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Kirillov-Reshetikhin 加群の結晶基底とその組合せ論的実現

平成2728年度に,レベル・ゼロのエクストリーマル・ウェイト加群におけるDemazure加群の次数付き指標と,対称/非対称Macdonald多項式の特殊化との間の関係を研究した.この研究で中心的な役割を果たしたのが,半無限Lakshmibai-Seshadriパスのなすクリスタルである;半無限Lakshmibai-Seshadriパスをnull rootを法にして考えると,量子Lakshmibai-Seshadriパスになり,それらのなすクリスタルが当研究の研究対象であるKirillov-Reshetikhinクリスタル(の特別な場合;レベル1の場合)になることが知られている.平成29年度には,半無限Lakshmibai-Seshadriパスに対する「半無限標準単項式理論」を構築することに成功し,エクストリーマル・ウェイト加群におけるDemazure加群に対する「半無限標準単項式」を記述した.そして,Demazure加群の次数付き指標に関するChvalley型の公式(優整ウェイトの場合)を導いた.平成30年度は,上記の半無限標準単項式理論と優整ウェイトの場合のChvalley型の公式を応用して,Chvalley型の公式を反優整ウェイトの場合まで拡張した(arXiv:1808.01468).また,この結果の系として,半無限旗多様体の同変K-理論における,反優整ウェイトの場合のChevalley型の公式が得られた.さらに,応用として,minusculeウェイトに関するMonk型の公式(minusculeウェイトとDemazure加群の最高ウェイトが同じWeyl chamberに含まれている場合)を証明することができた.当初計画していた内容に関しては大きな進展はなかった.一方,半無限Lakshmibai-Seshadriパスに関する研究はさらに大きく進展した.実際,平成29年度に得られた優整ウェイトの場合のChvalley型の公式と,平成30年度に得られた反優整ウェイトの場合のChvalley型の公式を組み合わせれば,すべての整ウェイトについてのChevalley型の公式を計算することが(原理的には)可能になる.したがって,平成30年度の研究業績は大きな意義があるといえるだろう.上でも述べたとおり,半無限Lakshmibai-Seshadriパスをnull rootを法にして考えると,当研究の研究対象であるKirillov-Reshetikhinクリスタル(の特別な場合)になる.したがって,上のような半無限akshmibai-Seshadriパスに関する研究は,当研究の研究目標にとっても大いに意義があるものと考える.以上を踏まえ,「おおむね順調に進展している」とする.(1)当初の予定どおり「Kirillov-Reshetikhinクリスタルと同型になると予想されるクリスタルB(r,s)の組み合わせ論的構成」を行う.これに関しては,当初のクリスタルの相似性のみではなく,Travis Scrimshaw氏らの最新の研究も参考にできると考えている.(2) Kirillov-Reshetikhin加群の結晶基底の存在については,Scrimshaw氏や直井克之氏の最新の(例外型に関する)結果を参考にして,研究を加速させる.そして,結晶基底の存在が確認された後,(1)のクリスタルを用いて完全性などの性質を探る.(3)半無限Lakshmibai-Seshadriパスに関する研究も引き続き行う.特に,一般の整ウェイトについてのChevalley型の公式は,上述のとおり,原理的には計算可能であるが,そこからキャンセレーションを取り除き,より明示的に記述することが重要な課題となる.また,Monk型の公式についても研究を進めたい.平成27年度の当初の予定は,Kirillov-Reshetikhin (KR)クリスタルの相似性に着目することで,レベル1のKRクリスタルB(r,1)から,高レベルの(抽象的な)クリスタルB(r,s) (s > 1)を組合せ論的に構成することであった.その際,X=M予想(KR加群の分岐則に関する予想)が正しいと仮定して,そこからKRクリスタルの構造を予想する,という方法も考えていた.KR加群の分岐則を求めるためには,KR加群の次数付き指標を調べる必要がある.そこで,以下の研究を行った:当研究の主な研究対象であるKR加群のうち,レベルが1のものについては「レベル・ゼロ基本表現」と呼ばれる結晶基底を持つ有限次元既約加群と一致していることが知られている.また,レベル・ゼロ基本表現のいくつかのテンソル積は,量子Weyl加群と呼ばれており,その次数付き指標は,対称Macdonald多項式のt=0での特殊化になっていることが知られている.一方,量子Weyl加群は,エクストリーマル・ウェイト加群の,Weyl群の単位元に付随した,Demazure型部分加群の商加群としても実現できることが分かっている.平成27年度の研究では,Weyl群の任意の元に付随したDemazure型部分加群の次数付き指標を決定した.特に,最長元に付随したDemazure型部分加群の商加群で,その次数付き指標が非対称Macdonald多項式のt = \inftyでの特殊化になっているものを構成した.これにより,量子Weyl加群の次数付き指標と非対称Macdonald多項式のt = \inftyでの特殊化の間に関係があることが分かった.当初の予定であった「相似性に着目して(抽象的な)クリスタルB(r,,s) (s > 1)を組合せ論的に構成する」ということに関しては,大きな進展はなく,報告できる業績を上げることはできなかった.しかし一方で,量子Weyl加群や,エクストリーマル・ウェイト加群のDemazure型部分加群の次数付き指標に関しては,非常に深い研究を行うことができた;

この結果は,上述の「B(r,s) (s > 1)の組合せ論的構成」にも応用できると考える.以上を踏まえ,「おおむね順調に進展している」とする.平成27年度に,エクストリーマル・ウェイト加群のDemazure型部分加群や量子Weyl加群の次数付き指標と,非対称Macdonald多項式のt=\inftyでの特殊化の間の関係を研究した.その際に,中心的な役割を果たしたのが,半無限Lakshmibai-Seshadriパスのなすクリスタルであった.この半無限Lakshmibai-Seshadriパスをnull rootを法として考えると,量子Lakshmibai-Seshadriパスになり,それら全体のなすクリスタルが当研究の研究対象であるKirillov-Reshetikhinクリスタルのうちレベルが1のものになることが知られている.ところで,通常のLakshmiba-Seshadriパス(可積分な最高ウェイト加群の結晶基底に対応する)においては,「標準単項式理論」と呼ばれるLittelmannによる理論がある.この理論は,Lakshmibai-Seshadriパスのテンソル積が,最高ウェイト元のテンソル積と同じ連結成分に含まれるための必要十分条件を記述する重要なものであった.平成28年度は,標準単項式理論を半無限Lakshmibai-Seshadriパスの場合に拡張した;すなわち,半無限標準単項式理論を構築した.さらに,エクストリーマル・ウェイト加群のDemazure型部分加群に対応する半無限標準単項式を記述することに成功した.これらの平成27, 28年度の当研究の研究成果は,半無限旗多様体の同変K-理論に対するPieri-Chevalley型の公式の証明に(一部)応用されている.当初計画していた内容に関しては,残念ながら大きな進展はなく,報告できる研究結果をあげることはできなかった.しかし一方で,半無限Lakshmibai-Seshadriパスに関する研究は大きく進展し,半無限単項式理論の構築や,半無限旗多様体といった幾何学との関係も深く研究することができた.半無限Lakshmibai-Seshadriパスをnull rootを法として考えると,当研究の研究対象(の一部)であるレベル1のKirillov-Reshetikhinクリスタルが得られるため,上のような半無限Lakshmibai-Seshadriパスに関する研究は,当研究の研究目標にとっても十分に意義のあるものと考える.以上を踏まえ,「おおむね順調に進展している」とする.平成27年度に,量子Lakshmibai-Seshadriパスのなすクリスタルにおいて,最後の方向ベクトルに関する特殊な条件を満たすもの全体からなる部分集合Aを考えると,その次数付き指標がt=\inftyでの非対称Macdonald多項式に一致することを証明した.この量子Lakshmibai-Seshadriパスのなすクリスタルは,レベル1のKirillov-Reshetikhinクリスタルになっており,当研究の研究課題とも密接に関係しているものである.
コグニティブ無線による多次元無線リソースの適応制御法に関する研究

本研究では,コグニティブ無線技術を用いた4次元からの周波数共用に関する検討を行った。これにより,周波数枯渇問題を抜本的に解決することを狙った。我々は,時間占有率を用いた周波数共用法, MIMO技術を用いた空間軸からの周波数共用法,符号(周波数ホッピング)を用い,周波数をダイナミックに活用するアプローチを示した。本研究を通し,それぞれの要素技術が周波数有効利用を促進することを示した。まず,想定モデルの概要の検討を行った.既存システムとして無線LANシステムを想定し,そこに周波数共用を行う新規無線システムとしてコグニティブ無線機能を備えた無線ネットワークを想定することとした.このとき,新規無線システムはad-hoc等のような自律分散型のネットワークとする。次に,周波数共用の実現法として空間軸及び時間軸からの周波数共用を検討するとともに,関連研究のサーベイ及び動向調査を行った。調査により、多次元からの周波数共用の検討は少ないが、少しずつその動きが広がっていることが分かったので国内、国外の学会での情報収集及び海外研究者との意見交換を行うこととした。それらの情報収集を元に、想定モデルをより具体化し、考慮すべき環境パラメータ(各システムのユーザ数、チャネルモデル、通信のコンテンツ等)と要素技術(多次元無線資源制御法、環境認識法)の整理と検討すべき項目を洗い出した。初年度は、それぞれの要素技術を独立に検討を行った。初期検討として、分散型の無線リソース制御法の提案を行った。ここでは環境認識等は完全に出来ていると仮定し、既存無線システムを保護可能なフロー制御及び、周波数チャネル割り当てによるリソース制御法を提案した。また、分散型ネットワークにおける、マルチホップ通信における適応リソース制御の提案を行った。また、環境認識技術のうち空間軸と時間軸からの周波数共用のための環境認識技術をそれぞれ検討した。空間軸からの環境認識技術では、複数アンテナを用いることと、重みつきの協調センシングを組み合わせることで、より高精度な環境認識が可能であることを示した。また、時間軸からの環境認識として時間占有率推定法を提案し、その有効性を示した。の有効利用法の検討と、既存システムへの影響の評価を行った。本年度は,1)多次元からの無線資源の効率的な利用を行うための基礎検討と2)実測データから無線資源の利用状況の把握を主に行って来た.1)多次元からの無線資源の効率的な利用を行うための基礎検討ここでは、主に空間軸と時間軸からの無線資源の利用を前提としている。特に空間軸からは,複数アンテナを用いた信号処理(アダプティプアレーアンテナ・Multiple Input Multiple Output)を用いた場合の周波数共用の検討を主に行った.従来の検討では,アンテナ素子数Nに対して,N-1の自由度のみしか空間軸からの環境認識が出来ないとされていたが,それを拡張し,それ以上の自由度を獲得する技術を開発した.これにより,ハードウェアコストを大幅に削減できることが期待できる。また,時間軸からの周波数共用における周波数利用率の解析を進めてきた.1この解析により,よりスピーディで効率的な周波数を実現する手法が開発出来た。また,プライ1マリユーザの保護のためにはセカンダリユーザ側の目標利用率にマージンを設定する必要があることが明らかとなった.2)実測データから無線資源の利用状況の把握主に屋内での無線LANの利用率の観測を行った.まず、観測方法の妥当性を確認するための検証を行った.電力検出法を用いたが,これは閾値の設定に精度が左右されることが確認された.そこで、雑音電力を観測しながら閾値を再設定する方法を開発し、より精度の高い利用率の観測が可能であることを示した,利用率のモデル化の検討を行い,従来のボアソンモデルだけでは限界があることが確認できた。現在は,バースト的なトラフィックを表現するためにマルコフモデルを用いるアプローチを検討している.周波数の多次元からの有効利用に関する研究を行って来た。特に,コグニティブ無線技術を用いたプライマリユーザとセカンダリユーザ間での周波数有効利用を想定してきた。今年度は,時間軸と空間軸,そして符号軸からの周波数有効利用のより深い検証を行って来た。また、想定のアプリケーションを無線LANシステムに絞った。1:時間軸からの周波数共用では,トラフィックモデルの検討,時間使用率(占有率)の推定法の検討を行って来た。今までは、呼発生率(パケット生起率)が時間に対して一定である状況のみを考えてきた。これに対して今年度は、バースト性を持つトラフィックモデルとしてマルコフ過程を利用したモデルを想定し,パラメータ推定法の検討を行った。2:次に,時間軸からの周波数共用において、占有率の推定結果に基づき、プライマリユーザとセカンダリユーザが周波数共用を行うための最適な最小コンテンションウインドウサイズ制御法の検討を行った。想定モデルはCSMA/CA MACプロトコルを備えた無線LAN(プライマリユーザ)とした。推定占有率より最適最小コンテンションウインドウサイズを導出し、セカンダリユーザがプライマリユーザの平均スループットを邪魔することなく共存可能であることを示した。

3:空間軸からの周波数共用では,送信電力制御によるアプローチとMIMO等のアンテナ信号処理による周波数共用法の検討を進めたきた。送信電力制御法では,プライマリユーザとセカンダリユーザの距離を推定し、推定値に基づき電力制御する技術の開発を行った。これにより、プライマリユーザとの距離に関係なく効率的に周波数利用が可能になることを示した。またMIMO技術に与干渉電力を制御する機能を備えさせる手法を加える方法の検討を行って来た。4:最後に,拡散系列軸からの周波数共用のための,FH技術の検討を行った。
新たなモダリティによる接着耐久性評価

口腔内で繰り返し生じる物理的因子に着目,最大破折抗力以下の繰り返し荷重負荷を再現した疲労試験から接着システムの接着耐久性について検討した。その結果,28年度の取り組みから,ユニバーサルアドヒーシブ塗布前のリン酸処理がユニバーサルアドヒーシブシステムの接着疲労耐久性に及ぼす影響については,エナメル質においてはリン酸処理3秒以上で十分な接着耐久性を獲得できることを明らかとした。29年度に関しては,形成された接着界面の耐久性向上を狙って,アドヒーシブ塗布の2度塗りがその接着耐久性に及ぼす影響について検討した。その結果,接着耐久性に向上には至適アドヒーシブ層の厚みがあることが示唆された。コンポジットレジンによる修復治療は、現在の歯科医療を支える重要な治療法のひとつであるものの、修復物および接着界面の経時的劣化は避けがたいものである。特に、接着界面の耐久性は、化学的、生物的および物理的な劣化因子に影響を受ける。これらの因子が複雑に絡み合うことで劣化が進行するものと考えられている。そこで、口腔内で繰り返し生じる物理的因子に着目、最大破折抗力以下の繰り返し荷重負荷を再現したFatigue試験からユニバーサルアドヒーシブ接着システムの接着耐久性について検討するとともに他の劣化因子を組み合わせることで接着界面を構成する部材の化学的、機械的分析から、その接着界面の"質"が破壊プロセスに及ぼす影響を解明することを目的とした。ユニバーサルアドヒーシブシステムは異なる被着体に対して前処理を不要とするとともにエナメル質および象牙質いずれの歯質に対してもトータルエッチおよびセルフエッチとしての使用が可能である。ユニバーサルアドヒーシブに含有されている機能性モノマーは歯質のアパタイトと化学的な接着性を有するため、象牙質面へリン酸エッチングを行うことで化学的接着に必要なアパタイト成分の脱灰とともにモノマー成分の不完全な浸透が懸念されるところであり、その術式においても議論が分かれるところである。そこで、口腔内で生じている連続的な過重負荷を再現した接着疲労耐久性試験に着目し、ユニバーサルアドヒーシブシステムの接着性とともにアドヒーシブ塗布に先立ったリン酸エッチングが接着耐久性に及ぼす影響について、接着疲労耐久性試験から評価する。接着疲労耐久性試験とは、試験片に臨界点未満の繰り返し荷重を規定の回数負荷し、試験片の生存あるいは脱落、破壊から負荷荷重を段階的に増減することで部材の機械的性質あるいは耐久性について評価する試験法である。接着疲労耐久性試験を用いて、以下の項目について検討を行った。1.リン酸処理の有無がユニバーサルアドヒーシブシステムの接着疲労耐久性に及ぼす影響。2.リン酸処理時間を短縮した際の接着疲労耐久性。3.接着試片の長期水中保管後の接着疲労耐久性。上記の検討から、限定した物理的、生物学的因子で口腔環境を単純化した実験系からユニバーサルアドヒーシブシステムの接着疲労耐久性および破壊メカニズムを明らかにした。また、安全かつ信頼性の高い接着技法を確立した。コンポジットレジンによる修復治療は,現在の歯科医療を支える重要な治療法のひとつであるものの,修復物および接着界面の経時的劣化は避けがたいものである。特に,接着界面の耐久性は,化学的,生物的および物理的な劣化因子に影響を受ける。そこで,口腔内で繰り返し生じる物理的因子に着目,最大破折抗力以下の繰り返し荷重負荷を再現したFatigue試験からユニバーサルアドヒーシブ接着システムの接着耐久性について検討するとともに他の劣化因子を組み合わせることで接着界面を構成する部材の化学的,機械的分析から,その接着界面の"質"が破壊プロセスに及ぼす影響を解明することを目的とした。28年度の取り組みから,ユニバーサルアドヒーシブ塗布前のリン酸処理がユニバーサルアドヒーシブシステムの接着疲労耐久性に及ぼす影響については,十分な成果を出すことができ,エナメル質においてはリン酸処理3秒以上で十分な接着耐久性を獲得できることを明らかとした。一方,象牙質においてはリン酸エッチングの影響はその接着耐久性に影響を及ぼさないことが判明した。29年度に関しては,ユニバーサルアドヒーシブの接着界面の“質"に焦点を絞って研究を遂行した。すなわち,形成された接着界面の耐久性向上を狙って,アドヒーシブ塗布の2度塗りがその接着耐久性に及ぼす影響について検討した。その結果,ユニバーサルアドヒーシブの2度塗りは,エナメルおよび象牙質ともにその接着耐久性の向上に寄与することが判明するとともに2ステップセルフエッチシステムの2度塗りは,その接着耐久性を低下させることを明らかとした。このことから,接着耐久性に向上には至適アドヒーシブ層の厚みがあることが示唆された。本研究の接着疲労耐久性試験から得られる結果および破壊形式は、一定荷重負荷試験から得られるものと異なり、口腔内で生じている現象をより正確に反映できる可能性がある。また、接着界面付近への繰り返し荷重によって部材に蓄積した塑性変形および亀裂伝播のメカニズムは、接着界面の"質"に影響を受ける可能性が考えられる。

この接着の"質"を評価するために、微小硬さ試験、ラマン分析を行い、接着疲労耐久性試験から得られる破壊形式との関連性について分析する。1.微小硬さ試験(Nanoindentation test)歯面のリン酸エッチング処理(0、3,10および15秒)後、製造者指示条件に従ってアドヒーシブ塗布および光重合レジンを充填した試片をエポキシ樹脂に包埋、縦切した後、鏡面研磨を行い、微小硬さ試験用試片とする。この試片に対して微小硬さ試験機(ENT-1100a、Elionix)を用いて、圧痕を付与し、微小硬さおよびYoung's modulusを求める。2.ラマン分光分析微小硬さ試験と同様に製作した試片に対して、ラマン分析を行う。これによって、レジンモノマーの浸透性について検討する。本研究における接着疲労耐久性試験および接着界面の化学的、機械的分析は、臨床歯科医に新たな情報を提供するとともに接着歯学の発展に貢献するものと思われる。また、これらの総合的な検討によって修復物の寿命予測を可能にするとともに安全で質の高い新規材料の開発や接着技術の発展に繋がることで患者満足および医療経済に資する点からも意義のあるものと思われる。歯科保存学
乳癌の浸潤・転移における癌間質液中スフィンゴシン-1-リン酸の役割と臨床的意義

癌間質および癌間質液は、癌との相互作用によって、癌の浸潤・転移に重要な役割を果たしている。スフィンゴ脂質であるスフィンゴシン-1-リン酸(以下S1P)は、細胞情報伝達物質として働く脂質メディエーターであるが、生体内においては、癌が産生するS1Pに加えて、宿主側が産生するS1Pも存在し、癌と宿主の相互作用におけるS1Pの生理的機能はいまだ不明である。私達は「癌間質液中のS1Pが高濃度に保たれ、癌間質液中のS1Pが癌細胞を刺激することによって、癌の浸潤・転移に寄与している」という仮説を立て、本研究を企画した。本研究の目的は「新規に開発した間質液収集法を用いて、癌および正常乳腺組織の間質液中のS1Pを定量することで仮説を検証すること」である。CRISPR/Cas9システムを用いて、SphK1ノックアウト(KO)乳癌細胞株を確立し、乳癌ES細胞を用いてC57BL/6マウス単独系統のSphK1KOマウスを作製、同種同一系統の癌移植モデルを確立した。作製したSphK1遺伝子改変乳癌細胞株をSphK1KOマウスの乳腺に同所性に移植を行い、腫瘍を作製した。癌および正常乳腺組織の間質液中のS1Pを定量し、癌部の間質液中のS1P濃度が、S1P受容体阻害薬によって低下し、腫瘍の増殖も抑えられることを発見した(J Mammary Gland Biol Neoplasia 2016)。さらに、乳癌患者の癌および正常乳腺組織の間質液中のS1Pを定量した(J Mammary Gland Biol Neoplasia 2016)。乳癌原発巣におけるSphK1の発現とS1P濃度、原発巣のS1P濃度とリンパ節転移の有無が関連することを発見した(J Surg Res 2016)。また、乳癌患者の血漿中S1P濃度とリンパ節転移の有無が関連することを発見し、学会発表を行った。スフィンゴ脂質であるスフィンゴシン-1リン酸(以下S1P)は、脂質でありながら細胞情報伝達物質として働く脂質メディエーターであることが、解明されてきた。しかし、生体内においては、癌が産生するS1Pに加えて、宿主側が産生するS1Pも存在し、癌と宿主の相互作用におけるS1Pの生理的機能はいまだ不明である。申請者は「癌間質液中のS1Pが高濃度に保たれ、癌間質液中のS1Pが癌細胞を刺激することによって、癌の浸潤・転移に寄与している」という仮説を立て、本研究を企画した。平成28年度は、遺伝子編集ツールであるCRISPR/Cas9システムを用いて、SphK1ノックアウト(KO)乳癌細胞株を確立し、乳癌ES細胞を用いてC57BL/6マウス単独系統のSphK1KOマウスを作製、同種同一系統の癌移植モデルを確立した。動物モデルにおいて、癌および正常乳腺組織の間質液中のS1Pを定量し、癌部の間質液中の高濃度S1Pが、S1P受容体阻害薬であるFTY720によって低下し、腫瘍の増殖も抑えられることを発見した(J Mammary Gland Biol Neoplasia 2016)。さらに、乳癌手術症例にて、癌および正常乳腺組織の間質液中のS1Pを定量した(J Mammary Gland Biol Neoplasia 2016)。また、乳癌手術症例において、乳癌原発巣におけるSphK1の発現とS1P濃度は相関すること、原発巣のS1P濃度が高いとリンパ節転移の頻度が高くなることを発見した(J Surg Res 2016)。平成28年度は課題研究AとBについて研究を推進し、計画通りに進行している。以下に進捗状況の詳細を記載する。課題研究A遺伝子編集ツールであるCRISPR/Cas9システムを用いて、SphK1ノックアウト(KO)乳癌細胞株を確立し、さらに、乳癌ES細胞を用いてC57BL/6マウス単独系統のSphK1KOマウスを作製、同種同一系統の癌移植モデルを確立した。独自の方法によって癌および正常乳腺組織から間質液を抽出し、S1Pを定量した。癌部の間質液では正常乳腺組織の間質液に比し、S1P濃度が高いことを発見した(J Mammary Gland Biol Neoplasia 2016)。課題研究B乳癌手術症例を対象とし、独自の方法によって癌および正常乳腺組織から間質液を抽出し、S1Pを定量した。癌部の間質液は正常乳腺組織の間質液に比し、S1P濃度が高いことを発見したJ Mammary Gland Biol Neoplasia 2016)。また、乳癌手術症例を対象とした研究を行い、乳癌原発巣におけるSphK1の発現とS1P濃度は相関すること、原発巣のS1P濃度が高いとリンパ節転移の頻度が高くなることを発見した(J Surg Res 2016)。

スフィンゴ脂質であるスフィンゴシン-1リン酸(以下S1P)は、細胞情報伝達物質として働く脂質メディエーターであるが、生体内においては、癌が産生するS1Pに加えて、宿主側が産生するS1Pも存在し、癌と宿主の相互作用におけるS1Pの生理的機能はいまだ不明である。申請者は「癌間質液中のS1Pが高濃度に保たれ、癌間質液中のS1Pが癌細胞を刺激することによって、癌の浸潤・転移に寄与している」という仮説を立て、本研究を企画した。本研究の目的は「新規に開発した間質液収集法を用いて、癌および正常乳腺組織の間質液中のS1Pを定量することで仮説を検証すること」である。CRISPR/Cas9システムを用いて、SphK1ノックアウト(KO)乳癌細胞株を確立し、乳癌ES細胞を用いてC57BL/6マウス単独系統のSphK1KOマウスを作製、同種同一系統の癌移植モデルを確立した。作製したSphK1遺伝子改変乳癌細胞株をSphK1KOマウスの乳腺に同所性に移植を行い、腫瘍を作製した。癌および正常乳腺組織の間質液中のS1Pを定量し、癌部の間質液中のS1P濃度が、S1P受容体阻害薬によって低下し、腫瘍の増殖も抑えられることを発見した(J Mammary Gland Biol Neoplasia 2016)。動物モデルにて、癌と宿主のSphK1が癌の発育進展に影響があることを発見し、現在解析中である。さらに、乳癌患者の癌および正常乳腺組織の間質液中のS1Pを定量した(J Mammary Gland Biol Neoplasia 2016)。乳癌原発巣におけるSphK1の発現とS1P濃度、原発巣のS1P濃度とリンパ節転移の頻度が相関することを発見した(J Surg Res 2016)。血液中および癌組織中のS1P濃度を定量し、臨床病理学的因子との比較検討を行っている。平成29年度は課題研究AとBについて研究を推進し、計画通りに進行している。以下に進捗状況の詳細を記載する。課題研究A遺伝子編集ツールであるCRISPR/Cas9システムを用いて、SphK1ノックアウト(KO)乳癌細胞株を確立し、さらに、乳癌ES細胞を用いてC57BL/6マウス単独系統のSphK1KOマウスを作製、同種同一系統の癌移植モデルを確立した。SphK1KOマウスにSphK1KO細胞を移植する動物実験を行い、癌と宿主のSphk1が癌の発育進展に、影響があることを発見し、現在解析中である。課題研究B乳癌手術患者を対象とし、血清および血漿中のS1P濃度、ならびに癌組織中のS1P濃度を質量分析器を用いて定量した。病理学的因子(組織型、サブタイプ、TNM Stage)、化学療法感受性、長期成績(再発・予後)などのデータベースの作成しており、S1P濃度と臨床情報との統合解析を行っているところである。癌間質および癌間質液は、癌との相互作用によって、癌の浸潤・転移に重要な役割を果たしている。スフィンゴ脂質であるスフィンゴシン-1-リン酸(以下S1P)は、細胞情報伝達物質として働く脂質メディエーターであるが、生体内においては、癌が産生するS1Pに加えて、宿主側が産生するS1Pも存在し、癌と宿主の相互作用におけるS1Pの生理的機能はいまだ不明である。私達は「癌間質液中のS1Pが高濃度に保たれ、癌間質液中のS1Pが癌細胞を刺激することによって、癌の浸潤・転移に寄与している」という仮説を立て、本研究を企画した。
非天然アミノ酸含有タンパク質の無細胞及び細胞モデル系での発現

生命機能の再構成という目において、蛋白質生合成系の役割は大きい。本研究では、蛋白質へ非天然アミノ酸を導入する技術の開発を通じて、蛋白質合成の分子基盤の理解と、人工的な細胞機能の再構築を目指す。具体的には、非天然アミノ酸含有蛋白質合成系をtRNAや翻訳因子の改良により更に効率化し、無細胞系及びモデル細胞系で利用することを目的とする。本年度は、以下の項目に取り組んだ。(1)改良した合成システムによる新規な人工蛋白質の創製前年度に改変を行ったEF-Tu、及び、開発した4塩基コドン用tRNAにより、以下の(i).(ii)を試みた。(i)従来取り込み効率の低かった非天然アミノ酸の蛋白質への導入:改変EF-Tuを用いることによりこれまでほとんど蛋白質へ導入できなかった1-pyrenylalanineの導入が可能になったという結果を前年度に得ている。このような例を更に数例調べ、導入効率の極めて低かった2-anthraquinonylalanineおよび1-pyrenylalanineの効率的な導入が可能になったことを明らかにした。これらの結果および前年度の結果は本年度11月にJ.Am. Chem.Soc誌に掲載された。(ii)蛋白質への複数種の非天然アミノ酸の同時導入:4塩基コドン用に開発した高性能なtRNAを用いて1つの蛋白質に複数種の非天然アミノ酸の同時導入を試みた。その結果、3種類の非天然アミノ酸の同時導入が可能になった。(2)細胞中での非天然アミノ酸含有蛋白質発現上の高効率非天然蛋白質発現系を細胞内に導入し、その中で蛍光ラベル蛋白質を合成させることを目指した。細胞としては哺乳動物細胞を用いた。現在のところ、細胞内への蛍光アミノアシルtRNAの導入法の開発途上であり、わずかながら導入できることが認められた。今後さらに導入法を最適化し、蛍光アミノアシル化tRNAが細胞内翻訳系で用いられて蛍光ラベル蛋白質の産生に結びつくことを確認したい。近年、国内外の数グループにより、蛋白質へ非天然アミノ酸を導入する技術の開発が進められているが、この技術は蛋白質生合成系の分子基盤を理解し化学的に改変して再構成することによって成り立っている。このような技術を更に発展させることは、種々の応用的意義があるだけでなく、蛋白質合成の分子基盤の理解にも役立ち、人工的に細胞機能を再構築することを可能にする。本課題は、翻訳系を用いた非天然アミノ酸含有蛋白質合成系をtRNAや翻訳因子の改良により更に効率化し、無細胞系及びモデル細胞系で利用することを目的としている。本研究では、非天然アミノ酸含有蛋白質合成系の改良に向け、(1)非天然アミノ酸の効率的導入に向けたEF-Tuの改変、及び、(2)非天然アミノ酸導入のための4塩基コドン用tRNAの開発を行った。(1)無細胞翻訳系において、tRNAに結合させることはできるが、蛋白質合成では導入効率が非常に低いという非天然アミノ酸は多数存在する。特にかさ高い非天然アミノ酸の導入効率が悪いことが多いが、原因の1つはその非天然アミノ酸がEF-Tuに結合できないことである。そこで、大腸菌のEF-TUを元として、EF-TUのアミノアシル側鎖ポケットを構成するアミノ酸のうちE215及びD216位を小さい側鎖のアミノ酸に変えた変異体を作成した。これらの中から、非天然アミノアシルtRNAにより強く結合する変異体を探し、非天然アミノ酸によく結合するEF-Tu変異体を得ることができた。これを用いて、無細胞翻訳系における非天然アミノ酸取り込み促進効果を測定したところ、通常の翻訳系では導入できなかった非天然アミノ酸を導入することに成功した。(2)非天然アミノ酸を結合させるtRNAは、細胞内のARSによって少しでも認識されると、非天然アミノ酸の導入予定部位に別のアミノ酸が誤って入ってしまう。誤ったアミノ酸の結合を避けることができる上、非天然アミノ酸の導入効率が高くなりそうなtRNAを多数設計し、最も良いtRNAを選び出した。

(2)細胞中での非天然アミノ酸含有蛋白質発現上の高効率非天然蛋白質発現系を細胞内に導入し、その中で蛍光ラベル蛋白質を合成させることを目指した。細胞としては哺乳動物細胞を用いた。現在のところ、細胞内への蛍光アミノアシルtRNAの導入法の開発途上であり、わずかながら導入できることが認められた。今後さらに導入法を最適化し、蛍光アミノアシル化tRNAが細胞内翻訳系で用いられて蛍光ラベル蛋白質の産生に結びつくことを確認したい。
生体試料揮発成分を分析し生活習慣病を診断する

腸内細菌叢が様々な生体調節機能の中心的役割を担っていることが明らかになりつつあり、加齢やストレス、食習慣による腸内細菌叢の変化が、肥満や糖尿病などの生活習慣病の発症に強く関連する低レベルの持続的な炎症誘導の引き金となることが報告されている。本研究では、腸管内の揮発性有機化合物(volatile organic compounds, VOCs)による生活習慣病の病態制御の解明を目的として、headspace sampler-GC-MSを用いた生活習慣病モデル動物の糞便に含まれるVOCsの網羅的分析を行い、病態に依存して有意な変動を示すVOCsの探索・同定・炎症誘導活性を検討した。本申請研究では、多様な生理活性を示すことが近年クローズアップされているが、その分析の難しさから未だ全容が明らかにされていない生体試料中の揮発性有機化合物メタボローム解析を行う。特に、腸内細菌叢がメタボリック症候群の表現型を決定する大きな因子であることが明らかになってきているので、非侵襲的診断法の確立や新規病因分子・メカニズム同定を達成するのに最良のサンプルである実験動物(生活習慣病モデルおよび正常コントロール)糞便中揮発性化合物プロファイルの取得、病態に有意な糞便中揮発性分子の探索・同定・病因活性の検討を行い、当該分野における啓示的成果を目指した探索的基礎研究を展開することを目的としている。本年度は、生活習慣病モデルとしてob/obマウス、その対照としてC57BL/6jマウスを飼育し、経時的に糞便をサンプリングした。採取した糞便サンプルを用い、GC-MSへのマニュアルインジェクションにより糞便内揮発性分子を分析し、分析に適した試料調製条件(試料量、加温温度・時間など)を検討した。さらに多検体を高精度に分析する目的で研究設備としてヘッドスペース型オートサンプラを導入し、マニュアルインジェクションによる分析と同様の試料調製条件やGC-MSによる分析条件を検討し、短鎖脂肪酸など多数の揮発性分子の検出・同定が可能であることを確認した。本研究では、腸管内の揮発性有機化合物(volatile organic compounds, VOCs)による生活習慣病の病態制御の解明を目的として、headspace sampler-GC-MS(HSS-GC-MS)を用いた生活習慣病モデル動物の糞便に含まれるVOCsの網羅的分析を行い、病態に依存して有意な変動を示すVOCsの探索・同定・炎症誘導活性を検討した。生活習慣病モデルKK-Ayマウスおよび対照のC57BL/6Jマウスに、高脂肪食、および通常食を摂取させ(計4群)、特餌開始1週より採取した糞便をHSS-GC-MSに供し、MSイオンピークを抽出後、EI-MSスペクトル解析による化合物の構造予測と、市販の解析ソフトウェアを用いた主成分分析を行ったところ、食餌およびマウス系統に依存した明確な主成分軸分離を示し、マウス系統に相関する第1主成分軸分離に最も強く寄与する分子として、acetoneを同定した。同様に食餌内容と相関する第2主成分軸分離に強く寄与する分子の一つとしてnonanalを同定し、マウス系統と食餌の有意な相互作用(二元配置分散分析)を示す分子としてphenolを同定した。さらに同定したVOCsの起炎症活性については、マウスマクロファージ様RAW264細胞における炎症性サイトカインの遺伝子発現誘導活性を指標に評価したところ、acetone、nonanal、phenolは、炎症性サイトカインの一つであるTNF-αの有意な発現誘導活性を示した。食品分析化学生活習慣病モデルおよび対照動物からの糞便試料の試料を行った。当初予定していた研究設備(ヘッドスペース型オートサンプラー)の整備を完了し、多検体の自動分析が可能であることを確認した。分析感度・精度の向上を目指して、試料調製法について、特に抽出および濃縮操作について再検討する。採取してある試料の分析を順次行い、活性候補分子の探索同定を行う。さらに、複数の生活習慣病モデル動物の飼育・試料採取を行い、確立した分析法にて解析し、より普遍的な活性分子の同定を目指す。備品購入のために前倒し請求の請求額を若干多め(区切りのいい金額)で行ったため。実験動物飼育費、GC-MS分析消耗品、培養細胞を用いた生物活性試験試薬費用に充当する。
植物ウイルスのゲノム複製装置の分子解剖と無細胞ウイルス複製系の開発に関する研究

本研究では、無細胞ウイルス複製系の樹立を目指して、ウイルスゲノムの構造がそれぞれ互いに大きく異なる5種の植物ウイルスについて、それらのゲノム複製装置に関する分子解剖学的解析を行う。1.TMVのゲノム複製装置の分子解剖:タバコモザイクウイルス(TMV)RNA複製酵素(RdRp)には、宿主植物のプロテインキナーゼ(NtPERK1),プロテインホスファターゼ2C(NtPP2C-2)、アルギニンデカルボキシラーゼ(ADC)およびリングフィンガータンパク質(PHF15)が、それぞれ特異的に結合して、TMV複製を制御していることが示された。さらに、翻訳伸長因子eEF1AがTMV RNAの3'非翻訳領域ならびにTMV RdRpに直接結合し、ウイルスゲノム複製複合体(VRC)の必須の構成成分であることが示された。2.SbCMVのゲノム複製装置の分子解剖:ダイズ退緑斑紋ウイルス(SbCMV)のORF II産物は相互に自己結合しており、この結合がウイルスの病原性に必須であることが示された。3.ASGVのゲノム複製装置の分子解剖:リンゴステムグルービングウイルス(ASGV)のウイルスタンパク質がフレームシフトにより翻訳されること、variable regionが病原性に関わることを示した。4.TVXのゲノム複製装置の分子解剖:チューリップXウイルス(TVX)と同属のジャガイモXウイルス(PVX)の病徴決定因子がRdRpのC末端領域および5'非翻訳領域にあることを明らかにした。5.SBWMVのゲノム複製装置の分子解剖ならびに無細胞SBWMV複製系の開発:ムギ類萎縮ウイルス(SBWMV)のRNA複製適温が17°Cであり20°C以上では複製しないことを示した。また、SBWMVの2種類の複製酵素タンパク質p152とp211がシスに発現することで活性の高い複製酵素複合体が形成される可能性を示すとともに、p152/p211内の未同定サイレンシング抑制領域が感染初期のRNA複製を成立させ、感染後期の隣接細胞への移行にはP19がサイレンシング抑制因子として機能している可能性が示唆された。一方、コムギ胚芽抽出液の転写共役的翻訳系によってSBWMV RNA1のcDNAがin vitroで転写・翻訳され、P152遺伝子の終止コドンはin vivoと同様に読み過ごされp211産物を生じることが示された。1.酵母two-hybrid法を用いてTMV RNA複製酵素のポリメラーゼドメインと結合する宿主タンパク質を探索したところ、C端側にZnフィンガーモチーフを有する一種の膜タンパク質(PHF15)が単離され、さらに、このPHF15がヘリカーゼドメインとも結合することが認められた。以上から、このPHF15がTMV RNA複製酵素のヘテロダイマー形成のための架橋タンパク質である可能性が示唆された。2.CTLVのORF1に1塩基のsm(silent mutation)を導入したCTLV-RM21変異株の病原性低下は、ノーザン解析によりウイルス複製量の低下によることが示された。さらに、sm近傍のゲノムRNAに翻訳フレームシフトを促進するslippery配列およびステムループ構造が認められたことから、RM21株ではsmによりステム構造が変化して、フレームシフトの効率が低下したために病原性が低下した可能性が示唆された。

3.PVX-oは均一な大きさの壊死斑を生ずるが、PVX-bは全く病徴を生じない。そこで、PVX-bの移行タンパク質TGB1をPVX-oのTGB1に取り換えたところ壊死斑が生ずることが示された。両者のTGB1は7アミノ酸異なるだけであり、逆にPVX-oのこの7アミノ酸をPVX-bのものに換えると、壊死斑が消失した。PVXでは、このTGB1のアミノ酸変異が宿主細胞の壊死を引き起こすが、この壊死はウイルスの移行を阻止するものではないと考えられる。4.SBWMV日本分離株より作製した全長cDNAクローンpJS1およびpJS2より試験管内で合成したRNAをPEG法でオオムギ葉肉プロトプラストに接種し、ウエスタンブロット法により外被タンパク質(CP)を検出したところ、接種6時間後以降、接種48時間後までCP蓄積量の増加が認められた。さらにpJS2のCP遺伝子とその下流のリードスルー(RT)領域をGFP遺伝子と置き換えたpJS2.GFPとpJS1の試験管内転写産物を混合し、オオムギ葉肉プロトプラストに接種したところ、約4割の細胞が強い蛍光を発した。従って、CPおよびRT領域はウイルス複製に必要ではないことが明らかとなった。2.SbCMVのORF2の産物が相互に自己結合することが、酵母two-hybrid法によって示された。3.ASGVのORF1のvariableregionやフレームシフト部位に終止コドンを導入した変異株の解析から、ASGVの遺伝子発現機構は、ORF1からは、3'領域から転写されるサブゲノムRNAを介してCPが翻訳される他に、RdRp、variable region、CP各領域を含むORF1全長のポリプロテインと、RdRpの直後で-1フレームシフトして翻訳を終止する短いタンパク質が発現し、ORF2からはサブゲノムRNAを介してORF2タンパク質が発現するものと推定された。4.SBWMVの野生型RNA1とRNA2をオオムギ葉肉プロトプラストに接種後、15°Cから25°Cの範囲で培養し、外被タンパク質をウエスタンブロット法で、RNA1およびRNA2をノーザンブロット法で検出した結果、ウイルス複製は17°Cで最大であり25°Cでは検出されなかった。従ってSBWMVの低温要求性は一義的にRNA複製レベルであることが証明された。5.SBWMVのRNA1は2種類の複製酵素タンパク質p152とその読み過しによるp211をコードしている。p152遺伝子の終止コドンをセンスコドンに置換してp211のみが翻訳されるp211 RNA1とp152遺伝子の下流域が翻訳されないp152 RNA1をChenopodiumquuinoa葉とオオムギ葉肉プロトプラストに接種し、感染性と複製能を調べた。p211 RNA1のRNA複製能は野生型RNA1に比べて著しく低く、一方、p152 RNA1はそれ自体では複製能を示さず、p211 RNA1存在下でp211 RNA1単独接種と同程度の複製量を示した。以上から、翻訳共役的複製酵素複合体形成モデルが可能性として示唆された。
ドパミンD1-like受容体に関連した細胞内情報伝達系の再検討

細胞内情報伝達系の異なるドパミンD1-様アゴニストと受容体欠損マウスを用いて,D1-様:D2-様受容体相互作用の観点からD1-様受容体機能について検討を加えた。新規のマウス顎運動観察法により,同時に各種の顎顔面領域の運動を記録した。その結果,アデニレートシクラーゼ(AC)とフォスフォリパーゼC(PLC)活性化作用を有するD1-様アゴニストSKF38393,SKF82958でもPLC活性化作用のみ示すSKF83959も,ほとんど同様のトポグラフィーを示したが,水平的顎運動(Jh)には影響を及ぼさなかった。しかし,SKF82958はJh発現は抑制するという特殊な作用を示した。また,D2-様アゴニストは顎運動に抑制的に作用し,頭部と感覚毛の運動には促進的に作用し,併用したところD1-様アゴニストの主要な顎運動を抑制した。しかし,SKF82958ではことなる相互作用を示し,やはり,この薬物の特殊性が示唆された。D2ノックアウトマウスを用いた研究からはD2受容体はD1受容体機能とは独立に垂直的顎運動を抑制的に制御していることが示唆された。また,D2ノックアウトマウスではA68930,SKF83959のトポグラフィーがおおむね同様であったことから,AC連関型,PLC連関型D1-様受容体はいすれもD2受容体に関連性をもたず,独立に機能を発揮することが示唆された。しかし,舌の突出運動に関しては,D2受容体はAC共役型またはPLC共役型D1-様受容体と協調的な相互作用を有していることが示唆された。また,D3受容体は少なくともPLC連関型D1受容体と相互作用を有しないことも示唆された。ドパミンD1-様受容体はcAMP増加させる受容体と定義されているが、近年、IP3の生成を促進するものも存在することが指摘されている。そこで、cAMP、IP3のマウス顎口腔領域の運動制御に果たす役割について検討した。(1)cAMPアナローグのSp-CAMPS、競合的阻害薬のRp-CAMPSを顎運動に関係が深い線条体に直接注入したところ、対照群と比較して垂直的顎運動(Jv)、舌の突出(Tg)、頭部の運動(Hd)、チャタリング(Ct)、感覚毛の運動(Vb)にはほとんど変化は認められなかったが、水平的顎運動(Jh)の著明な減少が認められた。cAMP系の賦活または抑制はそれ自体では顎口腔領域の運動の誘発には重要でないことが示唆された。また、JhはcAMP作用薬でも拮抗薬でも抑制されたことから、線条体内の神経細胞の賦活または抑制はともに神経系のシステムレベルで結果的にこの運動を抑制している可能性が示唆された。(2)さらにホスホジエステラーゼ阻害薬rolipramを線条体に前投与し、SKF83959を皮下投与したところ、誘発されるJv, Tg, Hdは対照群より増加した。Rolipramにより分解を抑制され、増加したcAMPが、SKF83959の作用を増強した可能性が考えられた。一方、ホスホリパーゼC阻害薬U73122を脳室に前投与し、SKF83959を皮下投与したところ、Jv, Tg, Hd, Vbの発現は抑制された。U73122によりIP3の生成が抑制され、SKF83959の作用が抑制された可能性が示唆された。

これらのことより、cAMPはSKF83959の顎運動誘発作用に対して促進的に働き、IP3も促進的に働いている可能性が示唆された。(1)の実験の結果と(2)のそれとの間にある不一致については次年度の課題の一つとしたい。パーキンソン病治療薬として研究が進められているSKF83959はcAMPの生成を抑制、かつ、Gqを介してフォスフォリパーゼC(PLC)を活性化し,IP3の生成を促進する作用を示し,また,行動薬理学的には従来知られているD1-様受容体アゴニストと同様な行動を実験動物に誘発する。D2-様受容体に含まれるD2,D3,D4受容体はcAMP生成を抑制することにより機能を発揮すると考えられているが,PLC連関D1-様受容体との相互作用については検討されていなかった。そこで,D2,D3,D4受容体欠損マウスにSKF83959を投与することにより,D2,D3,D4受容体との相互関係について各種顎運動を指標にして検討を加えた。D2受容体欠損マウスのSKF83959に対する反応性はD1受容体欠損マウスとは異なり,ほとんど変化していなかった。D3,D4遺伝子欠損マウスの反応性にもはとんど変化が認められなかった。一方,通常のマウスにSKF83959やD1-様受容体アゴニストとして広く用いられているSKF38393などを投与すると各種顎運動は誘発されたが,D2-様受容体アゴニストRU24213やquinpiroleではむしろ各種顎運動は抑制された。また,興味深いことに,ラットでは顎運動が促進されると報告されているのとは異なり,SKF83959にD2-様受容体アゴニストを併用投与すると各種顎運動は抑制された。これらのことより,内因性のドパミンによる刺激条件下ではD2,D3,D4,個々の受容体はPLC連関型D1-様受容体機能に対して抑制的な作用も促進的な作用も示さないこと,そして,過剰にこれらD2,D3,D4受容体のいずれかまたはすべてを刺激した条件下ではPLC連関型D1-様受容体の作用を抑制する可能性が示唆された。
マウス嗅覚系におけるCO2センサーの新規動作機構の解明

マウス嗅上皮の腹側部には、嗅覚受容体の代わりに、炭酸脱水酵素Car2をセンサーとして発現する特殊な嗅細胞サブタイプ(Car2細胞と略称)が存在し、大気中のCO2を感知している。通常の嗅細胞が、匂い情報をcAMPシグナルへと変換するのに対して、Car2細胞では、Car2により生成された重炭酸イオンが受容体型グアニル酸シクラーゼGC-DのcGMP経路を活性化する。また、GC-D自身が尿に含まれるペプチド(guanylin,uroguanylin)のレセプターとして働くことも報告されている。本研究において、マウス嗅上皮から嗅細胞を単離し、CO_2への応答性をカルシウムイメージング法により解析した結果、嗅上皮には既知のCar2細胞以外にも、Car2陰性でCO_2への応答性を示す新規の嗅細胞が存在することを見出した。また、新規のCO_2センサー細胞は、CO_2のみに応答する細胞と、CO_2とpHに応答する細胞に大別されることも判明した。更に、これらCar2陰性のCO_2センサー細胞の約半数は、炭酸脱水酵素の阻害剤であるAcetazolamide処理によりCO_2への応答性が阻害されたことから、Car2以外の炭酸脱水酵素をCO_2センサーとして持つと推測された。そこで、嗅上皮における炭酸脱水酵素の発現を検討したところ、Car7が嗅細胞の一部で発現していることを見出した。本研究により、マウスの嗅上皮には、複数種の異なるCO_2センサー細胞が存在することが明らかにされた。マウスを取り巻く自然環境には、餌、巣穴、仲間、捕食者などの様々なCO_2の発生源が存在し、その濃度も異なる。従って、マウスは、CO_2への応答性の異なる複数種のセンサー細胞を駆使することにより、様々な状況下におけるCO_2濃度を感知し、行動している可能性が示唆される。また興味深いことに、GC-D自身が尿に含まれるペプチド(guanylin, uroguanylin)のレセプターとして働くことも報告されている。通常の嗅細胞が単一の嗅覚受容体遺伝子を発現するのに対して、Car2細胞はCar2とGC-Dという2種類の異なるセンサーと独自のcGMPシグナル経路を持ち、CO2と尿からの情報を細胞レベルで統合していると予想される。私共は発生期から成体に至るまで、形態形成因子BMP7と転写因子Pax6がCar2細胞で特異的に発現していることを見出した。そこで私共は、レンチウイルスの発現系を用いて、新生仔のマウス嗅上皮へBMP7やPax6遺伝子を導入して、6日後に解析した。Pax6を嗅細胞で異所発現させると、興味深いことに、通常の嗅細胞で発現しているcAMPシグナル関連分子の発現が抑制されることが分かった。この結果は、Pax6はCar2細胞が通常の嗅細胞に分化することを妨げる負の制御因子として働く可能性を示唆している。一方、Pax6の異所発現によりCar2の発現は誘導されず、Pax6以外にもCar2細胞の分化を正に制御する因子の存在が示唆された。そこで今後、Car2細胞の発達やセンサー機能発現に関わる分子を同定するため、Car2細胞をGFP標識したノックインマウスから、Car2細胞と通常の嗅細胞をそれぞれ単離し、シングルセルマイクロアレイ法を用いて両者で発現量の差のある分子を探索する。
1次元ハバード模型などの可解量子系の準位交差現象と量子力学のレベル反発則の考察

可解量子スピン鎖を代表するXXZ鎖(およびXYZ鎖)、さらに相関電子系の代表的な可解模型である1次元ハバード模型に関して、固有スペクトルの縮退等を数学的に厳密な手法により研究した。ハバード模型に関しては、ストリング仮説に基づく励起状態の記述を数学的に厳密に裏付ける研究を行った。(T.Deguchi他,Phys.Reports(2000))。1次元XXZ模型に関しては、異方性変数Δがある離散値の場合(Δ=cos(2πP/N))、XXZハミルトニアンがsl(2)ループ代数という無限次元リー代数の生成演算子と交換することを証明した(T.Deguchi他,J.Stat.Phys.(2001))。ここでNとpは2以上の任意の自然数である。Δを変化させるとこの離散値において系の対称性は突然拡大し、多数のレベル交差が生じる。その縮退度は格子サイズLに関して指数関数的に増大する。例えば、2のL/N乗のN倍の縮退度の場合がある。L=12、N=3のとき、2の4乗の3倍は48である。このように次元の大きな準位縮退が生じるのは、sl(2)ループ代数が無限次元の対称性を持つためである。縮退固有空間はsl(2)ループ代数によって一個のベーテ固有ペクトルから生成される。例えば48次元の縮退固有空間の中で、1次元だけはベーテ固有ベクトルで表され、残りの47次元はこのベクトルからsl(2)ループ代数を作用させて導かれる。sl(2)ループ代数によって導かれる固有ベクトルは、一般にはベーテ固有ベクトルの形に表されない。Δに関するフローを考えると、Δの離散的特殊値において見かけは同じ対称性を持つ非常に多数の固有状態のエネルギー準位が交差する。この現象を量子力学のレベル反発則の反例と解釈することもできる。さらに楕円関数の量子群を用いて、XXZ鎖の縮退と同様な縮退がXYZ鎖にも存在することを、数学的にほぼ厳密に証明した。(T.Deguchi, J.Phys.A(2002))1次元XXZ模型(異方的ハイゼンベルグ模型)は1次元可解量子スピン系の代表例である。1次元格子の隣接する格子点上のスピンが相互作用し、そのXおよびY成分の結合定数をJと表すとZ成分の結合定数はJΔで与えられる。変数Δはスピン相互作用の異方性を表すパラメターである。例えばΔ=1のとき等方的な強磁性ハイゼンベルグ模型に、Δ=∞のときイジング模型に対応する。以下、周期的境界条件を仮定する。また、1次元格子点の総数Lは任意の自然数であるとし、偶数でも奇数でも良い。転送行列と交換するこれらの新しい量子演算子は、量子群U_q(sl_2)あるいはそれをアファイン化したU_q(s^^<^>l_2)の演算子を用いて表される。例えば、全スピン角運動量演算子の量子群的変形版をS^-と表すと、そのN乗の演算子(S^-)^Nが(ある条件下で)ハミルトニアンと交換する。具体的には、全角運動量S_zの値がNの整数倍であるような固有空間の中で交換する。変数qをq^<-1>に置き換えたとき、演算子S^-から別の演算子T^-が導かれる。このとき、そのN乗の演算子(T^-)^Nも転送行列と交換する。この結果、例えば2^<L/N>個の縮退した固有状態が生成される。この中の一個だけが従来のベーテ仮説固有状態に対応する。以上の結果は数学的に厳密で、今後、1次元XXZ模型の固有状態の分類や完全性の議論において決定的に重要な役割を果たすであろう。