hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
多種反応拡散系に現れる解構造の新展開と制御

光制御BZ反応系を対象として、基本的な実験設定は細かな問題がいくつかあるもののほぼ完成した。光制御BZ反応系の数理モデルのシミュレーションでは、semi-passivityとは別の原理で、一様振動からの倍周期分岐がえられて、単純な設定下での分岐構造を明らかにして、口頭発表を行った。反応拡散系に現れるパターンを制御する方法を理論的・実験的に開発するのが本研究課題の目標である。activator-inhibitor系がactivatorを出力としてsemi-passivityという性質を持つことを明らかにし、例えばスペクトル一致のフィードバックを印可して六角パターンや矩形パターンを選択的に安定化可能なことが本研究課題を通じてわかってきたことであるが、この理論的な結果を光感受性触媒を用いた化学反応系で対応する実験制御系を構築することを目指してきた。そこで光制御BZ反応系を採用し、数理モデルのシミュレーションから定在波パターンらしきものが得られたの。さらに、問題を単純化し、光制御BZ反応系で作った結合振動子系を大域的に抑制結合することにより倍周期分岐から交互的な振動が普遍的に現れるのかを調べた。その結果、振動子の非対称性の程度により、分岐した交互振動解の枝が反位相振動解の枝にリコネクションしたりすることもあり、交互振動と反位相解の明確な境界がないかもしれないということがわかった。実験系で対応する振動を再現することもできた。先に述べたように交互振動と反位相解の区別はシミュレーションでも難しいので実験でも難しいが、むしろ分岐構造から交互振動と反位相解の違いを見分けるべきだというのは、一つのメッセージである。本研究を通して、反応拡散系に現れるパターンを制御する方法として、対応する化学反応系での実験制御系の構築を目指し、光制御BZ反応系を対象として、結合振動子系では大域結合メカニズムを加えることで構築できた。一方、空間パターンへのフィードバックは交互振動的なパターンが得られるものの、多種多様で未解明の部分が多い。これは、次の研究課題につなげていきたい。Activator-Inhibitor系でActivatorにフィードバック制御を印加することがsemi-passivityという性質を持つことから定常パターン、振動パターンの制御が可能になる。光感受性触媒を用いたBZ反応でフィードバック制御を行うとsemi-passivityは成立しないが、定在波パターンが生じることが数理モデルと実験から明らかになった。
運動観察事態で生じる力動的制御パラメータの伝搬と学習の可能性

本研究では、被験者に呈示する刺激を聴覚情報と視覚情報に分離した上で、人間が他者の運動を観察することによって創出する運動変数(時間と力の構造)の特徴を検討した。その結果、時間の構造は呈示する情報源が視覚や聴覚であっても正確に知覚されていた。しかし力の構造は不安定で変動性が高く、実験者が設定した諸条件に対応する規則性に言及できるものではなかった。これらの結果から、人間が運動観察によって運動を学習する事態では、まず運動に関する時間的なフレーム構造が優先的に獲得され、その後、力の発揮パターンが創出されると考えられた。1.サンプル・データの取得と分析法の確定テスト実験を実施した。1名の被験者は,電子メトロノームにより呈示される60BPM(1分間に60ビートの頻度)の音響刺激に同調し,人差し指による等尺性力発揮課題に従事した。このテストで記録された時系列データ(力動波形)から,1出力にみる力のボリュームと2出力間で算出される時間的スケール(peak to peak)を特定した。現在,Microsoft Excelに装備されるマクロ機能を活用し,自動で分析するマクロへと修正を加えている。2.予備実験の実施:被験者に呈示する周期的音源刺激の選定本研究の目的は「運動観察事態に生じる力動的分節構造の伝搬事象」を明らかにすることである。ここでの運動観察事態とは,他者が周期性をもって反復する運動事態を想定している。よって被験者に呈示する刺激条件は,可能な限り,実際の運動行為で観察・表出されるような時間フレームで設定される必要があった。そこで3名の被験者を対象に,電子メトロノームにより40BPM,60BPM,80BPM,そして100BPMからなる4条件の周期的な音響刺激を呈示し,その呈示下における力発揮様相から,今後実験条件として呈示する周期的な時間フレームの選定にアプローチした。仮説として,40BPMや60BPMの呈示下では力強い出力が,他方80BPMや100BPMの呈示下では弱い出力が導出されると仮定し,SLOW条件は50BPM前後で,FAST条件は90BPM前後で,刺激呈示条件を設定する根拠とする予定であった。しかし結果は,被験者間で個人差が大きく,また被験者内でも一貫性が確認されなかった。被験者に呈示する音響刺激の遅速変数が力量感の制御パラメータにはならない可能性が指摘された。これは力とタイミングが独立して制御されているという報告(Keele, et. al., 1987)を支持している。1.サンプルデータの取得と分析マクロの検証3名の被験者に,電子メトロームにより2つの音源リズム(60BPMと100BPM)を呈示し,その条件下における示指の等尺性力発揮量を時系列データとして記録した.記録されたデータはExcel上で機能する自作の分析マクロにより解析され,1出力にみる力のボリューム量(peak force:PF)と2出力間で算出される時間スケール(peak to peak interval:PPI)の導出に成功した.2.周期的な音響リズムに同調した人間の示指による等尺性力発揮の様相(実験1)本実験では,強制テンポとなるものの,呈示される音響リズムに同調して被験者が力を発揮するとき,その呈示された音響リズムの遅速によって,被験者が発揮する力の様相に変化が生じるかについてアプローチした.被験者は8名の成人として,全員が右利きであった.被験者に呈示した音響リズムは,40BPMから120BPMまでの範囲で20BPM毎に5条件とした.仮説として,音響リズムに同調し,単位時間当たりに発揮する力の出力頻度が増加するにつれて,力の出力値は低下すると想定した.その結果,音響リズムの呈示頻度が低いときの力発揮は大きく,逆に高いときの力発揮は小さいことが観察された.しかしながら,統計上40BPMと120BPMの呈示条件間にのみ,5%水準の有意差が認められるにとどまった.また詳細な分析から,PFとPPIの変動レベルを変動係数(CV)で検証したところ,全てのリズム呈示条件下で,PPIよりPFの変動性が高いことが明らかになった.マイネルが規定する運動リズムは,理論的に時間的分節構造と力動的分節構造が共時的に錯綜した性質を有すると示唆する.しかし本実験の結果では,常に時間的分節構造が優先的にまた安定的に制御されており,力発揮に関する力動的分節構造は時間に従属的な振舞いを呈していた.昨年に実施した実験1の考察から,80BPM(750msec/周期)帯域における力動的制御様相に比較的安定した臨界域があることが示唆された.今回は,この知見に基づき,他者の動作から運動リズムを獲得するその他の変数として,1音刺激長(音価)の長短,2音質の高低,3音圧の大小,さらには4呈示画像の大小を独立変数として,音の傾聴行為や運動の観察行為よって生成さえる周期的な時間的・力動的分節構造の振舞いについて検討した.(実験2)音価を独立変数とした時間的・力動的分節様相:実験1で考察された750msec/周期の音刺激を基本とし,被験者には,音価が異なる3条件(100,200及び300msec)の周期的なリズム構造が呈示された.

その結果,被験者らは,音刺激の長さに関係なく,音刺激が発生した時点により時間的分節構造が構築されていることが明らかとなった.(実験3)音質を独立変数とした時間的・力動的分節様相:実験2と同様に,750msec/周期の音刺激を基本に,被験者らには,音質が異なる3条件(500,1000及び2000Hz)の周期的なリズム構造が呈示された.その結果,音質の高低は,時間的・力動的分節構造に影響を与える変数ではないことが明らかとなった.(実験4)聴覚刺激と視覚情報の空間的パラメータに着目した運動リズムの伝搬様相:被験者が把握する周期的な時間的・力動的分節構造へのアプローチに関して,聴覚と視覚情報の大きさという観点から検討した.被験者に呈示した周期刺激は従来の750msec/周期とした上で,聴覚刺激は音圧の3条件(60,80及び100dB)と,視覚情報は共通する示指のタッピング動作を3つの映像サイズ(7.8,13及び32inch)で呈示した.その結果,視覚情報により呈示した周期刺激の方が聴覚刺激より,いずれの大きさにおいても力の出力値が大きいことが明らかとなった.本研究では、被験者に呈示する刺激を聴覚情報と視覚情報に分離した上で、人間が他者の運動を観察することによって創出する運動変数(時間と力の構造)の特徴を検討した。その結果、時間の構造は呈示する情報源が視覚や聴覚であっても正確に知覚されていた。しかし力の構造は不安定で変動性が高く、実験者が設定した諸条件に対応する規則性に言及できるものではなかった。これらの結果から、人間が運動観察によって運動を学習する事態では、まず運動に関する時間的なフレーム構造が優先的に獲得され、その後、力の発揮パターンが創出されると考えられた。本研究は,他者観察で学習者に呈示される情報源を,聴覚情報(2つの実験)と視覚情報(1つの実験)に分離し,研究計画を立案していた.当初は,平成25年度に実験システムの構築の完了と分析マクロの作成を完遂し,分析データの妥当性を検証したのち,予備実験を実施する予定であった.しかし実験システムを構築する段階において,被験者に呈示する音響リズムの強弱(音の大きさ)を規定する装置に性能上の限界が発覚し,新たに機器の選別や導入(輸入)に時間を要した.この事態が発覚したのが平成25年度の9月であった.その段階で,当該年度に執行予定であった助成金の4割を凍結し,翌年度の平成26年での実験機器購入費に充てた.この実験機器に係る購入時期の遅延が,本研究を遅滞させている要因となっている.スポーツ運動学現在は,実験システムがバージョン・アップし,第1の実験である聴覚情報による「音響リズムの遅速」に関する実験は完了した.残る第2の実験である聴覚情報による「音響リズムの強弱」によって,学習者が出力する力発揮様相にアプローチする実験は,6月中旬に実施予定である.また第3の実験(最終実験)となる視覚情報の刺激内容が人間の力発揮様相に与える影響については,上述の第2の実験と並行して,6月下旬より,視覚呈示サンプルの動画制作を開始する予定である.初年度は,実験システムと分析マクロの整備,そして予備実験を経て,本実験を予定していた。本実験は,運動観察事態で他者から表出され,伝搬される知覚情報を聴覚刺激と視覚刺激に分離し,それぞれの刺激呈示下にみる被験者の力動的制御様相を比較することであった。ただ予備実験の段階で,被験者から導出されたデータには想定した以上の個人差が確認されたこと,また自作した実験機器が強度不足のために破損する事態が生じたため,本実験への移行を差し控えた。しかしながら,これらの問題は,聴覚刺激の条件設定下の過程で生じた問題であり,本研究の主目的である運動観察事態で扱う視覚刺激の呈示
真核生物の染色体DNA複製再構成系の確立

大腸菌の複製開始因子DnaAはATPと結合し、このATP結合活性が細胞内DNA複製に必須であることが遺伝学的に証明されている。一方真核生物の複製開始因子ORC(Origin Recognition Complex)はATPと結合する二つのサブユニット(Orc1pとOrc5p)を持っている。この内、Orc1PのATP結合活性に関しては、細胞内DNA複製に必須であることが遺伝学的に証明されているが、Orc5pのATP結合活性に関しては全く分かっていなかった。そこで我々はATPと結合出来ないOrc5pを発現している変異株(ORC5-A)を作成しその解析を行った。我々はORC5-A株が温度感受性を示すことを見出し、Orc5pのATP結合活性も細胞内DNA複製において重要な役割を果たしていることを示した。さらに我々は、ORC5-A株では、高温で細胞内のORCが不安定になっていること、及びその原因として、ユビキチン・プロテアソーム系が活性化されていることを見出した。さらにORCのサブユニットの一つであるOrc4pを多量発現すると、このORCの不安定化が抑圧されることを発見した。この抑圧はOrc4p特異的であり、他のサブユニットでは見られなかった。以上の結果は、Orc5pのATP結合が細胞内でORCが安定に存在するために必須であること、及びその理由として、Orc5pがそのATP結合依存的にOrc4pと結合することを示唆している。咋年度我々はATPと結合できないOrc5pを発現している変異株(ORC5-A)を構築し、それが温度感受性の増殖を示すことを報告した。本年度はその温度感受性の抑圧変異を単離するとともに、その温度感受性の分子機構を解析した。我々はORCのサブユニットの一つであるOrc4pを多量発現すると、ORC5-Aの温度感受性が抑圧されることを発見した。ORC5-Aの培養温度を高温にシフトした後、クロマチンに結合しているORC、及び結合していないORCをイムノブロット法で解析したところ、温度シフト後速やかにORCが分解していることが分かった。この分解はOrc4pを多量発現することによりある程度抑制された。この結果は、Orc5pに対するATP結合がORCを安定化させていること、特にOrc5pとOrc4pとの結合に重要であることを示唆している。ORCはATPと結合する二つのサブユニット(Orc1pとOrc5p)を持っている。しかしそれらのATP結合活性に関する生化学的解析はほとんどなされていなかった。今年度我々は、ORCのATP結合に関し、フィルター結合アッセイ法を確立しその生化学的性質を解析した。その結果、Orc1pとOrc5pに対するATP結合がORCの活性調節に関与していることを示唆した。
量子ワイヤに於ける非線形効果と無反射ポテンシャル

研究代表者は以下の理論的研究を行った。「量子ワイヤに於ける非線形効果と無反射ポテンシャル」:本研究では、量子ワイヤに於ける電子伝搬に対する非線形効果がどのようなメカニズムによって生じその効果がどの程度大きなものか、また伝搬電子の量子ワイヤ内での散乱に対する無反射ポテンシャルを構成することが可能かどうか、ということについてGaAs(ガリューム砒素)モデル量子ワイヤに対して定量的に調べた。そして、ある形状の量子ワイヤに形成される束縛状態として捕獲された束縛電子と伝搬電子とのクーロン相互作用によって非線形効果が発現しその効果が極めて大きい、その非線形現象はハートリーフォック型の非線形方程式で記述できる、また低エネルギーの伝搬電子に対して無反射ポテンシャルを与えるような量子ワイヤの幾何学的形状を決定することが可能である、等を明らかにした。「外場を持つ非線形ディラック方程式のソリトン解」:本研究では、研究課題に関連した非線形物理の問題として、様々な外場ポテンシャルを持つ(ローレンツ・スカラー型)非線形ディラック方程式のソリトン解の振るまいをcollective variable ansatzを用いて解析した。と同時に空間的に一次及び2次の外場ポテンシャルに対して数値解を求めた。そして、空間的に一次の外場ポテンシャルの場合はソリトンの質量中心の運動はアインシュタインの点粒子に対する古典的運動方程式に従うが、それ以外の一般的なポテンシャルの場合は点粒子に対する古典的運動方程式からのずれを示し、そのずれはソリトンの広がりの効果として解釈できることを示した。研究分担者は以下の実験的研究を行った。非線形結晶NiNbO3に含まれるEr^<3+>イオンの発光スペクトルおよび蛍光時間を測定し、それらの温度変化を励起された電子の非線形過程によって解析を行った。また光ファイバーを2波長ポンプ光で励起し、四波混合によって生じたストークス光がラマン散乱により増幅されることを実験的に観測し、その増幅がファイバー中での非線形過程によって生じていることを明らかにした。
配位子の柔構造を活かした新規重合触媒の開発

前周期遷移金属錯体による極性モノマーの配位挿入メカニズムによる重合反応としてのモデルとなる、極性官能基をそのアルキル鎖の末端に持つ錯体を合成し、その反応性を調べた。特に、中心金属としてタンタル・タングステンを用いて、アルキル基の末端に極性官能基としてエステル基を持っホモエノレート錯体を合成した。そのうち、タンタル錯体についてはX線構造解析によりその錯体構造を明らかにすることに成功し、極性官能基部分は中心金属に対して強く配位していることが明らかになった。そのため、一酸化炭素やアルケン、アルキンといった不飽和有機化合物とは反応が進行しなかったが、イソシアニドとの反応では金属-炭素結合に対して挿入反応が起こり、タンタル錯体の場合には3分子のイソシアニドがカップリングした生成物を与え、タングステン錯体の場合には1分子のイソシアニドが挿入反応を起こしたイミノアシル錯体を与えることが分かった。それぞれの生成物についてもその構造はX線構造解析によって明らかにしており、もともと金属中心に配位していたエステル基部分は金属から解離していることがわかった。これらは、キレートアルキル鎖部分が5員環の場合は反応性に乏しいものの、いったん何らかの分子が挿入反応を起こしてキレート環が6員環以上になれば、アルキル末端の極性官能基の配位は外れやすくなる可能性があるということを示している。また、ホモエノレート鎖部分は金属アミド試薬により、脱プロトン化や炭素-酸素結合の開裂が起こり、対応するオキサタンタラサイクル構造の錯体が得られることが明らかとなった。このようなホモエノレート鎖部分の反応性が、中心金属への配位子の導入を妨げており、現在、ホモエノレート鎖を保ったまま、様々な配位子を導入するための方法を検討中である。
超流動ヘリウムの相転移とトンネル現象の研究

平成10年度は、量子トンネル現象に関して、以下の2つのテーマの研究を行なった。1)ランダム媒質中のヘリウムの超流動転移2)水素の拡散セル・オートマトンを用いた計算1。ランダム媒質中のヘリウムの超流動移転aerogelなどのランダムな媒質中にヘリウムを入れた場合の性質が興味を集めている。我々は、2次元ランダムハバードモデルを用いて、この現象を研究した。その結果、1次元系と比較して、ボーズガラスになりにくいことがわかった。計算結果より、壁の高さがかなり高い場合でも、壁と垂直な方向の超流動成分が残ることがわかる。これは量子効果のためである。また1方向に溝がある場合には、超流動成分は溝の深さの非単調な関数であることがわかる。2。水素の拡散の量子セルオートマトンによる計算量子モンテカルロ法で時間依存の現象を計算する場合、符号によるキャンセルが問題になってくる。このような問題を回避する1つの可能性として、我々は、量子セルオートマトンの方法を用いた。この手法は、ある時間ステップでの波動関数の動きを最近接のセルに限るという近似をしている。我々は、パラジウム中の水素の拡散の温度依存性に関して、実験結果と定性的に一致する結果を得た。但し、近似の方法などの課題もあり、今後の検討が必要である。2。
配置アルゴリズムを核とした実用的最適化手法の開発

配置問題とは、いくつかの対象物を互いに重ならないように、与えられた領域内に配置する問題である。この問題は実社会に多くの応用を持つが、汎用的な最適化ツールでの解決は非常に困難と考えられている。このため、研究代表者らは、これまでに様々なバリエーションをもつ配置問題に対して、多くの実用的なアルゴリズムを提案してきた。本研究課題では、配置問題に対する新たなアルゴリズムの設計を行うことと、配置問題に対する既存のアルゴリズムを、他の問題(異なる目的や制約条件を持つ配置問題や、配送計画、スケジューリングなどの組合せ最適化問題)に活用し、その方法論を確立することを目的として研究をすすめている(研究期間は平成29年度からの4年間である)。平成30年度は、以下に示す2つの課題に対する効率的なアルゴリズムの設計を行った。1つ目の問題は、2次元のビットマップ図形(レクトリニア図形とも呼ばれる)を配置する最適化問題であり、この問題に対して数理計画法を用いた厳密解法(真の最適解を求めるアルゴリズム)を提案し、数値実験による性能評価を行った。2つ目の問題は、長方形形状の製品を複数の母材から切り出す二次元ビンパッキング問題であり、ガラス産業などで頻繁に現れるギロチンカット制約(母材から製品を切り出す際に、母材の端から端まで直線で切る)を含む複数の制約条件を考慮した実用的な問題に対して、構築型の発見的解法を提案し、その配置を効率的に改善するための手法を設計した。本研究課題では、配置問題に対する新たなアルゴリズムの設計を行うことと、配置問題に対する既存のアルゴリズムを、他の問題(異なる目的や制約条件を持つ配置問題や、配送計画、スケジューリングなどの組合せ最適化問題)に活用し、その方法論を確立することを目的として研究をすすめている。研究計画の二年目である平成30年度は、以下に示す2つの課題に対する効率的なアルゴリズムの設計を行った。1つ目の問題は、2次元のビットマップ図形(レクトリニア図形とも呼ばれる)を配置する最適化問題であり、この問題に対する厳密解法(真の最適解を求めるアルゴリズム)を提案した。図形配置問題に対する厳密解法として、配置図形を長方形や円などの単純な図形に限定した問題に対する研究結果はあるが、より複雑な図形に対して、実用的な規模の問題例を取り扱うケースはほとんどない。本研究では、二種類の数理計画法を用いた新たな厳密解法を提案し、数値実験による性能評価を行った。2つ目の問題は、長方形形状の製品を複数の母材から切り出す二次元ビンパッキング問題であり、産業応用で現れる複数の制約条件を考慮した上で、実用的な解を求めるアルゴリズムの研究を行った。主な応用としてガラス産業を念頭におき、この分野で頻繁に現れるギロチンカット制約(母材から製品を切り出す際に、母材の端から端まで直線で切る)を含む複数の制約条件を考慮した問題を考え、この問題に対して構築型の発見的解法を提案した。また、構築型解法によって得られた配置を効率的に改善するための手法を設計した。本研究では、配置アルゴリズムの開発と、配置アルゴリズムを核とした実用的最適化手法の開発を行う。平成31年度は主に以下の2つの課題に取り組む予定である。1.複雑な制約条件をもつ図形配置問題に対する実用的アルゴリズムの設計平成30年度に実施した研究課題(複雑な制約条件をもつ二次元ビンパッキング問題に対する実用的アルゴリズムの設計)に対して,提案した手法の更なる効率化と,考慮していなかった制約を加味したより汎用的なモデルに対するアルゴリズムの設計を行う。2.図形配置を含む配送計画問題に対するアルゴリズムの開発配送計画問題は、荷物の集積所から各顧客に車両を使ってものを配送するときに、どの車両がどの顧客をどのような順番で回れば最も良いかを求める問題であり、実社会での多様なニーズから、非常に盛んに研究が行われてきた組合せ最適化問題である。従来の手法の多くは、車両に荷物を積み付ける部分を単純化して、荷物の体積の合計値で積み込み可能か否かを判断することが多かった。理由の一つは計算時間短縮のためであり、他の理由として、顧客割当、経路設計、荷物詰込の全てを考慮したアルゴリズム設計の困難さが挙げられる。この課題に対して、我々の提案した直方体配置アルゴリズムを核とした、メタ戦略に基づく配送計画アルゴリズムを設計し、実社会に現れる問題例に対する性能評価を行う。なお、これら2つの課題以外にも取り組むべき課題があり、来年度以降に取り組みたいと考えている。上記の進捗状況によって、可能であれば今年度中に予備検討を行う。平成29年度は、以下に示す2つの課題に対する効率的なアルゴリズムの設計を行った。

1つ目の問題は、2次元の一般的な形状(多角形など)を配置する最適化問題であり、この問題に対して、図形をビットマップ(レクトリニア図形とも呼ばれる)で近似し、我々の提案したレクトリニア図形配置アルゴリズムを効果的に適用できるような種々の工夫を加えた新解法を提案した。2つ目の問題は、配置問題と強い関連をもつタイリング(同一形状の図形を重なりも隙間もなく配置する)問題であり、タイリング問題の1つであるエッシャー風タイリング問題に対して、計算の内部で生じる行列の疎性と類似性を利用した効率的なアルゴリズムの設計を行った。本研究課題では、配置問題に対する新たなアルゴリズムの設計を行うことと、配置問題に対する既存のアルゴリズムを、他の問題(異なる目的や制約条件を持つ配置問題や、配送計画、スケジューリングなどの組合せ最適化問題)に活用し、その方法論を確立することを目的として研究をすすめている。研究計画の初年度である平成29年度は、以下に示す2つの課題に対する効率的なアルゴリズムの設計を行った。提案手法は図形の数が多い問題例に対して性能が良いことを示し、また図形の近似度合い(解像度)の違いによるアルゴリズムの計算量解析を行った。提案した方法により,計算量の理論オーダを改善することに成功し、数値実験による評価でも十分な効果があることを確認した。配置問題とは、いくつかの対象物を互いに重ならないように、与えられた領域内に配置する問題である。この問題は実社会に多くの応用を持つが、汎用的な最適化ツールでの解決は非常に困難と考えられている。このため、研究代表者らは、これまでに様々なバリエーションをもつ配置問題に対して、多くの実用的なアルゴリズムを提案してきた。本研究課題では、配置問題に対する新たなアルゴリズムの設計を行うことと、配置問題に対する既存のアルゴリズムを、他の問題(異なる目的や制約条件を持つ配置問題や、配送計画、スケジューリングなどの組合せ最適化問題)に活用し、その方法論を確立することを目的として研究をすすめている(研究期間は平成29年度からの4年間である)。平成30年度は、以下に示す2つの課題に対する効率的なアルゴリズムの設計を行った。1つ目の問題は、2次元のビットマップ図形(レクトリニア図形とも呼ばれる)を配置する最適化問題であり、この問題に対して数理計画法を用いた厳密解法(真の最適解を求めるアルゴリズム)を提案し、数値実験による性能評価を行った。2つ目の問題は、長方形形状の製品を複数の母材から切り出す二次元ビンパッキング問題であり、ガラス産業などで頻繁に現れるギロチンカット制約(母材から製品を切り出す際に、母材の端から端まで直線で切る)を含む複数の制約条件を考慮した実用的な問題に対して、構築型の発見的解法を提案し、その配置を効率的に改善するための手法を設計した。
大規模数値計算サーベイによる天体衝突破壊モデルの構築

本研究では,惑星科学の多くの研究で不可欠である,高精度かつ統一的な天体衝突の破壊モデルを,大規模数値計算サーベイをもとに構築した.計算手法としてSPH法,メッシュ法,DEM法を用いることで,1km程度の小惑星から原始惑星サイズ(千km)までの天体衝突現象をカバーし,イジェクタ総質量をモデル化した.まず数値計算結果の解像度依存性を明らかにし高解像度極限での収束値を求める方法を確立した.これを用いた高精度数値計算サーベイより広い衝突条件に対し成り立つ新たなスケーリング則を見出しそのモデル化に成功した.またこの破壊モデルを応用し木星型惑星固体コア形成に対する天体衝突破壊による制約も明らかにした.本研究の目的は、高解像度な天体衝突の数値計算を大量に実行しパラメータ空間をサーベイすることで、統一的かつ精度の高い天体衝突破壊モデルを構築することである.初年度(平成26年度)は、パラメータ空間を粗くサーベイする計算を行った結果、以下の3つの結果を得た。これらの結果の一部は論文にまとめられ投稿中である。(1) SPH計算の解像度:破片総質量や速度分布を精度よく得るためには、衝突天体質量比が100倍と大きい場合には1千万粒子程度を用いた計算が必要であることが明かになった.例えば、大規模破壊を起こすのに必要な臨界衝突エネルギーは、1千万粒子を用いた計算により10%強の誤差範囲内で決まる。誤差は、粒子数の-1/3乗に比例し小さくなることも計算結果から明かになった。(2)衝突破壊の衝突天体質量比依存性:天体質量比が十分大きいクレータ破壊の場合、破片総質量は天体質量比に比例する。これに対し、衝突エネルギーが大規模破壊のための臨界値の5%以上となると、破片総質量の天体質量比依存性は1.5乗程度に強くなることが明らかになった。これは、ターゲット天体が有限の曲率を持つために破壊し易くなったと説明できる。(3)天体強度破壊によるエネルギー散逸:本研究で用いているSPH流体計算コードには、重力が支配する100km以上の天体サイズに対して用いるため、天体強度の効果を無視していた。しかしながら、従来の他の研究結果との比較より、天体強度破壊によるエネルギー散逸は、重力支配天体においても破片総質量を大幅に減少させる効果があることが明かになった。本研究の目的は、高解像度な天体衝突の数値計算を大量に実行しパラメータ空間をサーベイすることで、統一的かつ精度の高い天体衝突破壊モデルを構築することである.27年度は以下の2つの結果を得た。(1)初年度の結果より、大規模破壊における破壊結果は平面衝突でのクレーター破壊からの外挿とずれていること、そのずれは曲率の効果で説明できることが示された。この結果は衝突天体2体の正面衝突の計算によるものであったので、本年度はまずは斜め衝突について調べた。その結果上記のずれは角度に強く依存することが分かった。正面衝突では破壊しやすいようにずれるのに対し薄い角度で衝突した場合には逆に破壊が妨げられる方向にずれるのである。この斜め衝突におけるずれは衝突天体の一部を削り取るように破壊するためであり、やはり曲率の効果で説明できる。このような衝突角度依存性をも含た大規模破壊におけるずれの効果について論文にまとめている段階である。(2)初年度の結果より、衝突時におけるエネルギー散逸機構が衝突破壊結果に強く影響を与えることも分かってきた。本年度はエネルギー散逸機構について調べ方針を立てた。エネルギー散逸機構としては脆性破壊の効果と天体内部空隙の効果が重要である。これらのエネルギー散逸効果はメッシュ流体計算法において発達している。オープンソースコードのiSALEを用いて天体衝突の予備的計算を行った。iSALEコードは上記のエネルギー散逸過程を記述できるようになっているため、コードの微修正だけでエネルギー散逸効果を入れた計算を行うことができる。まずは、エネルギー散逸過程を入れない場合でメッシュ法であるiSALEコードの結果とSPH計算の結果を比較した。その結果、両者が同様な結果を得るためのメッシュ間隔の条件を明かにした。天体衝突破壊におけるキープロセスである脆性破壊や天体内部空隙によるエネルギー散逸をSPH数値計算コードに導入する準備が進んでいる。このエネルギー散逸が考慮されているメッシュ法であるiSALEコードによる計算も比較のため開始した。以上より、統一的モデル構築のための本格的計算に向けおおむね順調に進展していると判断される。本研究の目的は、高解像度な天体衝突の数値計算を大量に実行しすることで、統一的かつ精度の高い天体衝突破壊モデルを構築することである.本年度は、衝突破壊の程度を示す衝突放出物総量の高精度なモデルを、多数の自己重力天体衝突の数値流体計算結果を用いて経験的に作成した。衝突放出物総量は、天体サイズ、衝突天体サイズ比、衝突速度、衝突角度に依存する。さらには、数値計算の解像度を決めるSPH粒子数にも依存することを昨年度我々が示した。大量の数値計算を行うことにより、これらのパラメータに対する依存性を明らかにした。得られた結果は以下のようにまとめられる。(1)衝突放出物総量は、衝突エネルギーを2天体の質量和で割った、衝突のQと呼ばれるものの関数で与えられ、この関数が一般に上記のパラメータに依存する。また、衝突放出物総量が2天体質量和の1/2になるQをQ*という。我々の数値計算によると、衝突放出物総量を比Q/Q*の関数と考えると、その関数は、天体サイズ、衝突速度、解像度(SPH粒子数)には依存せず、衝突角度のみに依ることが分かった。

これにより、Q*のパラメータ依存性を明らかにすることで、衝突放出物総量がシンプルなモデルで記述できる。また、Q*は比較的低解像度な数値流体計算で収束値を得ることができることも大きな利点である。(2)様々な衝突破壊による平均的な効果として、衝突角度で平均した衝突放出物総量が多くの場合重要となる。(1)の結果より,衝突角度で平均した衝突放出物総量は、パラメータに依存しない、一般的なQ/Q*の関数となる。数値計算結果より、この関数を得た。特に、Q/Q*<0.5以下では、この関数はQ/Q*に比例するという簡単な形で書くことができることも示した。さらに、強度をもつ天体を記述するため、弾性体の効果を入れた数値計算も行った。その結果については現在まとめているところである。平成28年5月に数値コード開発のために東北大で雇用した学術研究員が急遽他大学に就職することになった。着任後も本研究のプロジェクトを継続して行ってもらったが、大学業務が多忙であったため、弾性体の効果を入れた計算のためのコード修正、数値計算の実行と解析、研究まとめに遅延が生じた。本研究の目的は、天体衝突の高解像度数値計算を大量に実行し、統一的かつ精度の高い天体衝突破壊モデルを構築することだ。本年度は、次の2つの成果を得た。(1)数値コード依存性に関する研究:天体衝突の数値計算などの流体計算は、用いる数値コードにより結果が異なることが多い。特に、SPHコード等の粒子法はメッシュ法に比べ精度がよくないという指摘もあった。そこで、本研究ではメッシュ法であるiSALEコードを用いて天体衝突の数値計算を行い、SPHコードの結果との差異を調べた。iSALEコードは軸対称2次元コードであるので、正面衝突のみ計算可能であるが軸対称性のため計算コストは低い。その結果、正面衝突での広いパラメータ範囲において、両コードとも同程度の空間分解能であれば誤差も同程度であることがわかり、また高解像度での収束値も大体同じであることも示された。これにより、我々のSPHコードによる大規模数値計算サーベイ結果の信頼度は保証された。(2)クレータ破壊衝突と大規模破壊衝突とのリンク:クレータ破壊衝突については、室内実験等の従来研究により、各物質に対して各種のパラメータ依存性など詳しく調べられ、スケーリング則として整備されている。一方、天体の大規模破壊衝突については、本研究のような数値計算で天体自己重力を同時に解く必要があり、完全なサーベイはなされてなかった。本研究では、クレータ破壊でのスケーリング則を大規模破壊領域にまで外挿した場合のずれに着目し詳細に調べることで、これら2つの破壊モードをリンクさせて統一的モデルの構築を目指した。その結果、このずれはほとんどのパラメータには依存せず、調べた範囲では衝突角度のみに依存することが示された。これにより、岩石天体については、イジェクタ総質量や大規模破壊のための臨界エネルギーを与えるQ*に対しパラメータ依存性も含め統一的モデル作成に成功した。
反復性中耳炎の質的免疫能解析と免疫療法の適応基準の作成

当教室中耳炎外来に通院中の35歳の難治性中耳炎患児および対照群として同年齢の単純性中耳炎患児を研究対象とする。難治性中耳炎は2013年版小児急性中耳炎診療ガイドラインの定義を参考に、同ガイドラインに沿った治療を行っているにも関わらず、「鼓膜所見が改善せず、初診時の臨床症状や鼓膜の異常所見が持続しているか、悪化している」症例とした。一方、単純性中耳炎はガイドラインの第1選択薬で臨床症状および鼓膜所見が改善する症例と定義した。難治性中耳炎患児の血清中の抗肺炎球菌特異的抗体(抗莢膜多糖体特異的IgG、抗PspA特異的IgG)の抗体価およびオプソニン化能をそれぞれ酵素抗体法(ELISA)とオプソニン化貪食殺菌法(OPK assay)によって評価し、さらに抗体価が低い、あるいはオプソニン化能が低い血清に免疫グロブリンを添加し、オプソニン化能の改善程度を観察する。抗体価およびオプソニン化能の2つのパラメーターと、十分な殺菌効果が得られるために必要な免疫グロブリン補充量の相関関係を検討することで、難治性中耳炎に対する免疫グロブリン補充療法の具体的な適応基準を作成する計画である。昨年度で対照患児の血清サンプルを収集し、血清サンプル中の抗肺炎球菌特異的抗体価をELISA法で測定した。血清サンプル中の抗肺炎球菌特異的抗体の機能評価をOPK assayを行った。次に、免疫グロブリン製剤に含まれる抗肺炎球菌特異的抗体価およびオプソニン化能を検討するため、免疫グロブリン製剤に含まれる抗肺炎球菌特異的抗体価の測定と免疫グロブリン製剤に含まれる抗肺炎球菌特異的抗体のオプソニン化能の評価を行い、難治性中耳炎に対する免疫グロブリン補充療法の効果を検討する。免疫グロブリン補充による患児血清のオプソニン化能改善の評価し、本計画の最終的な目標である、難治性中耳炎に対する免疫グロブリン療法の適応および投与量の基準を作成する。抗体価およびオプソニン化能の2つのパラメーターと、十分な殺菌効果が得られるために必要な免疫グロブリン補充量の相関関係を検討することで、難治性中耳炎に対する免疫グロブリン補充療法の具体的な適応基準を作成する。まず、血清サンプル中の抗肺炎球菌特異的抗体価の測定し、血清サンプル中の抗肺炎球菌特異的抗体の機能評価を行い、次に、免疫グロブリン製剤に含まれる抗肺炎球菌特異的抗体価およびオプソニン化能を検討するため、免疫グロブリン製剤に含まれる抗肺炎球菌特異的抗体価の測定と免疫グロブリン製剤に含まれる抗肺炎球菌特異的抗体のオプソニン化能の評価を行う。次に難治性中耳炎に対する免疫グロブリン補充療法の効果を検討する。免疫グロブリン補充による患児血清のオプソニン化能改善の評価し、本計画の最終的な目標である、難治性中耳炎に対する免疫グロブリン療法の適応および投与量の基準を検討し作成する。平成29年に倫理委員会へ申請、承認され、当教室中耳炎患者からの血清サンプルを収集した。またOPK assayの準備が完了し、今年度は、免疫グロブリン製剤に含まれる抗肺炎球菌特異的抗体価及びオプソニン化能を測定、評価していく。

抗体価およびオプソニン化能の2つのパラメーターと、十分な殺菌効果が得られるために必要な免疫グロブリン補充量の相関関係を検討することで、難治性中耳炎に対する免疫グロブリン補充療法の具体的な適応基準を作成する計画である。昨年度で対照患児の血清サンプルを収集し、血清サンプル中の抗肺炎球菌特異的抗体価をELISA法で測定した。血清サンプル中の抗肺炎球菌特異的抗体の機能評価をOPK assayを行った。次に、免疫グロブリン製剤に含まれる抗肺炎球菌特異的抗体価およびオプソニン化能を検討するため、免疫グロブリン製剤に含まれる抗肺炎球菌特異的抗体価の測定と免疫グロブリン製剤に含まれる抗肺炎球菌特異的抗体のオプソニン化能の評価を行い、難治性中耳炎に対する免疫グロブリン補充療法の効果を検討する。免疫グロブリン補充による患児血清のオプソニン化能改善の評価し、本計画の最終的な目標である、難治性中耳炎に対する免疫グロブリン療法の適応および投与量の基準を作成する。計画どおり、免疫グロブリン製剤に含まれる抗肺炎球菌特異的抗体価およびオプソニン化能を検討する。まず、血清サンプルと同様にELISA法にて肺炎球菌莢膜に対する特異的抗体価を評価する。そして免疫グロブリン製剤に含まれる抗肺炎球菌特異的抗体のオプソニン化能の評価血清サンプルと同様にOPK assayにて免疫グロブリン製剤の肺炎球菌に対するオプソニン化能を評価する。次に昨年度に評価した難治性中耳炎患児の血清サンプルに免疫グロブリン製剤を段階希釈して添加し、OPK assayによりオプソニン化能の改善を客観的に評価し単純性中耳炎群と同等の殺菌能を得るために必要な免疫グロブリンの添加量を算出し、免疫グロブリン補充による難治性中耳炎患児血清のオプソニン化能改善の評価を行う。そして本計画の最終的な目標である、難治性中耳炎に対する免疫グロブリン療法の適応および投与量の基準を検討し適応基準を作成する。初年度は検体収集やOPK assayの準備を行い試薬などの消費が少なく、次年度に繰り越しとした。
ベトナム・メコンデルタにおける農業構造変化と農業生産力の保全に関する国際共同研究

本研究では、1996年から断続的に実施されてきたベトナムの二大デルタにおける農家経済調査を継続して行う。また、2000年以降に加速されてきた農業の新たな担い手形成の進展による影響を分析・検討するための調査研究を新規に追加する。加えて、農業そのものの近代化の側面に関して、二大デルタ地域における農業生産力の長期的な持続的発展に向けて、作物選択や作付体系(計画)、農地基盤(土壌)及び水資源保全の観点から実態分析と改善方向を探る。
シロアリにおける女王の高い繁殖能力の進化とそのメカニズムの解明

本研究は、人間の経済活動および生態系において重要な位置を占める社会性昆虫:シロアリの女王が示す高い繁殖能力の生理学的基盤とその進化を解明することを最終目標としていた。本年度は特別研究員DC1の最終年度であり、これまでの知見から脂肪体の倍数性と遺伝子発現の関係を探った。また複数のシロアリ種の情報から、繁殖力と脂肪体の倍数化度合の関係を明らかにした。セルソーターを用い、脂肪体細胞を裸核した状態で倍数性ごとに分取することに成功した。しかし、核内のmRNA量は極めて少なく、安定した遺伝子発現解析は困難であった。今後有効と考えられる細胞の直接観察による倍数性と遺伝子発現の同時定量系のための条件検討を行った。一方で、脂肪体の倍数化とシロアリ女王における高い繁殖力との進化的関係を示すことに成功した。日本に生息するシロアリ6種(ネバダオオシロアリ、シュワルツカンザイシロアリ、コウシュンシロアリ、ヤマトシロアリ、イエシロアリ、タカサゴシロアリ)に対し、雌雄の繁殖虫および非繁殖虫の脂肪体の倍数性を測定した。結果として、対象となった種全てにおいて女王の脂肪体は非繁殖個体のものよりも高度な倍数化を示すことが分かった。雄に関しては、脂肪体の倍数化パターンには一貫した傾向は認められなかった。また、同種のワーカーの倍数化レベルによって補正した女王の脂肪体の倍数化レベルを比較したところ、祖先的で繁殖力の低い女王よりも、派生的で繁殖力の高い女王の方が高い倍数化レベルを示した。この内容について、現在論文化に向け準備中である。本年度、シロアリの部位特異的な遺伝子発現解析を行った研究、シロアリの地理的単為生殖に関する研究、外来シロアリモドキの侵入の報告論文が国際学術誌に掲載された。また、ブラジルで開催された国際社会性昆虫学会にて、昨年度論文として出版した成果に関する発表を行った。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。社会性昆虫の一つであるシロアリの高い繁殖能力がどのように進化してきたのか、またそれを支える至近的なメカニズムがどのようなものなのかを明らかにすることが本研究の目的である。本研究では、代謝活性が高く、多機能な組織である脂肪体の倍数性に着目している。これまで、繁殖個体と非繁殖個体で倍数性のパターンが質的に異なり、繁殖する個体は倍数性が非常に高く、非繁殖個体では低いことが分かっていた。本年度は日本に広く分布するヤマトシロアリのさまざまな状態のメス繁殖虫を用いて、脂肪体組織の倍数化度合と繁殖力(卵巣発達や生重量など)との関連性を調べた。また、個体が大量の産卵経験後に生じる卵巣の着色を観察し、脂肪体の倍数化と大量産卵の前後関係を調べた。その結果、脂肪体の倍数性と卵巣発達には正の相関がみられた。ただし、季節や生重量の効果は検出されなかった。以上のことから、状況証拠としては脂肪体の倍数化は卵巣発達に伴って生じ、発生上不可逆的であると結論づけられる。以上のことは、昆虫で脂肪体の倍数化と卵巣発達の関係性を示した初めての研究例である。ヤマトシロアリをはじめとするいくつかのシロアリでは、単為生殖を状況依存的に用いることで、近親交配のコストを負わずにコロニーとしての増殖力を高めている。そのような種では、労働個体や分散個体は有性生殖によって生産される一方で、補充生殖虫は単為生殖によって生産されている。今回、ヤマトシロアリと同属、かつ単為生殖能力の極めて低いオキナワヤマトシロアリで偶発的な単為生殖が生じた場合、その子どもは繁殖虫へと成長しやすいことが判明した。このことは、ヤマトシロアリ属では単為生殖能力を獲得した場合、すみやかに単為生殖による女王継承システムが進化しうることを示唆しており、この複雑な繁殖システムは非常にシンプルな過程を経て生じた可能性がある。1年目の計画として順調あったと言える。具体的には、シロアリ女王の繁殖能力のうち、特に卵巣の発達と関連して脂肪体の倍数性が上昇することが分かった。これは脂肪体の倍数性が上昇することの機能を解明するうえで非常に重要で、今後の分子レベルでの研究を進めるための糸口を発見したといえる。また、上記の研究の結果、実験室内で脂肪体の倍数性上昇が再現可能であると判明したことも大きな成果である。さらに、当初の計画では予定していなかった結果として、シロアリの単為生殖を用いた女王継承システムの進化プロセスに関する知見が得られた。経済的に重要な害虫であるシロアリが持つ、高い繁殖能力を支えるメカニズムと、その進化過程の解明が本研究の目的である。本年度は第二年度であり、初年度で得られた知見をもとに、目標達成のための具体的な技術の検討に加え、当該研究のテーマを別の視点から捉えた研究を行った。まず、脂肪体細胞の倍数性に関する研究では、シロアリから解剖して取り出した脂肪体組織から細胞を分離するための可能な方法を見出すと同時に、セルソーティング技術を習得した。細胞を倍数性毎に分取することによって、倍数性が細胞の機能に与える影響を調べることが可能になった。今後この技術と遺伝子発現解析などの手法を組み合わせることで、細胞の倍数化がもつ機能的意義に関して重要な知見を得ることができるだろう。また、シロアリ女王の卵巣の解剖学的観察と、卵巣状態の季節変動を調べた研究によって、ヤマトシロアリの繁殖スケジュールを詳細に理解することができた。

シロアリの女王は繁殖シーズンの終了直前に自身が体内に持つ未熟な卵に細胞死を引き起こし、卵生産に投じた資源を回収することを発見した。このような、柔軟な卵生産の制御機構は、シロアリの高い繁殖能力を理解するうえで重要な視点である。この研究は既に学会発表を行っており、現在論文化の準備中である。本年度は、共同研究を含めた3本の論文発表を行った。まず、シロアリの偶発的な単為生殖と、カースト分化の関係性を示した論文を国際学術誌Insectes Sociauxに発表した。また、シロアリのカースト決定システムがゲノムインプリンティングによって矛盾なく説明できることを示した論文が国際学術誌American Naturalistに掲載された。さらに、兵庫県に侵入した外来シロアリ、ネバダオオシロアリの由来を特定した論文が、AppliedEntomology and Zoologyに掲載された。2年目の計画として順調であったと言える。具体的には、技術習得と方法の検討によって、分子レベルで倍数性の意義を調べるための準備が整った。また、上記の研究とは別の角度でシロアリの繁殖力に迫ることができるようになったのも大きな成果である。さらに本年度は、昨年度得られた、シロアリの単為生殖を用いた女王継承システムの進化プロセスに関する知見を論文発表できた。また、共同研究としてさらに2本の論文発表ができた。本研究は、人間の経済活動および生態系において重要な位置を占める社会性昆虫:シロアリの女王が示す高い繁殖能力の生理学的基盤とその進化を解明することを最終目標としていた。本年度は特別研究員DC1の最終年度であり、これまでの知見から脂肪体の倍数性と遺伝子発現の関係を探った。また複数のシロアリ種の情報から、繁殖力と脂肪体の倍数化度合の関係を明らかにした。セルソーターを用い、脂肪体細胞を裸核した状態で倍数性ごとに分取することに成功した。しかし、核内のmRNA量は極めて少なく、安定した遺伝子発現解析は困難であった。今後有効と考えられる細胞の直接観察による倍数性と遺伝子発現の同時定量系のための条件検討を行った。一方で、脂肪体の倍数化とシロアリ女王における高い繁殖力との進化的関係を示すことに成功した。日本に生息するシロアリ6種(ネバダオオシロアリ、シュワルツカンザイシロアリ、コウシュンシロアリ、ヤマトシロアリ、イエシロアリ、タカサゴシロアリ)に対し、雌雄の繁殖虫および非繁殖虫の脂肪体の倍数性を測定した。結果として、対象となった種全てにおいて女王の脂肪体は非繁殖個体のものよりも高度な倍数化を示すことが分かった。雄に関しては、脂肪体の倍数化パターンには一貫した傾向は認められなかった。また、同種のワーカーの倍数化レベルによって補正した女王の脂肪体の倍数化レベルを比較したところ、祖先的で繁殖力の低い女王よりも、派生的で繁殖力の高い女王の方が高い倍数化レベルを示した。この内容について、現在論文化に向け準備中である。本年度、シロアリの部位特異的な遺伝子発現解析を行った研究、シロアリの地理的単為生殖に関する研究、外来シロアリモドキの侵入の報告論文が国際学術誌に掲載された。また、ブラジルで開催された国際社会性昆虫学会にて、昨年度論文として出版した成果に関する発表を行った。
腫瘍由来変異と進化に基づく癌抑制タンパク質p53四量体安定性と機能不全閾値の解明

癌抑制遺伝子p53の変異はヒト悪性腫瘍で最も多く認められる異常であり、p53タンパク質の制御機構を理解することは細胞の癌化防御に関する研究にとって不可欠である。本研究において、悪性腫瘍由来の四量体形成ドメイン変異型p53の四量体形成と安定性解析により、細胞内の様々なイベントに関わるp53の機能不全となる不安定化の閾値が極めて低いことを見い出した。さらに、Li-Fraumeni症候群の原因となるp53変異によるp53四量体化の形成不全を、回復させる薬剤の開発に成功した。また、四量体形成ドメインの安定性が、進化による生体環境の変化に応答して獲得されたことが示唆された。p53の四量体形成はその機能発現に必須である。ヒト悪性腫瘍において、p53四量体形成ドメイン31アミノ酸残基中、24残基に49個のミスセンス変異が報告されている。これらの変異によるp53機能の不活性化機構の解明は、p53遺伝子のミスセンス変異による細胞癌化を理解する上できわめて重要である。一方、p53タンパク質は、魚類から哺乳類に至まで広く脊椎動物において存在している。本研究では、『癌抑制タンパク質p53の四量体形成ドメイン変異および進化的置換による四量体形成とそれに引き続く生物イベントを定量的に解析し、p53四量体安定性と機能不全との間の閾値問題を解明する』ことを目的としている。変異型p53タンパク質のDNA結合能・翻訳後修飾を厳密に定量化するためには、純粋なタンパク質を得る必要がある。このため、各種無細胞発現系を用い、タンパク質発現の条件検討を実施した。しかしながら、純度の高い目的の変異型p53タンパク質を十分量得ることはできなかった。そのため、測定系について、無細胞発現タンパク質を用いるin vitro系から生細胞株を用いるin vivo系へ変更することとした。具体的には、内因性のp53を欠損している肺がん由来H1299を母体として、bimolecular fluorescent complementation法を用いることとし、生理学的濃度において転写活性を測定可能な蛍光タンパク質リポータアッセイ法を用いた感度の高い解析系の構築を目指す。一方、p53タンパク質は、魚類から哺乳類に至るまで広く脊椎動物において存在している。本年度は、魚類から哺乳類に至る様々な種のp53四量体形成ドメインペプチドについて網羅的に解析するため、未知であった爬虫類のものとしてSoftshell Turtle由来のp53を新規にクローニングした。化学合成した各ペプチドの多量体形成能をゲル濾過クロマトグラフィーおよび円二色性(CD)により解析した。その結果、進化と四量体形成能の間に顕著な相関があることを見出した。さらに、細胞内でのp53機能に対する閾値の解析のため、生理学的濃度において、四量体形成能を解析可能なbimolecular fluorescent complementation法を用いる解析系の構築を実施した。このために、蛍光タンパク質VenusのN末端側あるいはC末端側フラグメントと、野生型p53および四量体構造の安定性が異なる2種の変異体との融合タンパク質に対する発現ベクターを作製した。また、生理学的濃度において転写活性を測定可能な蛍光タンパク質リポータアッセイ法を用いた感度の高い解析系の構築を検討した。本研究では、『癌抑制タンパク質p53四量体安定性と機能不全との間の閾値問題を解明する』ことを目的としている。生物種間で特徴的な配列を持つ魚類、両生類、鳥類、哺乳類のp53の四量体形成ドメインペプチドを合成し安定性を解析したところ、四量体構造は脊椎動物において進化に伴い(魚類-両生類-鳥類、哺乳類)安定性が向上していることが判明した。進化の過程において四量体形成ドメイン中のα-helixのC末端部位が伸長することによって四量体構造の安定性を獲得したことが示唆された。

また、機能発現に必須な四量体形成に必要な濃度は各生物の体温で一定の値に収束し、四量体構造の安定性が生態環境の変化に依存して安定化しており、四量体形成ドメインの安定性が生体環境に応答していることが示唆された。さらに、p53タンパク質量、四量体形成能、および転写活性能を生細胞内で定量可能なシステムの構築に成功した。この系を用いてp53四量体形成ドメイン変異体のp53内在性レベルにおける各変異体の四量体形成量と、四量体形成ドメインペプチドを用いた四量体構造安定性とを比較した。その結果、各変異体の四量体形成量はその四量体構造の安定性に依存した。このことから、生体内p53の四量体形成は他のドメインによらず四量体形成ドメインに一義的に依存して四量体を形成することが示され、p53の癌抑制機能の維持には四量体構造の安定化が必須であることが示唆された。