞性免疫抑制効果があったものと判断された。全層角膜移植の実験群では、ドナー径、レシピエント径は2.0mmのsame sizeを使用し、手術当日から14日間連続にて、3ngのTGF-β2経静脈投与と、一方コントロール群としてはTGF-βを含まないPBS単独経静脈投与を施行した。TGF-β投与群、コントロール群の両者とも少なくとも8週間、角膜の透明性、浮腫、血管新生などを経過観察し、拒絶のパターンや拒絶発生率を観察した。結果としては、術後8週目における拒絶発症率は、TGF-β投与群が44%、コントロール群が90%で、移植片混濁率は、TGF-β投与群が34%、コントロール群が80%で2群間で統計学的に有意差を認めた。今回の実験結果から、TGF-β投与によって全層角膜移植後の拒絶抑制効果が期待され、将来、臨床的な角膜移植後にもTGF-β使用できる可能性が示唆された。
耳下腺アミラーゼ分泌の細胞内機序:cyclic AMPとCa^<2+>相互作用

耳下腺遊離細胞をBio-Gel-P-2と混ぜ小さなカラムに詰め灌流下で種々のアゴニストによるアミラーゼ分泌パターンを解析する系を確立した。この系を用いアミラーゼ分泌を解析したとき、Isoproterenol (Isop)などcyclic AMP系を介するアゴニストとCarbachol (CCH), Substance p (Sub-P)などカルシウム(Ca^<2+>)系を介するアゴニストの間でアミラーゼ分泌パターンは異なっている。この性質を利用して両者の相乗効果のメカニズムを解析した。その結果、IsopとCCH又はSub-P両者の存在下でみられるアミラーゼ分泌は2相性(第一の鋭いピークとそれに続くプラトー)を示し、その分泌パターンは、CCHなど単独で得られるパターンと類似した。第一のピークは外液のカルシウムを除去してもほとんど変化しなかったが、プラトーは消失した。Isopの効果は、dibutyryl cyclic AMPやIBMXの利用でほぼ完全に置き換えることができた。細胞内遊離カルシウム([Ca^<2+>]_1)を増加するcalcium ionophore (A23187, ionomycin)やthapsigarginとIsopの間でもアミラーゼ分泌の相乗効果がみられた。Isopでの連続刺激時外液のCa^<2+>を増加した場合にも、著明なしかも一時的なアミラーゼ分泌のピークがみられた。この効果(Ca^<2+>効果と名付ける)の大きさは外液のCa^<2+>濃度は依存し、またionomycinで前処理し細胞膜のCa^<2+>の透過性を増加したときに増強した。このCa^<2+>効果の時間変化は、Sub-PやCCHの効果を類似していた。またCa^<2+>効果は、PDBu存在下で増大したがIsopとPDBuの間ではアミラーゼ分泌の相乗効果はみられなかった。なおIsopはFura IIを用いて測定したCCHやSub-Pによる[Ca^<2+>]_1増加作用には影響しなかった。以上の結果はIsopとCa^<2+>系アゴニストの間でみられるアミラーゼ分泌の増強効果は細胞内第2伝達体(cyclic AMPとCa^<2+>)間の相互作用の結果発現していること、その効果は主にcyclic AMP系が細胞内におけるCa^<2+>の効果を修飾することによって生じている。なおCa^<2+>効果が一時的だったことはCa^<2+>によるアミラーゼ分泌作用に対する脱感作が生じていることを示唆する。従って、Sub-PやCCHによるアミラーゼ分泌が一時的なことのメカニズムの少なくとも一部にCa^<2+>効果に対する脱感作が関与しているかもしれない。

耳下腺遊離細胞をBio-gel P-2と混ぜ小さなカラムに詰め潅流下で種々のアゴニストのアミラーゼ分泌パターンを解析する方法を確立した。この方法を用いて細胞内カルシウム系を介するアゴニスト(主にcarbachol(CCH)とsubstance P)とcyclic AMP系を介するアゴニスト(isoproterenol)との間のアミラーゼ分泌に及ぼす相互作用を解析し以下の結果を得た。1.カルシウム系アゴニストとisoproterenolとの間でみられるアミラーゼ分泌の増強効果はisoproterenolがカルシウム系アゴニストの効果を修飾することにより発現する。(カルシウム系アゴニストがisoproterenolの効果に影響しているのではない。)2.イソプロレテノールの効果はdibutytyl cyclic AMPや細胞内cyclic AMPを増加するisobutyl methlxanthine,forskolinの添加でほぼ完全に再現された。3.細胞内カルシウムを増加するcalciumionophore(ionomycin,A23187)やthapsigarginとisoproterenolとの間でも2相性アミラーゼ分泌の増強がみられた。4.isoproterenolとPDBuとの間ではアミラーゼ分泌に相乗効果はみられなかった。またH-7などC-kinaseの阻害剤は相乗効果に影響しない。5.isoproterenolはCCHやsubstance Pによる細胞内遊離カルシウム増加作用は増強しなかった。6.以上の結果はカルシウム系アゴニストと、isoproterenolのアミラーゼ分泌の相乗効果は第2伝達体間の相互作用でおこっていること、多分cyclic AMPが細胞内でのカルシウムの作用の発現を修飾することによっている。耳下腺アミラーゼ分泌において細胞内でのcyclic AMPとカルシウム(Ca^<2+>)系との間でみられるアミラーゼ分泌の相乗効果のメカニズムにおけるカルシウムの役割をより直接的に明らかにするため、イソプロテレノール持続刺激時に外液のCa^<2+>濃度を増加したときみられるアミラーゼ分泌効果の時間変化を灌流系で解析した。その結果外液Ca^<2+>の増加に反応して著明なアミラーゼ分泌の促進がみられた(Ca^<2+>効果)。このCa^<2+>効果の大きさは外液のCa^<2+>濃度に依存し、また細胞をあらかじめイオノマイシンなどで前処理し細胞膜のカルシウム透過性を増加した条件下で明らかに増大した。Ca^<2+>効果の大きさはPDBuの存在下で有意に増強したが、PDBuのみを用いたときにはイソプロテレノールとの間にアミラーゼ分泌の相乗効果はみられなかった。ところでこのCa^<2+>効果は外液Ca^<2+>の持続投与にもかかわらず長続きせず一時的であり、その時間変化はサブスタンスP(P-物質)やカルバコールなどによる時間変化に類似していた。なおFura-2を用いて測定した細胞内遊離カルシウム([Ca^<2+>]_f)は外液のCa^<2+>を増加した場合増加したがその効果は小さく、また持続的であった。
廃用性筋萎縮の鍵を握るミトコンドリア生物学

本研究では、イニシエーションとして寝たきりや無重力の刺激に最も弱い酵素アコニターゼ(いわゆるメカノセンシング蛋白質)の活性を低下させることにより、機械的シグナルが化学シグナルに変換されることを証明した。さらに、本来なら筋肥大因子として機能するインスリン様増殖因子(IGF-1)が、ミトコンドリアの形態異常と除去(Mitophagy)を誘導し、細胞内酸化ストレスや筋萎縮関連ユビキチンリガーゼ(Atrogenes)の発現を増幅することもわかった。本研究により、“廃用性筋萎縮の病態はミトコンドリアによる機械的ストレスの感知とそれに起因した代謝異常である"という概念を提唱できた。超高齢化社会を迎え寝たきり患者が急増している我が国では、無重力や寝たきりの感知の仕組みとそれが筋萎縮へとつながる機構の証明が待たれている。「無重力や寝たきりによる筋萎縮のメカニズムを解明する」ためのMyoLab宇宙実験(申請者らが2010年4月に実施)における研究から、機械的ストレスの感知は、1)イニシエーションと2}増幅の2段階のステップで行われていることが明らかとなってきた。イニシエーションでは、ごく初期の機械的ストレスの力学的な作用で"構造のゆがみ"を介して酵素活性に影響を与える段階である。増幅はこの初期応答により生じた代謝異常をさらに増幅させるシステムである。本研究では、イニシエーションとして寝たきりや無重力の刺激に最も弱い酵素(いわゆるメカノセンシング蛋白質)の活性を変化させることにより、機械的シグナルが化学シグナルに変換されることを証明しつつある。さらに、本来なら筋肥大因子として機能するIGF-1 (insulin-like growth factor 1)が、ミトコンドリアの形態異常と除去(Mitophagy)を誘導し、細胞内酸化ストレスや筋萎縮関連ユビキチンリガーゼ(Atrogenes)の発現を増幅することも示したい。申請者らがこれまで取り組んできたメカノセンシング研究・筋萎縮研究の集大成である本研究により、"廃用性筋萎縮の病態はミトコンドリアによる機械的ストレスの感知とそれに起因した代謝異常である"という概念を提唱することを目的としている。その成果は、リハビリテーションや薬剤の新規治療ターゲットになりうる分子の発見に通じると期待されている。現在は、1)イニシエーションステップにおけるメカノセンシング蛋白質の同定、2)筋肥大因子IGF-1による酸化ストレス増幅作用、3)寝たきりや無重力によるミトコンドリアの断片化と分解(Mitophagy)、4)次世代シークエンサーによるトランスクリプトーム解析を分析中である。これらの知見を基に、廃用性筋萎縮の最適な予防法、治療法を考案する。宇宙開発の急速な進歩および超高齢化社会が進む我が国では、廃用性筋萎縮に対する予防法や治療法の確立が急務となっている。しかしながら、未だに骨格筋による無重力感知機構は明らかにされていない。これまでの本研究により、その一端が解明されつつある。まず、筋細胞内において無重力ストレスを感知する小器官は、ミトコンドリアであることを明らかにしていた。無重力を感知したミトコンドリアは、酸化ストレス産生増大を介して筋細胞内のタンパク質分解を促進していた。この酸化ストレスの産生機構について、小胞体からのカルシウムイオン放出が引き金になることも見出した。この無重力による小胞体への影響については、現在解析中である。また、筋肥大因子として注目していたIGF-1による副作用には、このミトコンドリア由来の酸化ストレスが重要な働きをしていることを見出していた。さらに、IGF-1の副作用を抑えうる抗酸化タンパク質としてフラタキシンを同定することに成功した。培養細胞レベルにおいて、フラタキシンの強発現が無重力による筋萎縮を抑制しうることを示すデータも蓄積されつつある。最後に、次世代シークエンサーによるトランスクリプトーム解析も順調に進行している。具体的には、無重力ストレスにより転写過程における読み間違いが起こりやすいスポット(ホットスポット)があることを見出した。今後は、このホットスポットに存在する遺伝子を同定し、廃用性筋萎縮におけるその遺伝子の機能解析を進めている。これらの蓄積されつつある基礎的なエビデンスに基づき、廃用性筋萎縮に対する強力な新規予防法や治療法を提案する。寝たきりや無重力環境でみられる筋萎縮(廃用性筋萎縮)を克服するためには、筋細胞がどのように寝たきりや無重力環境を感知して、その応答がどのように筋萎縮につながるのかを解明しなければならないが、その多くは謎のままである。本研究により、廃用性筋萎縮はミトコンドリア病である(ミトコンドリア異常による酸化ストレスが原因である)ことを見いだした。そして、以下のように寝たきりや無重力などUnloadingストレスに対するミトコンドリアを介した感知の仕組みとそこから筋萎縮へとつながる経路を解明した。1.イニシエーションステップにおけるメカノセンシング:Unloadingストレスはまず最初に筋細胞に酸化ストレスが生じることがわかった。

興味深いことに、この酸化ストレスがミトコンドリアのアコニターゼ活性が低下させ、ミトコンドリアの断裂を誘導した。2.筋肥大因子IGF-1による酸化ストレス増幅作用:寝たきりや無重力の環境では、IGF-1は筋障害因子として機能していることを明らかにした。先述のとおり寝たきりや無重力環境ではTCAサイクルの律速酵素であるアコニターゼの活性が低下している。そのような条件ではIGF-1は細胞内グルコース濃度を増大し強制的にTCAサイクルを回転させるため、より多くのROSが産生すると考えられた。3.寝たきりや無重力によるミトコンドリアの断片化と分解(Mitophagy):模擬無重力環境に曝露した筋細胞のミトコンドリアの断片化は、アコニターゼをノックダウンすることによっても再現できた。さらに、断片化したミトコンドリアは直ちにオートファジーにより排除された。4.次世代シークエンサーによるトランスクリプトーム解析:Unloading環境においても、筋細胞の転写は正常に行われていた。Unloadingによる筋萎縮は転写以上ではないことが示唆された。26年度が最終年度であるため、記入しない。宇宙医学26年度が最終年度であるため、記入しない。Unloadingによる筋萎縮におけるミトコンドリアの重要性を見出しつつある。具体的には、ミトコンドリアからの酸化ストレスが筋萎縮に引き金であるが、その酸化ストレスの産生メカニズムを解明するKeyを得た。一方、次世代シークエンサーによるシークエンス作業も終了し、現在Bioinformaticsによるエクソーム解析の分析中である。宇宙環境固有の転写異常を見出した。筋細胞における無重力ストレスの感知機構について、全体像がはっきりと見え始めている。具体的には、筋細胞内のミトコンドリアが無重力ストレスを感知することを見出しただけでなく、小胞体からのカルシウムイオン放出がその上流に位置することも明らかにできた。廃用性筋萎縮の予防や治療において重要であると考えられる、筋肥大因子IGF-1の副作用の抑制については、フラタキシン強発現が有効である可能性も示すことができた。次世代シークエンサーによるトランスクリプトーム解析においても、無重力ストレス応答に重要であることが示唆される遺伝子の同定につながる可能性が極めて大きくなっている。概ね順調に進展しているので、当初の予定通り研究を行っていく。本研究の成果は、宇宙生物学へ応用、発展させることが可能であるため、実際の宇宙実験の実施を目指した研究も推進させたい。概ね順調に進展しているので、当初の予定通り研究を進めていく。本研究は、培養細胞レベルであるが、このまま研究計画を遂行することで基礎的なデータを積むことができれば、臨床応用する際にスムーズに個体レベルに移行することができると確信している。将来、臨床応用が実現できることを見据えて研究を推進していきたい。