hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
新規なキラルブレンステッド酸触媒の開発とその応用

(R)-ビナフトールより誘導したキラル環状リン酸をキラルブレンステッド酸触媒として用いた不斉合成反応の開発研究を行った。また,新規な水素源を用いたイミンの不斉還元に成功し,光学活性な含窒素化合物を光学純度良く得ることができた。更に,イミン以外の基質を用いた不斉触媒反応の開発を目指して研究を進めた結果,分子内アルドール反応をエナンチオ選択的に行うことにより,シクロヘキセン等の化合物を光学純度良く得ることを見出した。すぐれた不斉触媒反応の開発は,有機合成化学における最も重要な課題に一つである。これまで,(R)-BINOLより調製した光学活性環状リン酸ジエステルが,イミンに対する,付加反応,付加環化反応等において,すぐれた不斉触媒能を示すことを見出してきた。マンニッヒ型反応の反応機構を明らかにするために,量子化学計算を行った。(R)-BIPHENOL由来のリン酸をモデルとして用いて密度半関数であるBHandHLYP/6-31G*レベルで理論化学計算を行い,リン酸とイミンとの錯体の安定構造,更に,マンニッヒ型反応の遷移状態を計算した。リン酸のホスホリル基がイミンの窒素置換上のフェノール性水酸基と水素結合を形成し,9員環遷移状態を経て付加反応が進行することを明らかにした。これまで,リン酸を用いた不斉触媒反応においては,求電子剤として,ほとんどの場合イミンが用いられてきた。イミン以外の基質に対する不斉触媒反応を開発することが出来れば,リン酸触媒の有用性が大きく発展すると考えられる。そこで,イミン以外の基質を用いてリン酸の触媒反応を検討した。求電子剤として,α,β-不飽和ケトンを用いた反応について検討した。テトラロ由来のβ-ケトエステルを求核剤として用い,メチルビニルケトンとの1,4-付加反応において,3,3'-位に2,4-(CF_3)_2C_6H_3基の置換したH_8-BINOL由来のリン酸を用いることにより,最高83%eeで対応する1,4-付加体が得られることを見出した。我々は、(R)-BINOLより得られるリン酸エステルがキラルブレンステッド酸として優れた不斉触媒能を有することを見出している。本触媒は数多くの研究者がその触媒活性を検討し、おもに、イミンに対する求核付加反応や付加環化反応などにおいて優れた不斉触媒能を示すことが明らかにされている。本研究ではこれまであまり研究されていなかったカルボニル化合物の活性化に取り組み、分子内アルドール反応の不斉触媒反応の開発を目指して研究を行った。その結果、テトラロン由来のケトエステルとメチルビニルケトンにより得られる化合物を用いて分子内アルドール反応を行ったところ、アルドール反応において速度論的光学分割を行うことができることを初めて見出した。3,3'位に(2,4,6-(i-Pr)_3C_6H_2基の置換したキラルリン酸を触媒として用いることにより、鏡像異性体間でのアルドール反応の速度が大きく差別化することが可能であり、ラセミから出発して分子内アルドール反応、さらに引き続く脱水反応により、対応するシクロヘキセノン誘導体が最高92%eeで得られた。更に,面対称を有するトリケトンを基質として用いる事により同触媒により,アルドール反応において非対称化が効率良く進行し対応するシクロヘキセノン誘導体が最高94%eeで得られる事も見出した。得られた化合物は、ステロイド等の生理活性化合物の有用な合成中間体になると考えられる。高い不斉誘起が発現する理由については理論化学的な手法を用いて明らかにする予定である。以上、本研究により、キラルブレンステッド酸触媒により光学分割,非対称化というこれまでにない現象を見出すことができ、リン酸触媒の適用範囲をさらに拡げることができた。優れた不斉触媒反応の開発は,有機合成化学における最も重要な課題の一つである。これまで我々は,(R)-BINOLより得られるキラルリン酸がキラルブレンステッド酸触媒として優れた不斉触媒能を有する事を見出し,イミンに対する求核付加反応,付加環化反応等に有効である事を報告している。今回,リン酸触媒反応のイミン以外の基質への展開を目指して,インドールと様々な基質とのFriedel-Craftsアルキル化反応を検討した。既に,インドールとニトロアルケンとのFriedel-Craftsアルキル化反応を報告しているので,トリフルオロピルビン酸エステルと,α,β-不飽和ケトホスホン酸エステルとの反応を試みた。トリフルオロピルビン酸エチルとの反応は,無触媒条件下においても進行するため,無触媒反応と触媒反応の競争になる。高希釈条件下において反応を行うことにより,無触媒反応を抑制することができ,対応する付加体を高い光学純度で得る事に成功した。

また,α,β-不飽和ケトホスホン酸エステルとの反応は,かさ高い置換基を有するリン酸を用いることにより,付加反応が効率良く進行し,アルコールで反応を処理することにより,ケトホスホン酸エステル部位がエステルに変換され,対応する対応するエステル付加体を高い光学純度で得る事に成功した。
ショウジョウバエを用いた特異的神経認識の分子遺伝学

我々はショウジョウバエ神経-筋結合をモデル系として、神経特異認識に関与する分子の同定、機能解析を行っている。これまでに、神経-筋標的認識分子の候補として、ともにleucine rich repeat(LRR)ファミリーに属するconnectin,Tollを同定することに成功している。(1)connectinの機能解析connectinは神経-筋結合過程において、一部の運動神経(特にSNa)の軸索と成長円錐、およびその標的筋肉(♯21-24)において特異的に発現している。MHC(myosin heavy chain)のプロモーターを利用し、Connectinを、すべての筋肉において異所発現した。その結果約65%の体節においてSNaが、標的領域近傍の筋肉♯12に対し軸索を伸ばし異所的なシナプスを形成するのが観察された。さらに、筋肉における発現はそのままにして、神経SNa側でのConnectinの発現をなくしたところ、異所的シナプスの形成は見られなかった。以上の結果っからconnectinはともにこの分子を発現する運動神経と筋肉間の誘引的な相互作用を介することにより神経-筋標的認識分子として働くことが分かった。(2)新たな神経-筋認識候補分子の同定一部の筋肉および少数の神経細胞において特異的にレポーター遺伝子を発現する、エンハンサートラップ株P750についてcDNAのクローニング、構造決定を行った。その結果、P750はconnectin、Tollと同じく、LRRファミーリーに属する膜貫通型蛋白質をコードすることが分かった。特定の神経や筋肉の表面において発現すること、また同じファミリーに属するconnectinについて示されている機能などから、この分子は新たな神経認識分子であることが期待された。
炭素ラジカルと陰イオンの連続利用による高効率分子骨格合成

マンガン金属に微量の塩化鉛(II)とクロロトリメチルシランを添加すると、マンガン金属が活性化され、その表面から速やかに電子が出てくることを見いだした。このマンガン-鉛系でヨウ化アルキルを処理すると、還元によりアルキルラジカルが発生すること、さらに、そのラジカルはこの還元雰囲気下で分子間反応が行なえる程度の寿命をもつことが明らかになってきた。複雑な分子骨格の合成には、温和な反応条件下に反応位置や立体化学の制御が不可決である。この研究の目的はラジカルや陰イオンだけでは行なえない多段階の反応を、それらを連続して発生させることにより、それぞれの活性種の反応の選択性の違いを活かし、効率よく選択的に行なうことである。上記のマンガン-鉛系を利用し、ラジカルと陰イオン種を連続的に発生させることにより、炭素-炭素結合を段階的に生成し、多分子を一挙に連結する反応を開発した。「アルキルガジカルと陰イオン種の連続発生と利用」という有機合成の新しい方法論を提唱することができた。以下の研究成果を、学術論文として報告した。(1)マンガン-鉛系を用いるヨウ化アルキル、α,β-不飽和エステル(あるいはニトリル)、アルデヒド(あるいはケトン)の3分子連結反応を見いだした。(2)この手法の応用として、マンガン還元により生じたアルキルラジカルの、アリルアルコール類のアクリル酸エステル誘導体に対する1,4-付加をきっかけとするIreland-Claisen転位反応を開発した。
染色体凝縮タンパク質コンデンシンの細胞周期における制御機構の解析

コンデンジジは、SMC2/SMC4の二つのSMC ATPaseサブユニットと三つのnon-SMCサブユニットからなるタンパク質複合体で、M期の染色体凝縮に必須の因子である。最近になって、修復、チェックポイントの活性化、転写制御などの間期におけるDNA代謝にもこの酵素が関与することが報告されている。コンデンシンは、in vitroでATP依存的にDNAに正のスーパーコイルを導入する活性(スーパーコイリング活性)を持つ。我々は、コンデンシンの細胞周期における制御機構を解析した。コンデンシンのタンパク量、及びタンパク質の安定性は細胞周期を通じて一定だった。細胞周期におけるリン酸化を調べたところ、コンデンシンは間期においてCK2で、M期ではCdc2でリン酸化されていた。M期でのリン化がコンデンシンのスーパーコイリング活性を促進するのに対して、CK2による間期リン酸化は著しく抑制した。このCK2による抑制的なリン酸化レベルの細胞周期における変動を調べたところ、M期に染色体上で著しく低下していた。さらに、ツメガエルのM期卵抽出液中で、コンデンシンのCK2部位のリン酸化レベルを上昇させると、染色体の凝縮は阻害された。これらの結果から、コンデンシンの機能は、従来から考えられていたM期キナーゼCdc2だけでなく、CK2によっても制御されていることが示唆された。一方、精製したコンデンシンをin vitro転写系に加えると、転写レベルは抑制された。また、その抑制はCK2によるコンデンシンのリン酸化により解除された。これらの結果から、コンデンシンは、間期においてもクロマチン構造をコンパクトな構造に転換するのに寄与し、CK2リン酸化によるコンデンシン活性の抑制は、クロマチン構造の弛緩と、その結果としての転写活性化に関与している可能性が示唆された。コンデンシンは、SMC2とSMC4のヘテロ二量体および3つのnon-SMCサブユニットから構成されるタンパク質複合体で、細胞分裂期(M期)染色体凝縮と分配に重要な役割を果たしている。ツメガエルや酵母などを用いたこれまでめ研究により、コンデンシンのM期特異的な機能は、染色体への結合のレベルとDNA高次構造を変換する活性のレベルで制御されていることが示唆されている。本研究では、哺乳類体細胞でのコンデンシンの細胞周期における制御機構を明らかにするために、HeLa細胞を用いた詳細な解析を行った。コンデンシンタンパク質の量と安定性は細胞周期を通じてあまり変化しなかった。^<32>P正リン酸を用いた細胞標識の実験によりコンデンシンのリン酸化レベルを調べたところ、SMC4とnon-SMCサブユニットが細胞周期を通じてリン酸化されていた。しかし、M期染色体骨格のリン酸化部位をエピトープとするモノクローナル抗体MPM-2でイムノブロッティングを行った結果、M期細胞から精製したコンデンシンのnon-SMCサブユニットにのみリン酸化シグナルが検出された。さらに、ホスホペプチドマッピング解析により、M期コンデンシンのnon-SMCサブユニットは、間期でのリン酸化部位の他に特異的な部位がリン酸化されていることが明らかになった。DNAの高次構造を変換する活性についても、MPM-2特異的なリン酸化に対応してM期において強く検出された。一方、細胞内での局在を調べたところ、コンデンシンは間期ではほとんどクロマチンに結合していないのに対して、M期では約25%が染色体に結合していた。さらに、この染色体結合型のコンデンシンは、特異的な部位がリン酸化されていた。以上の結果から、HeLa細胞においてコンデンシンがM期特異的なリン酸化により、活性および局在が制御されている可能性が示された。

コンデンシンは、SMC2とSMC4のヘテロ二量体と3つのnon-SMCサブユニットから構成されるタンパク質複合体で、細胞分裂期(M期)染色体凝縮に中心的な役割を担っている。精製したコンデンシンは、トポI存在下でATP依存的に弛緩型閉環状DNAに正のスーパーコイルを導入する活性(スーパーコイリング活性)を持つ。この活性はCdc2キナーゼによるM期特異的なリン酸化により促進されることから、M期染色体凝縮に直接的に関与することが示唆される。一方で我々は、HeLa細胞においてコンデンシンが、M期に特定の部位がリン酸化されるだけではなく、他の部位が細胞周期を通してリン酸化されていることを見いだした。そこで、これらのリン酸化の役割を比較・検討するために、M期および対数増殖期のコンデンシンを脱リン酸化し、スーパーコイリング活性に対する影響を調べた。M期から精製したコンデンシンは脱リン酸化により活性が減弱するのに対して、予想外なことに対数増殖期から精製したコンデンシンについては、脱リン酸化処理で逆に活性の上昇が観察された。さらに、脱リン酸化したコンデンシンを細胞周期非依存的なカゼインキナーゼIIでリン酸化すると活性が低下した。また、脱リン酸化したコンデンシンはツメガエル間期卵抽出液中でリン酸化されるが、間期卵抽出液からカゼインキナーゼIIを除去するとコンデンシンはリン酸化されなくなった。これらの結果から、コンデンシンは間期において機能しないように、カゼインキナーゼIIによるリン酸化で活性が抑制されていることが示唆された。コンデンシンは、SMC2/SMC4の二つのSMC ATPaseタンパク質と三つのnon-SMCタンパク質からなるタンパク質複合体で、M期の染色体凝縮に必須の因子である。最近になって、修復、チェックポイントの活性化、転写制御などの間期におけるDNA代謝にもこの酵素が関与することが報告されている。コンデンシンは、in vitroでATP依存的にDNAに正のスーパーコイルを導入する活性(スーパーコイリング活性)を持つ。我々は、コンデンシンが間期においてM期とは別の部位がCK2によりリン酸化されていることを見いだした。M期でのリン酸化とは逆に、間期リン酸化はコンデンシンの活性を著しく抑制した。細胞周期における、このCK2による抑制的なリン酸化の制御を調べたところ、M期染色体上でCK2部位のリン酸化レベルが著しく低下していた。さらに、ツメガエルの卵抽出液の系において、コンデンシンのCK2コンセンサス部位のリン酸化レベルを上昇させると、染色体の凝縮は阻害された。これらの結果から、細胞周期においてコンデンシンの機能は、従来から考えられていたM期キナーゼCdc2だけでなく、CK2によっても制御されていることが示唆された。一方間期での役割を調べるために、精製したコンデンシンをin vitro転写系に加えると、転写レベルは抑制された。また、その抑制はCK2によるコンデンシンのリン酸化により解除された。
初等中等教育における道徳性の発達段階や学習者特性を考慮した情報モラル指導法の開発

本研究では、道徳性の発達段階や学習者特性を考慮した指導法を設計・実践・評価・改善するサイクルを実行した。そして(1)小学生を対象として日常モラルの考え方をICT活用場面に適応する指導法、(2)中学生を対象として体験学習における題材の身近さや題材のイメージの違いが及ぼす影響の検討、高校生を対象として(3)商取引の関係的理解を促すために作問演習の効果の検討、(4)SNS利用に対する実行可能な行動基準を作成する指導法の検討、そして(5)SNS上のコミュニケーションの向上を目指すために社会スキルトレーニングの適応の方法、の研究に取り組み、指導方法の違いによる効果検討や、指導法の提案を行った。平成25年4月末まで育児休業を取っており、7月から研究を再開した。この期間に行ったことは次の4つである。(1)情報モラルの指導により何の向上を目的にするかについて、関連する分野の文献調査を行った。その結果、特に知恵を磨く領域において、数学で考えられている道具的理解(記憶している規則を機械的に応用する力)と関係的理解(一般的な関係から特殊な手続きを引き出せる力)が、情報モラルにも応用できるのではないかと導き出された。(2)前々年度から試行を繰り返している作問演習による情報モラルの授業実践を2013年11月と12月に別の高等学校で、上記(1)の関係的理解の向上を目指して行った。実践の結果、何を道具的理解と定義づけるか、また関係的理解と定義づけるかにあいまいさが残っていることがわかった。さらに、体験的学習と作問演習と関係的理解の3つの関係を整理する必要がわかった。(3)平成25年度からの新しい実績としては、中学1年生を対象にタブレットPCを用いたレディネス調査を行った。なぜなら、子どもたちの携帯電話、特にスマートフォンの利用率は急激に増加しており、スマートフォンを使った問題は情報モラルの対象であるからである。また、タブレットPCは情報モラルの指導のツールとして用いる可能性もあるからである。一方、教育の情報化においては、小学校6年生までにコンピュータの操作の基本的なスキルを身につけるとしている。そこで、まずは、小学校過程を終えた中学校1年生を対象に、PCとタブレットPCを用いて、基本的操作がどこまで使えるのかの調査を行った。その結果、タブレットPCの方がPCよりも使用率が低いにも関わらず、基本的操作が行える場面が多いことが明らかになった。(4)これまでの研究結果を、全国大会等で発表し、また紀要への投稿を行った。また、2014年度4月に行われる国際会議への投稿も行った。平成24年度は8月から産休に入ったため、研究期間は4月から7月の4か月間であった。この期間に行ったことは次の3つである。まず1点目として、文献調査を行った。今回は、次の二つに注目した。一つ目として、主に算数・数学教育で用いられている作問演習についてである。この研究は一昨年度に始めたばかりであり、1年目で課題となっていたことを引き続き検討した。二つ目として、社会心理学における相手を説得するための方法を調査した。一般的に情報モラルは「してはいけない。すべきである」という形をとる。そのため、情報モラル教材を作成する際には、相手を説得する必要があり、それに活用するためである。その結果、オーバーハードコミュニケーションを用いた説得方法に着目することとした。2点目として、これまでの研究の結果も含めて学会の全国大会と国際会議で、それぞれ発表をし、また、紀要への投稿を1件行った。全国大会では、一昨年行った作問演習を用いた授業実践について発表し、改善へとつなげた。国際会議ではゴールベースシナリオ理論を用いた授業実践について発表した。そして紀要では、小学生を対象としたICT利用状況にかかわらない指導法の検討について報告した。3点目として、2012年7月に作問演習を用いて高等学校で授業実践を行った。今回は作問演習の中でも、与えられた問題を訂正する訂正法と、与えられた問題に類似した問題を作成する類似法の比較を中心に行った。その結果、特に類題法において生徒間に差が見られた。何を目的として、訂正法や類題法を使うかを明確にする必要があることがわかった。これらの結果をもとに次年度さらに改善をし、研究を進めていきたい。本研究の目的は、小学校高学年から高校生までの、発達段階や学習者特性を考慮した情報モラルの指導法の開発と、授業実践による評価である。これに基づき平成26年度に行った研究実績は大きく分けて次の2つである。(1)指導方法の提案と授業実践平成26年度は情報モラルに関する2種類の指導方法を提案し、実践を行った。1つ目は、平成25年度から引き続き、商取引を対象とした作問演習を用いた指導法である。この指導法では、通常の問題解決演習に比べて、関係的理解(一般的な関係から特殊な手続きを引き出させる力)を促進することが期待される。作問演習と問題解決演習を比較する実践を12月と2月に、2つの高等学校で高校生を対象に行った。2つ目は、体験学習を取り入れた指導法に取り組んだ。先行研究では、体験を伴う情報モラル授業の効果が明らかになっている。しかし、それらは体験をするかしないかに着目され、体験の種類の違いまで踏み込めていない。そこで、「身近さ」を感じるか感じないかの体験を比較する実践を12月に行い、遅延テストを1月に実施した。

その結果、「身近さ」を感じる体験の方が、授業後の態度が向上することが明らかになった。(2)研究成果の発表上記(1)のことも含めて4件の発表を行った。まず、平成25年度に行ったタブレットPCに関するレディネス調査の結果を分析し、国際学会と日本の学会でそれぞれ1回ずつ発表を行った。また、平成25年度に行った作問演習に関する発表を行い、かつ、紀要としてまとめた。さらに、体験学習に関する研究を研究会で発表した。本研究の目的は、小学校高学年から高校生までの発達段階や学習者特性を考慮した情報モラルの指導法の開発と、授業実践による評価である。これに基づき、平成27年度は教員を目指す学生とともに情報モラルに関する4種類の指導法を開発・提案し、実践と評価を行った。指導法の概要は、以下のとおりである。1つ目は、電子商取引における作問演習を用いた指導法である。本年度では学習形態に着目し、協同で作問演習を行う群と個人で行う群を比較した。その結果、協同で作問をした方が、下位群の人数が有意に少ないことが分かった。2つ目は、情報モラル教材の題材に対するイメージの違いの研究である。具体的にはメールの差出人を保護者、先生、友人と変えて授業を行った。その結果、相手に対するイメージにより差が出る結果となった。ただし、複雑な結果となっているため、この結果を再分析したいと考えている。3つ目は行動指針を立てる支援システムの開発とそれを用いた実践を行った。実践において高校生は実現可能な行動指針を立てることができたが、具体性に乏しい行動指針も多くあり、目指す行動指針を定義する必要性が明らかになった。4つ目は、非対面ロールプレイが非対面のコミュニケーションに及ぼす効果に関する研究である。依頼の場面を取り上げ、アサーショントレーニングに非対面ロールプレイを取り入れ、DESC法の4ステップで依頼文を評価した。その結果、非対面ロールプレイを用いた群の方が依頼の描写の得点が高いことが分かった。上記の研究ついては学会で発表をし、論文としても公表した。これらの結果は情報モラル教育を行う上で役立つと考えられる。また、当初の計画でも挙げたようにこれらの研究は教員養成の学生と行っており、既に小中学校の教員となった者もいる。彼らが研究したことを教育現場で活用していく可能性があるという点でも意義があると考える。この研究の方法として、指導法を設計し、実践し、検証し、改善するサイクルを繰り返す実践的、開発的な研究アプローチをとっており、それを着実に実行できていることが「おおむね順調に進展している」の理由としてあげられる。具体的な達成度は次のとおりである。数年にわたり続けてきた商取引を対象とした作問演習を用いた指導法については、これまでの研究で、通常の問題解決演習に比べて関係的理解(一般的な関係から特殊な手続きを引き出させる力)を促進することが期待されることがわかった。これらの結果を全国大会で発表するとともに、学会へ論文として投稿し掲載されたことで一定の目標を達成したと考えている。次に、情報モラルの題材の違いに関する研究は、前年度の研究で「身近さ」を感じる体験の方が授業後の態度が向上することが明らかになった。この結果を紀要として公表した。
予測技術を用いた高性能/低消費電力メモリ・システムの開発

動的消費エネルギーの削減に加え、キャッシュ・メモリのリーク消費エネルギー削減手法に関する研究を行った。また、これまでのLSI試作の結果や、FPGAを用いたプロトタイプによる結果に基づき、予測技術を用いた高性能/低消費電力化技術に関する総合的な評価を行った。具体的には以下の研究を実施した。1:これまでに提案されたキャッシュ・リーク消費エネルギー削減方式を大域的に分類し、その比較評価を行った。その結果、今後は低リーク・キャッシュにおける性能低下が大きな問題となる事が明らかになった。2:上記1で得た知見に基づき、プロファイル情報に基づき低リーク・キャッシュの性能低下を隠蔽する技術を開発した。また、ベンチマーク・プログラムを用いた定量的評価を行い、その有効性を明らかにした。3:前年度までに実施したLSI試作結果、今年度実施したFPGAによるプロトタイピング、シミュレータを用いた評価結果、等に基づき、予測技術に基づく高性能/低消費電力メモリの評価を行った。また、上記研究成果に関し、国内外会議での発表を行った。平成14年度は、本研究に関して以下の内容を実施した。(1)実行履歴に基づくメモリ・システムの動的最適化技術に関して、新しいメモリ・アーキテクチャを提案した。具体的には、過去の検索結果を再利用する低消費電力キャッシュ・アーキテクチャを考案した。また、ソフトウェア・シミュレータを開発し、提案手法の有効性を評価した。その結果、従来方式を比較して、極めてわずかな性能低下をもたらすだけで大幅に(60%程度)低消費エネルギー化を達成できることが分かった。また、これらの結果を国際会議にて発表した。(2)プログラム実行におけるメモリ参照の局所性を活用し、組込みシステム向け低消費電力命令ROMアーキテクチャと最適化技術を考案した。具体的には、実行頻度の高い命令に対して読み出し時に消費エネルギーが最少となるようにバイナリ・コード(オペレーション・コード)を割り当てる。これにより、命令ROMアクセスにおける消費エネルギーを削減できる。また。本提案手法に関してシミュレータを作成しその有効性を評価した。これらの結果は国内外での会議にて公表した。(3)ウェイ予測技術を用いた低消費電力キャッシュのテストチップを設計した。具体的には、東京大学VDECから提供される0.18μmCMOSプロセスを用いたウェイ予測キャッシュのカスタム設計を行った。また、実設計データからキャッシュの消費エネルギーを測定し、ウェイ予測キャッシュの有効性を明らかにした。(4)プロセッサ内部に搭載されるレジスタ・ファイルの低消費エネルギー技術に関して新しいアーキテクチャを提案し、その有効性を評価した。また、これらの結果を国内外の会議にて発表した。平成15年度は、本研究に関して以下の内容を実施した。(1)前年度提案した、タグ比較結果の再利用による低消費電力キャッシュ・アーキテクチャに関して、0,18μm CMOSプロセスを用いた実設計を行い、消費エネルギーとアクセス時間を測定した。また、プロセッサ・シミュレータによる定量的評価を実施し、提案手法の有効性をより詳細に評価した。これらの実験結果に関しては国内の会議にて発表した。(2)動画像圧縮プログラムを対象とし、動的なゼロ値予測に基づく高性能かつ低消費電力な画像圧縮方式を提案した。また、広く普及しているMPEG2処理用のシミュレータを開発し、提案手法の有効性を明らかにした。さらに、提案手法の実現方式における設計選択肢を明確にし、動画像フレームの種類にあわせて選択的にゼロ値予測を実施する方式も考案した。これらの研究成果に関しては、国内外の会議にて発表した。(3)前年度に引き続き、プロセッサにおけるレジスタ・ファイルの低消費電力化技術の開発を行った。前年度での実験結果を踏まえ、提案手法の効果をより向上するためのアクセス方式を提案した。また、プロセッサ・シミュレータを開発してその有効性を明らかにした。さらに、ハードウェア記述言語を用いた設計結果に基づき、提案手法によるハードウェア・オーバヘッドに関する評価も行った。本研究の成果に関しては国外での会議で発表した(また、国内論文誌にも投稿中である)。(4)新しい動的最適化技術の基礎調査として、キャッシュ・ミス頻発命令の特徴解析を行った。具体的には、プログラム実行においてメモリ性能を低下させる特定の命令を抽出し、それに応じた最適化を動的に実施する技術を開発している。本研究の成果は、来年度に実施する応用研究での基礎データとして用いる。
糸状菌の先端生長などに関与すると考えられる新たな生物分子モーターの解析

糸状菌Aspergillus nidulansのcsmAはキチン合成酵素のN末端側にミオシンモーター様のドメインを持つタンパク質をコードする遺伝子でありこの破壊株は菌糸の途中が膨らむ構造と菌糸内菌糸を生じること、この表現型はキチン合成酵素ドメインのみを発現させただけでは回復できないことをこれまでに明らかにした。今回はこのCsmAタンパクの細胞内での局在と動きを検討するため染色体上のcsmA locusでCsmAのORFのC末端にGFPが繋がる形のタンパクを発現できる株を作製したが、菌糸中にGFPのシグナルを検出することはできなかった。この遺伝子のプロモーターを強力なものに変えた株では顕微鏡下で菌糸内全体にドット状の蛍光が見られたが、この株の菌体抽出液に対する抗GFP抗体を用いたウェスタン解析では予想される220kd程度の位置にバンドを検出することはできなかった。そこでCsmAのN末端側にGFPが繋がる形のタンパクを発現できる株を作製しプロモーターを強力なものにしたところ、菌糸内全体にドット状の蛍光が見られたがやはり菌体抽出液に対するウェスタン解析では220kdの位置に安定してシグナルを検出するには至らなかった。またCsmAのミオシン様ドメインの機能をin vitroで解析するためこの部分とGFP連結したタンパク質をin vitroの転写・翻訳系により作製を行い抗GFP抗体を用いたウェスタン解析を行ったところこの融合タンパクが効率良く合成されていることが明らかとなった。糸状菌AspergillusnidulansのcsmAはキチン合成酵素のN末端側にミオシンモーター様のドメインを持つタンパク質をコードする遺伝子でありこの破壊株は菌糸の途中が膨らむ構造と菌糸内菌糸を生じること、この表現型はキチン合成酵素ドメインのみを発現させただけでは回復できないことをこれまでに明らかにした。
ネットワークを利用したマルチメディア対応教育情報の蓄積と交換に関する研究

本研究では,ネットワークを利用したマルチメディア対応教育情報の蓄積と交換に関する研究を行なった。マルチメディア対応教育情報は,これまでの学校教育のみならず,社会教育を含む生涯学習全体の中で利用されている。そのため,まず,生涯学習の中でどのような情報教育が行なわれているか,さらにどのようなマルチメディア情報が利用されているかについて考察した。このとき,本研究では特に学校教育の中でのマルチメディア情報について注視し,教育現場においてどのような利用可能情報があるか調べた。また,これらの情報をネットワークを介して利用する際に,どのような最低限のシステム構成が必要かについても検討した。マルチメディア情報の利用に関する考察に加え,実際にマルチメディア情報を利用する際に問題となる大容量画像ファイルの扱いについても検討した。画像ファイルを磁気ディスク上に記録する際には種々の画像ファイルフォーマットが利用される。このとき,まず,画質を犠牲にしてもファイル容量を少なくできるJPEGフォーマットの利用が便利である。本研究では,従来のJPEGフォーマットよりもさらにファイルの圧縮率を向上させることができる新たな画像圧縮技法を考案した。これは,従来のJPEG圧縮よりも,画質を劣化させることなくさらに1割程度ファイル容量を圧縮できるものである。なお,画像のみならず音声等の信号情報についても考察した。このとき,入手した信号をあらかじめ処理する必要があるが,信号処理における処理能力の評価手法についても確立した。さらに,これら画像や音声を含む現在利用されているほとんどのファイルフォーマットを調査し,約350種類のマルチメディアフォーマットについてカテゴリ別に分類した。これにより,どのような意味のマルチメディア情報かを識別できるようになった。これらの新しい手法を利用して,学校教育の中で利用されるマルチメディア情報をネットワーク利用すべく,WWW環境に基づいたマルチメディア対応教育情報のデータベースを構築した。これにより,遠隔地からも物理的な距離を気にすることなく共有のマルチメディア情報を利用することができ,学校教育における理想的な情報環境を示すことができた。本年度は,生涯教育体系における情報教育内容の整理とマルチメディア情報の利用内容の抽出,マルチメディア教育情報データベース化のためのファイルフォーマットの考察,画像に対するマルチメディア情報圧縮手法の構成,の事項について研究した。(1)生涯教育体系における情報教育内容の整理とマルチメディア情報の利用内容の抽出学校教育を含め生涯学習体系の中でマルチメディア情報を利用する際に,その情報の内容,利用面,表現方法等を考慮する必要がある。そのため,対象とする年齢層,人間の発達段階と教育形態,教育内容と位置付け,データベースとしての保存,検索の容易さ,の各々のカテゴリで情報教育内容を分類し,マルチメディア情報を抽出した。(2)マルチメディア教育情報データベース化のためのファイルフォーマットの考察マルチメディア教育情報データベースの構築にあたって重要となる画像情報の扱いに注目した。特に,静止画・動画を統合して取り扱うことができるようhttp規則によりプログラム言語を統一し,ソフトウェアの可搬性を高めた。これにより,機種依存性を排除でき,利用可能性を向上させることができた。(3)画像に対するマルチメディア情報圧縮手法の構成画像情報の表皮ならびに圧縮保存には様々な方式が存在するため,それらの利点・欠点を整理した。その結果,静止画についてはJPEGを用いた圧縮手法を採用し,動画についてはMPEGを用いた圧縮手法を採用することが,インターネットを利用したマルチメディア情報交換のために有用であることが分かった。これにより,ディスク容量をそれほど必要としない学校教育用マルチメディア情報のデータベース化が容易となった。次年度以降については,更なる画像圧縮効率の向上と統一の採れていない音声フォーマットの統合について研究する予定である。本研究では,ネットワークを利用したマルチメディア対応教育情報の蓄積と交換に関する研究を行なっている。

これまで初等,中等,高等教育で個別に扱われていた情報教育を生涯学習の中で互いに関連させ,リカレント教育まで含めた総合的な情報教育体系の中でのマルチメディア情報のデータベース化について考察した。本年度は第2年次にあたり,次の研究を行なった。(I)高画像圧縮手法の構築現在のマルチメディアネットワーク環境では,画像の伝送として主にJPEG圧縮方式が採用されている。しかしながら,一部の教育情報では緻密な画像を必要としない場合もあり,必要に応じて圧縮効率を変更することのできる新たな圧縮手法を構築した。この時、プリフィルタを採用することで,JPEG画像フォーマットには変更を加えることなしに,また画質をほとんど劣化させることなしに,従来のJPEG方式よりも約1割分画像の容量を圧縮することができた。(2)ネットワークを利用したマルチメディア情報交換の実験マルチメディア情報の遠隔地間での交換可能性を評価するために,これまで研究したマルチメディア情報データベース化の際のフォーマットを,実際にインターネット上のホームページ上に適用し,圧縮画像の有効性を実証した。この時、学校現場における教員は同一教科の教員から指導してもらうことは少なく,各自独力で教材を開発しなければならない現状を踏まえ,教師間情報交換を目的としたマルチメディア教材データベースを構築した。最終年度である次年度は,画像情報の圧縮のみでなく,音声情報の圧縮をも考慮したマルチメディア情報のデータベース化を検討するとともに,研究成果を印刷物として公開する予定である。本研究では,ネットワークを利用したマルチメディア対応教育情報の蓄積と交換に関する研究を行なった。マルチメディア対応教育情報は,これまでの学校教育のみならず,社会教育を含む生涯学習全体の中で利用されている。そのため,まず,生涯学習の中でどのような情報教育が行なわれているか,さらにどのようなマルチメディア情報が利用されているかについて考察した。このとき,本研究では特に学校教育の中でのマルチメディア情報について注視し,教育現場においてどのような利用可能情報があるか調べた。また,これらの情報をネットワークを介して利用する際に,どのような最低限のシステム構成が必要かについても検討した。マルチメディア情報の利用に関する考察に加え,実際にマルチメディア情報を利用する際に問題となる大容量画像ファイルの扱いについても検討した。
Liquid Biopsyによるグリオーマの時間的・空間的多様性の解明

2015年度は、九州大学及び関連施設にて新規に摘出術をうけた57例のグリオーマ症例の遺伝子解析を施行した。同症例より、術前血液サンプル、術中髄液サンプルを採取し、保管した。分子病理学的背景を加味し、5例の血液と3例の髄液より、エクソソームを分離し、分泌型miRNAを抽出し、東レ3D-Gene miRNA Olig chipを用いた網羅的発現解析を行った。正常血液と比較し発現が上昇しており、髄液中でもその上昇が確認できるmiRNA (miR-4530, -4294, -4534)を同定した。蓄積した症例に対し、TaqMan法を用いた再評価を行う為、TaqManプローブを作成した。さらに同血液サンプルからのcell free DNA(cfDNA)の抽出、解析に着手した。血漿、血清を用い、2つの抽出キット(Qiagen社、Promega社)を使用し、比較検討した。より高いDNA濃度に濃縮できるPromega社キットを用い、純度の高い血漿を用いて解析を進めた。グリオーマ患者血液から採取した血中cfDNA量は、他のがん患者と比較し少なく、健常人と同程度であった。DNA量が微量であり、通常のPCRを用いた解析法では解析困難であり、IDH1野生型と変異型に特異的プローブを用いたTaqMan法を用いた解析を導入した。条件設定によりIDH1変異型6例中2例で血漿中cfDNA解析にてIDH1変異を同定することができた。IDH1野生型では変異型は同定できず特異的な結果を得られたが、その感度は低かった。さらに精度をあげた解析を行う為、デジタルPCRを導入し、その条件設定を行った。血中バイオマーカーとして、miRNAとcfDNAに着目した研究を進めることができた。グリオーマ症例の血液サンプルも蓄積されており、解析法が確立されれば標的となるmiRNAとcfDNAの解析を進め得る状況をつくることができた。微量核酸の解析であり、その解析条件設定に検討を要した。最終的にはデジタルPCRの導入を決定した。TaqMan Probeを用いた血液サンプルでのIDH1変異検出:IDH野生型の膠芽腫患者2例、DNT患者1例、IDH1 R132H変異陽性のびまん性星細胞腫1例と退形成性乏突起膠腫1例、IDH1 R132S変異陽性のびまん性星細胞腫1例を対象として、末梢血液サンプルを用いたIDH1変異解析を行った。びまん性星細胞腫の1例においてはIDH1 R132H変異陽性を示唆する結果が得られたが、その他のサンプルにおいては有意な結果は得られなかった。Digital PCRを用いた髄液・血液サンプルでのIDH1変異検出: IDH1 R132H変異陽性の退形成性乏突起膠腫2例、IDH野生型の膠芽腫2例を対象として、血液サンプル、髄液サンプルのみを用いたIDH1変異検出法の確立を図った。血漿および髄液からQIAamp Circulatin Nucleic Acid Kitを用いてcell free DNAを抽出し、Quantostudio 3D digital PCRsystemにてIDH1変異の解析を行ったところ、髄液サンプルではいずれもIDH1変異の検出が可能であった。血漿サンプルから抽出したcell free DNAではIDH1変異例においても上記のような変異型のクラスターは検出できず、今後さらに多くの症例の集積と検出法の改良が必要と思われる。miRNA解析に関しては、腫瘍の悪性度、組織型、遺伝子型の差による、miRNAの相関を腫瘍で確認するとともに、血液中に反映されるmiRNAの推移を検討する。cfDNAに関しては、グリオーマ患者血液中のcfDNA量は低く、さらに精度をあげるため、デジタルPCRを導入し、今後はその解析に使用する。さらに標的とする遺伝子も増やし、腫瘍の遺伝子型を反映することが可能か検討を進める。さらに臨床経過中の血液を対象に解析を進め、リアルタイムのモニタリングの確立に努める。手術症例数に依存し、サンプルより核酸抽出を行っており、本年度は、少数の症例より核酸抽出法、遺伝子解析法を検討した。最終的に解析法を確立し、蓄積したサンプル解析を開始する予定であり、次年度使用を予定している。新たなcfDNA解析法として、デジタルPCR導入を開始しており、その試薬に使用する。さらに蓄積したサンプルの解析に次年度に使用を予定している。。
計算科学と実験の融合によるベータバレル型膜中会合タンパク質の分子デザイン

膜孔は細胞膜上に形成された原子レベルで正確なナノメートルオーダーの孔である.最近,膜孔を利用した分子センサーが開発され,今後,膜孔を利用した更なる分子デバイスが開発できると期待されている.膜孔を用いた分子デバイスを開発する上で重要となるのが,直径,長さ,静電的性質などのナノポアの分子特性である.意図した機能の分子デバイスを創出するには,任意の分子特性(サイズ,静電的性質など)を持つ膜孔を自在にデザインする手法の開発が必要である.そこで本研究では,意図した形状の膜孔をデザインする技術を構築し,膜孔を用いた分子デバイスの開発を加速することを目指す.膜孔は細胞膜上に形成された原子レベルで正確なナノメートルオーダーの孔である.最近,膜孔を利用した分子センサーが開発され,今後,膜孔を利用した更なる分子デバイスが開発できると期待されている.膜孔を用いた分子デバイスを開発する上で重要となるのが,直径,長さ,静電的性質などのナノポアの分子特性である.意図した機能の分子デバイスを創出するには,任意の分子特性(サイズ,静電的性質など)を持つ膜孔を自在にデザインする手法の開発が必要である.そこで本研究では,意図した形状の膜孔をデザインする技術を構築し,膜孔を用いた分子デバイスの開発を加速することを目指す.
生殖系列のメチオニン代謝制御によるレトロトランスポゾンの抑制機構の解明

ショウジョウバエ卵形成過程におけるS-アデノシルメチオニン(SAM)の産生抑制が、レトロトランスポゾンの抑制を司る仕組みを明らかにすることを目的としている。申請段階において、卵形成過程の生殖系列ではSAM合成酵素(Sam-S)の発現が抑制されているために、SAMの産生が抑制されていること、生殖系列においてSam-Sを強制発現した場合、生殖系列におけるSAMが上昇し、レトロトランスポゾンの発現が上昇することを明らかにした。これらの結果は、生殖系列におけるSAMの産生抑制は、レトロトランスポゾンの抑制に寄与することを示している。本年度は以下の研究によりSAMの産生抑制がレトロトランスポゾンの抑制を司る仕組みを明らかにすることを試みた。1:SAMの産生抑制がpiRNAの産生に与える影響の解析:SAMの上昇した生殖系列において、レトロトランスポゾンの分解を司るpiRNA産生経路の機能を検証した。SAMが上昇した卵形成過程において、piRNA産生経路に関与する因子の発現や、piRNAの産生状況を検証しところ、SAMの上昇した卵巣において、piRNAの産生経路は影響を受けないことを確認した。2:MedIP-Seq.によるゲノムDNAのメチル化修飾(N6mA修飾)状態の検証:SAMは細胞内のメチル基供与体として知られる。そこで本年度は特にSAMの産生抑制がゲノムDNAのメチル化修飾状態に与える影響について、MedIP-Seq.法により検証した。その結果、SAMが上昇した卵形成過程において、全ゲノム的にN6mA修飾が上昇していること、さらにレトロトランスポゾン(HetA)の配列において顕著にN6mA修飾が上昇していることが明らかとなった。以上の結果は、SAMの産生抑制は、ゲノムDNAのメチル化を低く保つことにより、レトロトランスポゾンの転写を抑制することを強く示唆している。本年度の研究により、SAMの産生抑制によるレトロトランスポゾンの抑制がpiRNA産生制御とは独立した新規機構によること、さらにその仕組みはレトロトランスポゾンのゲノムDNAのメチル化制御によりなされることが強く示唆された。これらの点は、下記の今後の研究の推進方策を決める上で大きな指標となる。これらの結果に加えて、本年度の研究により以下の点に進捗があった。近年の研究で、SAMの含有量と個体の寿命に関連性があることが明らかになっている。すなわち、SAMの含有量が高い場合、個体の寿命が短くなることが知られている。これらの知見は、加齢に伴う組織の機能低下(老化)においてもSAMが重要な役割を果たしていることを示唆している。本研究は卵形成過程におけるSAMの産生抑制の意義について、レトロトランスポゾンの抑制を中心に解明することである。レトロトランスポゾンの活性化はゲノム損傷を招き、老化を加速させる要因になる可能性がある。この可能性の検証のため、加齢に伴う卵形成能の低下がSAMの上昇により加速されるかを検証したところ、加齢に伴う生殖幹細胞数の減少、および卵形成過程における異常の発生率がともに促進されることが明らかとなった。このことは、卵形成過程におけるSAMの産生抑制は、加齢に伴う卵形成能の低下を遅延させる働きがあることを強く示唆している。このような点は、本研究の主眼であるレトロトランスポゾンの抑制機構の解明に加えて、今後、SAMの産生抑制が果たす意義として解明を進めていく必要がある点であると考える。上記のように、SAMが上昇した卵巣においてはレトロトランスポゾンに加えて、全ゲノム的にN6mA修飾が上昇することが明らかとなった。今後はこれらN6mA修飾が遺伝子発現に与える影響を解析するために、野生型卵巣およびSAM上昇卵巣を対象としたRNA-Seq.により遺伝子発現解析を行う予定である。これにより得られた結果を、N6mA修飾を対象としたMedIP-Seq.の結果と照らし合わせることで、SAMの上昇がゲノムのメチル化および遺伝子発現制御に与える影響を解明する。その際、今回、解析の対象となっているHetA以外のレトロトランスポゾンの発現に与える影響およびDNAメチル化状態も合わせて検証することで、SAMの上昇がレトロトランスポゾン全般の発現に影響をあたえるか検証する。上記のように、レトロトランスポゾンの一つであるHetAは、SAMの上昇に伴いN6mA修飾の増加および発現の上昇が確認された。今後はHetAを対象として、N6mA修飾の増加がHetAの発現上昇を引き起こす要因になるかを、遺伝学的操作(N6mA修飾の脱メチル化酵素の強制発現等)や、レポーター解析(HetAのプロモーター領域をGFPやLuc等に結合したレポーターを用いた発現およびメチル化解析)により明らかにしていく予定である。

SAMが上昇した卵形成過程において、piRNA産生経路に関与する因子の発現や、piRNAの産生状況を検証しところ、SAMの上昇した卵巣において、piRNAの産生経路は影響を受けないことを確認した。2:MedIP-Seq.によるゲノムDNAのメチル化修飾(N6mA修飾)状態の検証:SAMは細胞内のメチル基供与体として知られる。そこで本年度は特にSAMの産生抑制がゲノムDNAのメチル化修飾状態に与える影響について、MedIP-Seq.法により検証した。その結果、SAMが上昇した卵形成過程において、全ゲノム的にN6mA修飾が上昇していること、さらにレトロトランスポゾン(HetA)の配列において顕著にN6mA修飾が上昇していることが明らかとなった。以上の結果は、SAMの産生抑制は、ゲノムDNAのメチル化を低く保つことにより、レトロトランスポゾンの転写を抑制することを強く示唆している。本年度の研究により、SAMの産生抑制によるレトロトランスポゾンの抑制がpiRNA産生制御とは独立した新規機構によること、さらにその仕組みはレトロトランスポゾンのゲノムDNAのメチル化制御によりなされることが強く示唆された。これらの点は、下記の今後の研究の推進方策を決める上で大きな指標となる。これらの結果に加えて、本年度の研究により以下の点に進捗があった。近年の研究で、SAMの含有量と個体の寿命に関連性があることが明らかになっている。すなわち、SAMの含有量が高い場合、個体の寿命が短くなることが知られている。これらの知見は、加齢に伴う組織の機能低下(老化)においてもSAMが重要な役割を果たしていることを示唆している。本研究は卵形成過程におけるSAMの産生抑制の意義について、レトロトランスポゾンの抑制を中心に解明することである。レトロトランスポゾンの活性化はゲノム損傷を招き、老化を加速させる要因になる可能性がある。この可能性の検証のため、加齢に伴う卵形成能の低下がSAMの上昇により加速されるかを検証したところ、加齢に伴う生殖幹細胞数の減少、および卵形成過程における異常の発生率がともに促進されることが明らかとなった。このことは、卵形成過程におけるSAMの産生抑制は、加齢に伴う卵形成能の低下を遅延させる働きがあることを強く示唆している。このような点は、本研究の主眼であるレトロトランスポゾンの抑制機構の解明に加えて、今後、SAMの産生抑制が果たす意義として解明を進めていく必要がある点であると考える。上記のように、SAMが上昇した卵巣においてはレトロトランスポゾンに加えて、全ゲノム的にN6mA修飾が上昇することが明らかとなった。今後はこれらN6mA修飾が遺伝子発現に与える影響を解析するために、野生型卵巣およびSAM上昇卵巣を対象としたRNA-Seq.により遺伝子発現解析を行う予定である。これにより得られた結果を、N6mA修飾を対象としたMedIP-Seq.の結果と照らし合わせることで、SAMの上昇がゲノムのメチル化および遺伝子発現制御に与える影響を解明する。
動的大規模データ環境における適応推薦

本年度は、機械学習・学習理論分野で3本の論文が採択され、研究結果を発表した。これらの発表は、システムの未知のパラメータ(推薦すべきデータの性質に依存した不確定性)を効率的に学習できる確率的バンディット問題という共通の数理的基盤を持ちながら、複数の問題への応用範囲を持った内容となっている。1本目の論文(ICML2015で発表)はオンライン広告の推薦、2本目の論文(COLT2015で発表)は検索エンジンのランキング最適化を目的とし、いずれも実データを基にしたシミュレーションで既存手法の1/5から1/10のデータで学習が行える、また計算効率も良い手法の提案となっている。3本目の論文(NIPS2015で発表)は、これらの問題にひそむ共通のデータ構造に関する研究を行い、前述の2論文をを含む広いクラスの問題に対する推薦アルゴリズム(PM-DMED,部分モニタリング経験尤度最小化法)を提案した。このアルゴリズムは少ないデータサイズで情報理論的に最適な推薦を行うことができる。ユーザに対してどのようなコンテンツを推薦すればよいかに関して、ウェブサービスのようなフィードバック(ユーザのアクション)を観測できるような推薦をうまく動かし、ユーザの望むコンテンツを提示することができる。これらの論文はいずれも関連分野のトップ国際会議での発表であり、データを逐次学習する機械学習研究の最先端のものであると考える。翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。国際会議論文に付随したソフトウェアの公開