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裸子植物と被子植物の胚珠構造の比較に基づく被子植物の起源に関する研究

裸子植物のグネツムの胚珠における胚珠形成に関わる遺伝子の発現を観察し,他の裸子植物の胚珠での遺伝子発現と比較した.その結果,形態形成に関与する遺伝子の発現が胚珠軸の節間の短縮過程を反映している可能性が示された.被子植物においては胚珠軸の短縮過程がこれまで明らかになっていなかったが,裸子植物での結果を当てはめることで,内珠皮と外珠皮の間にあった節間が短縮されカラザが形成されたと推定された.裸子植物のグネツムの胚珠における胚珠形成に関わる遺伝子の発現を観察し,他の裸子植物の胚珠での遺伝子発現と比較した.その結果,形態形成に関与する遺伝子の発現が胚珠軸の節間の短縮過程を反映している可能性が示された.被子植物においては胚珠軸の短縮過程がこれまで明らかになっていなかったが,裸子植物での結果を当てはめることで,内珠皮と外珠皮の間にあった節間が短縮されカラザが形成されたと推定された.被子植物のモデル植物の1つであるシロイヌナズナで同定された胚珠形成に関与する遺伝子のうち,AINTEGUMENTA(ANT)相同遺伝子(GpANTL1)を裸子植物のグネツム(Gnetum parvifolium)より単離し,その塩基配列(2005塩基対)を決定した.次にグネツムの胚珠原基でのGpANTL1の発現をin situ hybridization法を用いて観察したところ,珠心,珠皮,内被,外被原基でシグナルが観察され,それぞれの発現組織は独立していた.これまでの研究から,グネツムと近縁な裸子植物であるマツ科のANT相同遺伝子は,内被または外被と相同な珠鱗と珠皮の共通原基全体で発現することが知られている.マツ科を含む針葉樹目では珠皮とその他の葉的器官の癒合が化石記録から明らかになっており,グネツムとマツ科のANT相同遺伝子の発現様式の違いはこの側生器官の癒合を反映していると推定された.一方,シロイヌナズナのANTは,内珠皮(珠皮と相同)と外珠皮(葉的器官)を形成するカラザ全体で発現することが知られている.この発現が暗示する意味をマツ科とグネツムにおいて推定された側生器官の癒合とANT相同遺伝子の発現部位の関係から類推すると,被子植物においても外珠皮と内珠皮の間に癒合が過去に生じた可能性がある.このような癒合過程は「被子植物が一部のシダ種子植物から進化した」とする系統仮説を支持する(日本進化学会2006年大会,2006年8月,東京で発表).また被子植物において珠皮形成に関与するYABBY遺伝子を裸子植物,単子葉植物から単離し,その一部を用いてYABBY遺伝子族内の系統関係を明らかにした(Hirayama, Yamada, et al., in press).現在グネツムでのYABBY遺伝子の発現解析を進めている.2006年度までに得られたグネツム胚珠でのAINTEGUMENTA(ANT)相同遺伝子の発現様式に関する議論を深めるため,栄養シュートや他の器官でのANT相同遺伝子の発現をRT-PCRおよびin situ hybridization法により観察した.その結果,ANT相同遺伝子は内珠皮,胞子葉での発現に加えて,栄養葉の分裂を盛んに行う細胞群で強い発現が観察されたが,シュート頂での発現は観察されなかった.このことは,ANT相同遺伝子の共通機能は側生器官の細胞増殖の制御である」とするこれまでの仮説と合致し,昨年度までに得られた「胚珠軸における側生器官の癒合仮説」を支持するものであった.今年度得た結果と昨年度までに得た結果を併せて,学術誌に投稿した(印刷中).また,原始的被子植物の1つであるトリメニア科の種子化石を白亜紀前期め地層から発見した.この種子は珠孔とへそが隣接した形態を持つことから,胚珠は,倒生で幌型の外珠皮を持っていたこと推定された.この結果は「被子植物り胚珠はもともと倒生であり,外珠皮は左右対称な器官である」とする仮説を支持した.また,この種子は発達の悪い周乳と良く発達する内乳を併せ持っていた.現生トリメニア科は良く発達した周乳を持ち,化石種子は有周乳種子への移行段階にあると考えられた.このことは被子植物の初期段階から内乳が獲得されていたことを示す重要な発見であり,裸子植物型珠心から被子植物の珠心の進化において,急激に雌性配偶体の縮小が起きた可能性を示唆した(日本植物分類学会第7回大会,東京,2008年3月,にて発表;投稿中).北海道三笠市に分布する下部白亜系(アルビアン)日陰ノ沢層から最古のトリメニア科種子化石を報告し, Stopesia alveolataと命名した.この種子は,珠孔-へそ複合体を持つことから,幌型の外珠皮原基を持つ胚珠から形成されたと考えられる.これまで私たちは,現生被子植物の基部で分岐した植物が幌型(=左右対称)の外珠皮原基を持つことを明らかにしてきた.

また,左右対称な原基は葉に特徴的であることから,外珠皮は相同器官であるとする仮説を提唱した.トリメニア科は最も基部で分岐した被子植物の1つであり,今回記載した化石により,外珠皮が葉と相同であるとする仮説が古植物学的な証拠によってさらに支持された.また,化石種子はよく発達した内乳とあまり発達しない周乳を持つ.この特徴は現生トリメニア科種子がよく発達する周乳とあまり発達しない内乳を持つこととは大きく異なり,周乳の発達が派生的な特徴であることを示唆する.すなわち,初期の被子植物は既に発達した内乳を完成させていた可能性が高く,有内乳性はう今後祖先裸子植物を探索する際の有力な手掛かりとなるだろう.また,裸子植物のグネツム(Gnetum parvifolium)から, KANADI遺伝子の1つであるKANADI1オーソログを単離した.この遺伝子は胚珠のmRNAを基に作成したcDNAから単離されたことから,胚珠で発現している可能性が高く,現在in situ hybridizationによる発現解析を進めている.
直接接触による低エクセルギー損失熱交換システムに関する研究

1.疎水性液系スラッシュアイスの直接接触解熱伝達挙動の把握既存の固・気・液三相流動層実験装置を用い,氷粒子とシリコン油を混合したものを供試疎水液系スラッシュアイスとして,その直接接触融解熱伝達特性に及ぼす,諸因子(流動空気温度および流量,氷充填率など)の影響を検討した.実験の結果,疎水性液体としてシリコン油と氷粒子を混合したスラッシュアイスは,採冷熱伝達特性が水溶液系スラッシュアイスより低い値を示すことが明らかとなった.2.単一気泡による熱伝達実験および数値解析スラッシュアイスと空気間の融解を伴う直接接触熱伝達機構を解明するため,スラッシュ層内に単一気泡を通過させ,その際の熱伝達特性を検討するための実験装置の製作および実験を行った.得られた熱伝達率に関する基礎データを解析モデルに適用し,固・気・液三相流動層における融解熱伝達に関する数値シミュレーションを行った.3.スラッシュアイスよりの採冷熱におけるエクセルギー評価今年度における,シリコン油スラッシュアイスの融解熱伝達特性に関する実験結果と,前年度までに得られたその他の疎水性液および水溶液系スラッシュアイスに関する実験結果とを併せて,スラッシュ層よりの採冷熱におけるエクセルギー評価を行った.その結果,疎水性液スラッシュアイスでは,氷の融解温度が常に0°Cとなるため,エクセルギー損失が低減されるが流動層としての熱伝達率が低下するため,水溶液スラッシュアイスシステムは,疎水性液によるものと比較してエクセルギー効率が高くなることが明らかとなった.1.疎水性液系スラッシュアイスの直接接触解熱伝達挙動の把握既存の固・気・液三相流動層実験装置を用い,氷粒子とシリコン油を混合したものを供試疎水液系スラッシュアイスとして,その直接接触融解熱伝達特性に及ぼす,諸因子(流動空気温度および流量,氷充填率など)の影響を検討した.実験の結果,疎水性液体としてシリコン油と氷粒子を混合したスラッシュアイスは,採冷熱伝達特性が水溶液系スラッシュアイスより低い値を示すことが明らかとなった.2.単一気泡による熱伝達実験および数値解析スラッシュアイスと空気間の融解を伴う直接接触熱伝達機構を解明するため,スラッシュ層内に単一気泡を通過させ,その際の熱伝達特性を検討するための実験装置の製作および実験を行った.得られた熱伝達率に関する基礎データを解析モデルに適用し,固・気・液三相流動層における融解熱伝達に関する数値シミュレーションを行った.3.スラッシュアイスよりの採冷熱におけるエクセルギー評価今年度における,シリコン油スラッシュアイスの融解熱伝達特性に関する実験結果と,前年度までに得られたその他の疎水性液および水溶液系スラッシュアイスに関する実験結果とを併せて,スラッシュ層よりの採冷熱におけるエクセルギー評価を行った.その結果,疎水性液スラッシュアイスでは,氷の融解温度が常に0°Cとなるため,エクセルギー損失が低減されるが流動層としての熱伝達率が低下するため,水溶液スラッシュアイスシステムは,疎水性液によるものと比較してエクセルギー効率が高くなることが明らかとなった.
神経機能制御における小胞膜輸送システムの関与

本研究の目的は、神経の分化や機能調節における細胞内輸送システムの制御機構を明らかにすることであった。特に、神経細胞における膜シャペロンタンパク質FKBP38、および輸送制御タンパク質プロトルーディンの作用機序の解明を目指した。その結果、パーキンソン病や遺伝性痙性対麻痺などの神経疾患の発症原因の機構の一部が明らかになった。小胞膜輸送は、膜小胞に特異的な分子を積載し選択的な細胞内輸送を行うシステムであり、細胞の活動に重要な基本機能のひとつである。神経細胞は他の細胞と異なり、特殊な形態を形成しかつ特殊な小胞分泌を行うため、神経特異的な膜輸送システムが存在すると考えられる。神経特異的な小胞膜輸送システムは、神経突起形成や神経伝達物質分泌などの神経機能制御に重要であるが、その詳細な機構には未解明な部分が多い。神経突起が形成される際には、細胞膜成分を取り込み、集め、限定方向へ送り出す、膜のリサイクリング機構が促進されるが、われわれは膜リサイクリングを制御する新規分子の同定と機能解析とにより、神経突起形成に重要な小胞膜輸送システムの分子機構を明らかにした。さらにその小胞膜輸送システムは、脂質やタンパク質の選択的輸送により神経機能の制御にも関与していることが示唆されている。本研究では、神経機能調節における小胞膜輸送システムの関与について、その全体像および詳細な分子機構を解明し、さらに神経疾患との関連を解明することを目指す。本研究では、神経発生、神経機能調節における小胞膜輸送システムの関与およびその分子機構を明らかにすることを目的としている。特に神経細胞の分化、移動、構築、機能制御に焦点を当て、膜シャペロンタンパク質FKBP38と膜輸送制御タンパク質Protrudinの複合体、即ち"FKBP38-Protrudin複合体"による制御機構を解明している。そして、それらの機構のヒトの二分脊椎などの神経形成不全や遺伝性痙性対麻痺などの神経疾患の病因への関与を解明し、さらに治療への応用を目指している。本年度は、ノックアウトマウスを用いた解析を中心に行った。マウス脳組織より脂質を抽出し、Protrudin結合脂質をスルファチドを含めて同定を試みた。結合脂質の神経・グリア接着促進機能や、神経軸索上ドメイン形成への関与を解析した。Protrudinノックアウトマウスを作製した。そのマウスを用い、神経細胞における膜輸送の異常、脂質分布の異常、神経疾患の発症、神経・グリア接着の異常、電気生理学的異常などについて解析した。そして膜輸送制御の神経疾患との関連を解析した。本研究では、神経発生、神経機能調節における小胞輸送システムの関与およびその分子機構を明らかにすることを目的としている。本年度は、ノックアウトマウスの初代神経細胞を用いた解析を中心に行った。そのマウスを用い、神経細胞における膜輸送の異常、脂質分布の異常、神経疾患の発症、シナプス結合や樹状突起スパインなどについて解析した。そして小胞輸送制御の神経疾患との関連を解析した。特に、Protrudinとスルファチド、およびRab11の神経細胞樹状突起スパインへの関与を調べた。さらに、シナプス結合への関与を解析した。そしてRab11-positiveな小胞輸送制御の神経機能制御との関連を解析した。特に神経細胞の分化、移動、構築、機能制御に焦点を当て、膜シャペロンタンパク質FKBP38と膜輸送制御タンパク質protrudinの複合体、即ち"FKBP38-protrudin複合体"による制御機構を解明している。今年度は、まず、protrudinとprotrudinのFYVEドメインの結合脂質スルファチド、およびRab11の神経細胞樹状突起スパインでの機能連関を調べた。その結果、(1)Long-term potentiation (LTP)シグナル依存的に働くPKAおよびPKCにより、protrudinとRab11の結合が増強されることがわかった。(2)さらにPKAによりRab11-GDPとの結合が増強し、逆にPKCによりRab11-GTPとの結合が増強することがわかった。(3)PKAおよびPKCによるprotrudinのリン酸化部位を質量分析により解析したところ、各々異なる部位がリン酸化されることがわかり、いずれもFYVEドメイン中であるという結果を得た。(4)また、記憶・学習を反映すると考えられる海馬CA1領域のLTPについて電気生理学的実験を行ったところ、protrudinノックアウトマウスでLTPの減弱が有意に認められた。

よって、protrudinは記憶・学習などの高次脳機能に重要な働きをしていることが明らかになった。一方、FKBP38については、(5)ミトコンドリアオートファジー(マイトファジー)におけるパーキンソン病の原因遺伝子parkinやPINK1との機能的関連が示唆されるデータを得た。本研究では、神経発生、神経機能調節における小胞輸送システムの関与およびその分子機構を明らかにすることを目的としている。特に神経細胞の分化、移動、構築、機能制御に焦点を当て、膜シャペロンタンパク質FKBP38と膜輸送制御タンパク質protrudinの複合体、即ち"FKBP38-protrudin複合体"による制御機構を解明している。そして、それらの機構のヒトの二分脊椎などの神経形成不全や遺伝性痙性対麻痺などの神経疾患の病因への関与を解明し、さらに治療への応用を目指している。今年度は、protrudinのFYVEドメインの結合脂質として新たにPI(5)Pを同定した。そして、PI(5)PとRab11による神経細胞樹状突起スパインでの機能連関を調べた。その結果、(1)Long-termpotelltiation (LTP)シグナル依存的に働くPKCにより、protrudinによるPI(5)P制御作用が増強されることがわかった。その際、FYVEドメインの樹状突起スパインへの局在が強くなることを見いだした。(2)さらに、protrudinの結合タンパク質として、PI(5)P合成酵素であるTMEM55を同定した。(3)また、protrudinの結合タンパク質として同定したK上IF5との機能関連を明らかにした。(4)一方、FIKP38が、ミトコンドリアオートファジー(マイトファジー)の際にミトコンドリアから小胞体にエスケープすること、その分子機構として、膜貫通領域の塩基性アミノ酸の数が重要であることを明らかにした。特に神経細胞の分化、移動、構築、機能制御に焦点を当て、膜シャペロンタンバク質FKBP38と膜輸送制御タンパク質protrudinの複合体、即ち"FKBP38-protrudin複合体"による制御機構を解明している。そして、それらの機構のヒトの二分脊椎などの神経形成不全や遺伝性痙性対麻痺などの神経疾患の病因への関与を解明し、さらに治療への応用を目指した。本年度の具体的な実績内容は以下である。(1)Protrudin結合脂質PtdIns5Pの同定。Protrudinはボスファチジルイノシトール(PIP)結合モチーフのFYVEドメインを有している。そのリコンビナントタンパク質を作製し、PIPとの結合実験を以下の3種類の方法で行った。
Mesocestoides由来Th2細胞分化誘導因子の精製と免疫学的解析

寄生線虫が分泌するプロテアーゼが、Th2タイプの免疫応答誘導に関与しているかどうかは興味がもたれるところである。そこで、寄生線虫である犬蛔虫及び旋毛虫の幼虫より分泌されるES抗原を用いてマウスを免疫し、その中に含まれるセリンプロテアーゼのTh2細胞分化に及ぼす影響について検討を加えた。非処理ES抗原で免疫したマウスと、PMSFまたは熱処理によりプロテアーゼを不活化したES抗原で免疫したマウスの免疫反応を比較した。熱処理した抗原により追加免疫を3回行い、最終免疫より1週間後にマウスより脾細胞を採取し、ES抗原刺激により産生されるIL-4,IL-5,IFN-γをELISAで測定した。その結果IL-4産生は各群の間で差がみられなかったが、IFN-γ産生は、熱処理抗原及びPMSF処理抗原免疫群において、産生増強がみられた。また、熱処理群において、IL-5産生のレベルもやや上昇した。各個体におけるサイトカイン産生量の比を比較すると、非処理抗原で免疫した方が、PMSFまたは熱処理抗原免疫群よりIL-4/IFN-γ比が有意に高い値を示した。また、抗原特異的IgG2aのレベルは、熱処理抗原免疫群群において最も高く、非処理抗原免疫群において最も低い値を示した。それとは逆に、IgG1/IgG2a比及び抗原特異的IgEのレベルは非処理抗原免疫群で高い傾向にあった。非処理及びプロテアーゼ不活化処理した旋毛虫ES抗原で免疫したマウスを用いた実験においても、同様の結果が得られた。これらの結果は、これまでに明らかにしたMesocestoides cortiメタロプロテアーゼを用いた実験とほぼ同様の結果であり、寄生蠕虫の分泌するプロテアーゼにより宿主の免疫系がTh2タイプにシフトする可能性が示唆された。寄生蠕虫感染時に特徴的な宿主の免疫反応として好酸球増多・IgE産生・肥満細胞増殖があげられるが、これらは全てTh2細胞より作られるサイトカインによって支配されている。ところが、Th2細胞分化の機構については不明な点が多い。最近、ダニ由来のシステインプロテイナーゼがTh2細胞への分化に関与しているという報告がなされた(Comoy et al.J.Immuol.(1998)160,2456)。宿主の免疫系も寄生蠕虫より分泌されるプロテイナーゼによってTh2タイプにシフトすることが予想される。そこで我々は、寄生線虫である犬蛔虫Toxocara canis及び旋毛虫Trichinella spiralisの分泌排泄抗原(ES抗原)中に含まれるセリンプロテイナーゼのTh2細胞分化に及ぼす影響について検討を加えた。犬蛔虫及び旋毛虫のES抗原中に含まれるazocaseinを基質としたプロテイナーゼ活性はPMSFにより60-70%阻害された。非処理ES抗原、及びPMSFまたは熱処理により不活化したES抗原で免疫したBALB/cマウスの脾細胞をES抗原とともに培養し上清中のIL-4,IL-5,IFN-γをELISAで測定した。各群の間で有為な差は認められなかったものの、非処理抗原で免疫した方が、PMSFまたは熱処理抗原免疫群よりIL-4/IFN-γの比が高い傾向が見られた。また、抗原特異的IgG1及びIgE産生も非処理抗原免疫群で高い傾向にあった。これらの結果より寄生線虫の分泌するセリンプロテアーゼにより宿主の免疫系がTh2タイプにシフトする可能性が示唆された。現在寄生虫由来セリンプロテアーゼがどのようなメカニズムでTh2細胞分化を誘導するか、RT-PCR法を用いて分子免疫学的に検討中である。

これらの結果は、これまでに明らかにしたMesocestoides cortiメタロプロテアーゼを用いた実験とほぼ同様の結果であり、寄生蠕虫の分泌するプロテアーゼにより宿主の免疫系がTh2タイプにシフトする可能性が示唆された。
酸化コレステロールが増悪させる脂肪性肝炎・インスリン抵抗性の機序解明

【目的】これまでの研究で、サルにおいては酸化コレステロールが通常のコレステロールに比べ、脂肪肝炎を悪化させることが考えられたが、その機序については詳細な検討が行われてこなかった。当研究ではその一端として、食事由来の酸化コレステロールが特異的に引き起こす小腸上皮細胞や肝細胞における反応を通常の(コントロール)コレステロールと比較することで、脂肪肝炎を悪化させる機序の解明を目的とする。【研究方法】マウス(C57BL/6J雄、7週令)にHigh Fat Dietを給餌、コントロールコレステロールと酸化コレステロールを2.4mg/dayミセルにして隔日強制経口投与した。4週間後、採血、臓器を採取した。肝臓は脂質を抽出し、また血液も血清を分離後、TC, TGを測定した。肝臓は凍結切片を作成し、Oil red O染色にて脂肪滴を観察した。肝培養細胞(Huh7)および腸管上皮培養細胞(Caco2)はミセルにしたコントロールコレステロール、酸化コレステロールで各400ug/mL2時間刺激をし、炎症性因子関連遺伝子、脂質代謝関連遺伝子などの発現を比較した。【研究成果】両群のマウスでは体重、肝重量には有意差は見られなかった。また両群共に肝臓に多くの脂肪滴がみられ、組織学的に脂肪肝が形成されていた。肝臓の脂質量ではTCが両群に差が見られなかったのに対し、TGは酸化コレステロール群が有意に上昇していた(約1.85倍対コントロール、P=0.0159)。一方血清中のTC、TGの量には共に差が見られなかった。今回、コントロールコレステロール、酸化コレステロール両ミセル2時間処理では、Caco2におけるコレステロール吸収に関与する遺伝子発現に有意な変化はみられなかった。また、Huh7における脂質代謝系遺伝子にもコレステロールの違いによる差をみることはできなかった。【結論と展望】今回マウスにおいて、食餌性のコレステロールが酸化した物であると、肝臓により脂肪を蓄積しやすいということが確認できた。この時、血中のTCやTGには量的変化はみられなかった。しかし、血中の脂質には質的変化がある可能性が残されており、今後詳しく調べていく必要がある。また、今後は脂肪肝炎の炎症の症状が酸化コレステロールにより悪化するのかさらに確認したい。培養細胞による機序解明においても、短時間の単回刺激によっては、吸収や代謝に目立った変化は確認できなかったため、さらなる精査が必要となる。
細胞内小胞による生殖細胞決定因子の局在化制御の分子機構の解明

多くの動物において、生殖細胞の形成・分化は、生殖質とよばれる特殊な細胞質領域によって制御される。生殖質は、様々な母性RNAやタンパク質が局在化することにより形成される。私たちは、ショウジョウバエをモデル系として生殖質の形成機構を明らかにすることを目指している。私たちは以前に、ショウジョウバエ卵母細胞でのエンドサイトーシスが微小管の配向性、およびアクチンの再編成の制御を介して、生殖質形成に必須の役割を担っていることを明らかにした。これに端を発した研究を展開させることにより、前年度までに、卵黄タンパク受容体のエンドサイトーシスが細胞骨格制御を介した極性形成・生殖質形成に極めて重要であることを見い出している。これは、卵黄タンパクの取り込みには、「細胞極性と生殖質形成の制御」という新たな役割を持つことを初めて示すものである。平成30年度は、前年度に引き続いて、生殖質形成と極性形成における卵黄タンパク受容体の役割とエンドサイトーシス制御機構を明らかにするための解析を行った。その結果、リガンド非依存的な卵黄タンパク受容体のエンドサイトーシス制御の重要性を明らかにした。また、卵黄タンパク受容体のエンドサイトーシスを促進する細胞内ドメインを特定し、そのドメインに結合する因子の同定を進めている。さらに、神経細胞におけるエンドサイトーシスを介した極性制御機構への展開を進めており、卵黄タンパク受容体と同じファミリーに属する複数の受容体の極性制御への関与を示唆する結果が得られた。現在、それらの機能とエンドサイトーシスの制御機構を明らかにするための解析を進めている。私たちは以前、『long Oskarタンパク質によるエンドサイトーシス活性化の結果生じる細胞内小胞が土台となって、アクチン細胞骨格の再編成が促進されることが生殖質形成に必須である』、という生殖質形成における新しいモデルを提唱した。しかし、細胞内小胞の特性や動態制御は未だ不明である。本研究では、遺伝学的・生化学的解析から生殖質形成への関与が見い出された、卵黄タンパク質受容体Yolkless (Yl)とエンドソームの細胞膜への係留・融合を制御するexocyst複合体に焦点を当て、細胞内小胞を介した細胞極性と生殖質形成の制御機構の全容解明を目指した。Yl受容体は、long Oskarタンパク質と相互作用する因子として同定した。Ylは、3つの卵黄タンパク質(Yp1-3)とビテロジェニン様タンパク質Apolipophorin (Apolpp)をリガンドとする。平成28年度は、これらリガンドの発現レベルを最小限とした変異体(yp-/- apolpp-/+)を作製して解析を行った。その結果、yp-/- apolpp-/+変異体では、yl変異体の場合と同様に、卵母細胞の極性形成、long Oskarを介したアクチン再編成、ならびに生殖質の係留に異常が認められた。これらの結果から、リガンド依存的なYlのエンドサイトーシスは、細胞極性と生殖質の形成に必須であることが強く示唆された。また、細胞内小胞による極性制御機構の普遍性・特異性を明らかにするために、神経細胞を用いて解析した。その結果、Ylと同じくLRPファミリーに属する複数の受容体がda神経の樹状突起形成に関与することを見い出した。平成29年度はYolkless受容体のリガンドの発現レベルを最小限とした変異体を作製して解析を行い、細胞極性と生殖質形成におけるリガンド依存的なYolklessのエンドサイトーシス制御の重要性を明らかとした。この結果は、Yolkless陽性の細胞内小胞こそが細胞極性と生殖質形成を制御する細胞内小胞の実体であるという私たちの提唱したモデルを支持するものであり、本研究の大目標である『細胞極性と生殖質形成を制御する細胞内小胞の特性や動態制御の全貌解明』に向けて大きく前進した。また、神経細胞を用いた解析を行い、神経細胞の樹状突起の形成に関与するLRPファミリータンパクを複数明らかにしており、細胞内小胞による極性制御機構の普遍性・特異性の明確化に向けた進捗も見られた。私たちは以前に、エンドサイトーシスが微小管の配向性、およびアクチンの再編成の制御を介して、ショウジョウバエの生殖質の形成に必須の役割を担っていることを明らかにした。これに端を発した研究を展開させることにより、平成29年度までに、卵黄タンパク受容体のエンドサイトーシスが細胞骨格制御を介した極性形成・生殖質形成に極めて重要であることを見い出した。これは、卵黄タンパクの取り込みには、「胚発生に必要な栄養素の蓄積」という従来から知られている役割に加えて、「細胞極性と生殖質形成の制御」という新たな役割を持つことを初めて示すものである。平成29年度は、細胞極性と生殖質形成の制御における卵黄タンパク受容体(Yolkless)のエンドサイトーシスの役割の詳細について、ショウジョウバエを用いた遺伝学的手法や分子生物学・細胞生物学の手法を駆使して解析を進めた。

また、卵黄タンパク受容体のエンドサイトーシスによって生じる細胞内小胞(エンドソーム)の動態解析を進めるとともに、細胞内小胞による極性制御機構の普遍性・特異性を明確にするために、神経細胞を用いた解析も進めた。細胞極性と生殖質形成の制御における卵黄タンパク受容体(Yolkless)のエンドサイトーシスの役割の詳細について解析を進め、その成果を国際会議、ならびに国内学会にて発表を行った。その一方で、卵黄タンパク受容体のエンドサイトーシスによって生じる細胞内小胞(エンドソーム)の動態解析、および細胞内小胞による極性制御機構の普遍性・特異性を明確にするための神経細胞を用いた解析の進行が予定よりもやや遅れ気味である。多くの動物において、生殖細胞の形成・分化は、生殖質とよばれる特殊な細胞質領域によって制御される。生殖質は、様々な母性RNAやタンパク質が局在化することにより形成される。私たちは、ショウジョウバエをモデル系として生殖質の形成機構を明らかにすることを目指している。私たちは以前に、ショウジョウバエ卵母細胞でのエンドサイトーシスが微小管の配向性、およびアクチンの再編成の制御を介して、生殖質形成に必須の役割を担っていることを明らかにした。これに端を発した研究を展開させることにより、前年度までに、卵黄タンパク受容体のエンドサイトーシスが細胞骨格制御を介した極性形成・生殖質形成に極めて重要であることを見い出している。これは、卵黄タンパクの取り込みには、「細胞極性と生殖質形成の制御」という新たな役割を持つことを初めて示すものである。平成30年度は、前年度に引き続いて、生殖質形成と極性形成における卵黄タンパク受容体の役割とエンドサイトーシス制御機構を明らかにするための解析を行った。その結果、リガンド非依存的な卵黄タンパク受容体のエンドサイトーシス制御の重要性を明らかにした。また、卵黄タンパク受容体のエンドサイトーシスを促進する細胞内ドメインを特定し、そのドメインに結合する因子の同定を進めている。さらに、神経細胞におけるエンドサイトーシスを介した極性制御機構への展開を進めており、卵黄タンパク受容体と同じファミリーに属する複数の受容体の極性制御への関与を示唆する結果が得られた。現在、それらの機能とエンドサイトーシスの制御機構を明らかにするための解析を進めている。また、神経細胞の樹状突起形成への関与が明らかとなったLRPファミリーについて、神経細胞における機能、およびlong Oskarとの相互作用を詳細に解析することで、細胞内小胞による極性制御機構の普遍性・特異性を明確化する。平成30年度は、細胞極性と生殖質形成の制御という卵黄タンパクの取り込みの新規かつ重要な役割に関して得られた成果を国際学術誌に公表する。また、卵黄タンパク受容体のエンドサイトーシスによって生じる細胞内小胞(エンドソーム)の動態解析、および細胞内小胞による極性制御機構の普遍性・特異性を明確にするための神経細胞を用いた解析を重点的に進める。
高速運動型再活動地すべりのメカニズムに関する研究

新潟県旧山古志村尼谷地地区は,三紀層地すべりが多く見られる地域であり,地すべり防止区域に指定されていた。2004年10月の中越地震時に,この地区で地すべりが発生した。ボーリング調査によりすべり面は泥岩内に存在することが確認された。しかし,一般的に泥岩内にすべり面を持つ地すべりは急速に移動しないと考えられてきたため,尼谷地地すべりが急速に移動したことは従来の常識に反した現象であった。地すべりが急速に移動するのは,何らかの原因によりすべり面のせん断抵抗が低下するためである。これまでに室内試験においてせん断速度増加に伴いせん断抵抗が低下する現象(負の速度効果)が知られていた。しかし,そのメカニズムは未解明であり,フィールドの現象と関連も明確ではなかった。そこで,尼谷地地すべりにおいて負の速度効果を検証し,そのメカニズム解明を目的とした研究を実施した。尼谷地地すべり地から採取した試料に対して垂直応力100400kPa,せん断速度0.01mm/s100mm/sにて部分排水リングせん断試験を実施した。試験結果より,高速せん断時に定常状態に至るまでの間隙比低下が抑制されることを見出した。高速せん断時には低速せん断時よりもせん断ゾーンが疎になりやすい。せん断速度は,せん断中の間隙比変化に影響を与える。応力比と定常状態の間隙比には両者に相関は見られない。しかし,定常状態の間隙比とせん断抵抗には相関が見られた。間隙比が低い時(せん断ゾーンが密)ではせん断抵抗が高い。この関係はピーク強度と初期間隙比に見られる関係と等しい。ピーク強度がダイレイタンシーに依存するように,定常状態に発揮されるせん断抵抗も土粒子間に働く相互作用に依存する。高速せん断時には土粒子が反発しあうため,せん断ゾーン内が疎となりやすく,相互作用(=せん断抵抗)が低くなりやすい。これは,従来実施されていた低速せん断試験では土粒子の運動がほぼ無視できていたために見逃されていた知見である。
有機色素J凝集体の共鳴三次非線形光学機能の超高速化

非線形光学機能は共鳴条件により数桁増大するが、励起状態生成に伴う遅い応答とレーザー光による材料の劣化が問題になる。本研究では、有機色素のシアニン色素、スクアリリウム色素、クロコニウム色素、ナフタロシアニン誘導体等、及びそれら色素のJ凝集体を含む薄膜で、高い三次非線形光学機能と超高速応答を同時に得られることを実証した。非線形光学機能の評価には、フェムト秒縮退四光波混合法を用いた。まず、色素モノマーで共鳴分子超分極率γの大きさを測定し、10^<-30>-2×10^<28> esuの値を得た。この値は、分布格子など遅い応答を除いた瞬時の電子応答のみの値である。次に、これら色素及び凝集体を含むポリマー薄膜、ゾルゲルシリカ薄膜、あるいはneat薄膜の三次非線形感受率x^<(3)>の電子応答成分の値を測定した。1.シアニン色素のJ凝集体含有ポリビニルアルコール被覆膜の三次非線形光学応答シアニン色素NK-3261含有ポリビニルアルコール被覆膜は成膜直後にはモノマーのみを含むが、40°C前後かつ高湿度の条件で2,3日処理することにより、モノマーはほとんどJ凝集体に変わる。このJ凝集体含有ポリビニルアルコール被覆膜の三次非線形光学機能を共鳴条件下フェムト秒縮退四光波混合法で評価したところ、三次非線形光学応答は瞬時の電子応答が大きな寄与を示した。しかし、数ピコ秒の時定数の遅い応答が裾を引くことがわかった。三次非線形光学応答は色素濃度5wt%-20wt%において全く変化が見られなかった。また、秒縮退四光波混合法で、最初に照射するビーム1とビーム2の偏光を直交させても三次非線形光学応答は変わらず、J凝集体の横緩和は縦緩和と同じ速度であることがわかった。つまり、J凝集体間には高濃度であっても相互作用が全くないことになる。尚、三次非線形感受率の値は、色素濃度にほぼ比例し、色素濃度5wt%-20wt%においてJ凝集体の構造には変化が見られないことがわかった。2.ポルフィリン誘導体含有ゾルゲル被覆膜の三次非線形光学応答水溶性のポルフィリン誘導体であるTMPyP及びTPPSを含有した被覆膜を作製し、可視紫外吸収スペクトルを測定したところ、モノマーとJ凝集体を含有することがわかった。J凝集体の波長にレーザーの波長を合わせることはできなかったが、モノマーの共鳴フェムト秒縮退四光波混合信号の高速応答は、J凝集体の存在により大幅に改善されることがわかった。非線形光学機能の評価には、フェムト秒縮体四光波混合法を用いた。まず、色素モノマーで共鳴分子超分極率γの大きさを測定し、10^<-30>-2×10^<-28>esuの値を得た。
動脈硬化巣を認識するモノクロナル抗体を用いた動脈硬化形成機構の解析

昨年、動脈硬化病巣表層部を認識するASHla/256C抗体の抗原物質が、不飽和脂肪酸を含有するホスファチジルコリン(PC)であることを明らかにしたが、本年度は、(1)抗原物質としてのPCの構造活性相関、(2)PCの抗原性を増強する物質の探索、(3)動脈硬化巣に存在する抗原性を増加させる物質の分離、特にこの3点について研究した。その結果、(1)種々のPCの中では、1-stearoyl-2-linoleoyl PCが、最もASHla/256C抗体と反応性が高く、dilinoleoyl PCがこれに次いだ。オレイン酸やアラキドン酸を含むPCも反応したが、反応性はそれほど高くなく、不飽和結合の数と反応性には相関がなかった。不飽和結合はPCの立体構造への寄与していると考えられた。(2)動脈硬化巣内膜肥厚部には多量の中性脂質が蓄積しており、本抗体は内膜肥厚部の細胞間マトリックスを染色する。そこで、本抗体と全く反応しないtriglyceride (TG), cholesterol ester (CE)を一定量PCと共存させて、抗体の反応性を調べたところ、PC: TG or CE=1:22:1の範囲で、PCの抗原活性が810倍に増加した。中性脂質が抗原活性を増強すことを確認した。(3)動脈硬化巣の内膜肥厚部から脂質を抽出して、Hexane, 2-Propanol, waterの溶媒でシリカゲルカラムを用いて抗原を分離すると、抗原であるPCは水11.2%付近に溶出するが、それ以外の画分は本抗体とは反応しない。この「それ以外の画分」とPCとを共存させて、本抗体の反応性をみると、水2.2%付近に溶出するピークと、水7.8%付近に溶出してくる画分が、PCの抗原活性を増強する性質を持つことを確認した。前者のピークを分析すると、大部分は、TG, CEであった。このPC抗原複合体は、動脈硬化巣で泡沫化したマクロファージの崩壊してできる脂質粒のモデルとも考えられるので、次年度は、実際に抗原物質複合体を分離して、その成分と動脈硬化との関連について検討したい。
皮膚におけるTNF-α変換酵素の機能解析

TNFαconverting enzyme(TACE)のsiRNAをもちいてケラチノサイトで各種の実験を行った。TACEのsiRNAによりTACE mRNAの発現はreal time PCRにより検討したところ、80%ほど抑制された。TACE阻害剤を用いた実験では、阻害剤はケラチノサイトの遊走阻止効果やサイトカイン刺激によるケラチノサイトからのケモカイン産生を調節している結果が得られていたがsiRNAでは同様の効果は見られなかった。数種類のsiRNAで効果を検討したが、結果は同じであった。TACE阻害剤を用いてメラノーマcell lineに対して細胞死を誘導するか検討した。メラノーマcell lineをTACE阻害剤で処理した後、TNF-αで刺激し、24から48hr後の細胞数を計測した。TACE阻害剤とTNF-αは、今回検討したcell lineに対しては影響は見られなかった。今後TNF-α以外のligandで検討する予定である。また、SCCおよびmelanomaのcell lineや、手術で切除してきた組織を用いてTACEの発現や活性を測定するために標本を集積中である。TACEの基質の多くはADAM10の基質にもなりうるため、ADAM10およびEGFRなどを併せて検討を加える予定である。TACEcDNAをGFPを含んだベクターに挿入しケラチノサイトに遺伝子導入した。今後各種の刺激によるTACEの細胞内局在の変化を検討する予定であるTNFαconverting enzyme(TACE)のsiRNAをもちいてケラチノサイトで各種の実験を行った。今後各種の刺激によるTACEの細胞内局在の変化を検討する予定である
グローバルジャイロ運動論的ブラゾフコードによる駆動乱流の研究

本研究では、粒子衝突効果や熱源を伴う新しいグローバルジャイロ運動諭的ブラゾフコードを開発した。これにより外部加熱や核融合反応による熱源で駆動される開放系トーラスプラズマにおけるイオン系乱流およびプラズマ分布形成の長時間発展をシミュレーションすることに初めて成功し、実験的に観測されている温度分有の硬直性、間欠的輸送現象、および、自発的プラズマ回転等に関して乱流輸送特性を明らかにした。本研究では実験に近い開放系のトーラスプラズマの第一原理シミュレーションを目的としたグローバルジャイロ運動論的トロイダルブラゾフコードの開発を行い、これにより定常輸送や輸送遷移といった長時間の乱流シミュレーションが必要な問題を研究する。今年度はこれに必要とされる新たな数値スキームを開発し、従来の粒子コードとの比較からその数値的・物理的検証を行った。さらに、コードのトーラス配位への拡張を行いコードの並列化・最適化を行った。成果の概要は以下の通り。1、長時間乱流シミュレーションに耐えうる高精度かつロバーストな無散逸・保存型の数値流体スキームを開発しスラブ配位のジャイロ運動論的ブラゾフコードG5Dに実装した。従来の粒子コードとの詳細なベンチマークにより、コードの数値的特性および物理的妥当性を検証し、従来の粒子コードに比べて飛躍的に高精度な乱流シミュレーションが可能であることを示した。2、トーラス配位への拡張を行うために、適切な座標系を検討し、上記数値流体スキームをトーラス配位に拡張した。数値流体スキーム以外にもフィールドソルバー等に関してもトーラス配位への拡張を行い、それらをジャイロ運動論的トロイダルブラゾフコードGT5Dに実装した。3、トーラス配位において標準的なベンチマークとなっている帯状流の線形減衰テストを行い、トロイダル粒子コードとの比較に着手した。詳細な検証を継続中である。4、ジャイロ運動論的トロイダルブラゾフコードGT5Dに高度な並列化を行い、1000CPU程度までの処理性能の向上を確認した。これらの成果をVlasovia2006国際会議で発表した。本研究では実験に近い開放系のトーラスプラズマの第一原理シミュレーションを目的としたグローバルジャイロ運動論的トロイダルプラゾフコードの開発を行い、これにより定常輸送や輸送遷移といった長時間の乱流シミュレーションが必要な問題を研究する。今年度は保存型ジャイロ運動論的トロイダルブラゾフコードGT5Dを完成させた。イオン温度勾配駆動(ITG)乱流の完全トーラス配位シミュレーションにおいてGT5Dと従来の粒子コードの定量的ベンチマークに成功し、コードの物理的妥当性を検証した。1.昨年度に開発したスラブ配位のジャイロ運動論的ブラゾフコードG5Dのトーラス配位への拡張を完了しGT5Dを完成させた。2.従来の粒子コードとITG乱流シミュレーションにおける数々の線形および非線形のベンチマークテストを行い、定量的に一致する計算結果を確認した。また、長時間乱流シミュレーションにおいてGT5Dの極めて高い計算精度と数値的安定性を示した。3.上記ベンチマークテストにおいて、全く異なる計算手法のトロイダルジャイロ運動論的シミュレーションを用いて、世界で初めてITG乱流の大域解を同定することに成功した。以上の成果を欧州物理学会プラズマ物理会議等で発表した。本研究では実験に近い開放系のトーラスプラズマの第一原理シミュレーションの開発を行い、定常輸送や輸送遷移といった長時間の乱流シミュレーションが必要な問題を研究する。今年度は保存型ジャイロ運動論的トロイダルブラゾフコードGT5Dにおいて粒子衝突効果と熱・粒子源モデルの実装を行い、乱流相関時間の約千倍という長時間スケールのイオン温度勾配駆動(ITG)乱流シミュレーションを実現した。1.粒子衝突効果を線形フォッカープランク衝突演算子により実装し、軸対称計算のベンチマークにおいて新古典理論を再現することに成功した。2.長時間ITG乱流シミュレーションにおいてイオン温度分布を第一原理計算によって決定することに成功し、準定常状態のイオン温度分布が大域的に勾配特性長が一定となる指数関数分布を示し、また、この勾配特性長が径電場によって決まる非線形臨界温度勾配により拘束される分布の硬直性を示すことを発見した。3.乱流輸送の熱流束は間欠的な時間発展特性を示し、そのパワースペクトルは1/fのべき乗則を示すことから、ITG乱流の輸送現象が自己組織化臨界現象の特徴を示すことを発見した。指数関数分布を示すイオン温度分布の硬直性、および、1/fスペクトルを示す熱輸送特性は実験的にも観測されている現象であり、これらの結果からGT5Dコードの定性的なValidationに成功した。以上の成果を第22回IAEA核融合エネルギー会議(口頭講演)等で発表した。
三重鎖DNA結合転写因子MAZとp300/CBPによる血球分化制御

GM-CFUからマクロファージへの分化決定因子であるMAZ(c-myc associated zinc finger protein)を中心に、その(1)ゲノム構造の解析(2)MAZプロモーターの解析(3)Sp1とMAZによるMAZ転写制御(4)MAZのリン酸化とDNA結合能(5)ラットES細胞を用いた血球分化について解析した。ヒトMAZ遺伝子はヒト染色体16p11.2に位置し、GC含量に富み、TATAボックスを有しない典型的なハウスキーピング遺伝子である。本遺伝子の定常的遺伝子発現制御エレメントを同定し、DNA結合能を解析した。Sp1結合配列及びMAZ結合配列に含む-383/-248は正の制御エレメントである。MAZプロモーターはGC含量が7182%と極めて高く、5つのエクソンと4つのイントロンと1つの3'-非翻訳領域を含む。更にSp1及びMAZによって独立に負に制御され、この負の制御はMAZがヒストンデアセチラーゼ(HDAC)依存的であるのに対し、Sp1はHDAC非依存的である。さらに興味深いことにp300によって両者ともに負に転写が相乗的に抑制されることを見いだし、この生理的意義について現在解析中である。また、MAZによるc-mycの発現制御エレメントをin vivoで定量的に明らかにし、単鎖DNAにはピリミジンリッチ鎖が、二重鎖、三重鎖には、両鎖がともに強いDNA結合性を有していることを確認した。MAZはカゼインキナーゼ、チロジンキナーゼ、プロテインキナーゼCによるリン酸化をうける。特にC末端480位のセリン残基のカゼインキナーゼIIによるリン酸化はDNA結合及び転写活性化に大切である。更にラットのES細胞の鈍化及び血球分化の試験管内分化の培養、基礎条件の設定を行っている。
局在光を用いたナノポア近傍におけるＤＮＡの動的立体構造解析法の開発

本年度は、まず、DNA捕捉過の蛍光観察を行い、理論計算と実験結果から、ポーラスシリコン薄膜上に無数に存在するナノポア周囲の静電場分布特性と流動特性がDNAコイルを解す過程を妨げることが示唆された。この研究成果はDNA捕捉過程観察の研究成果は国際論文誌Nano Futuresに受理され、掲載予定である。また、孔径200 nmの単一ナノポアを用いた光学的DNA通過観察から、DNAの単一ナノポア通過現象の電圧・長い依存性について測定できることが明らかとなった。最後に、孔径10 nm以下の単一ナノポアにおけるDNAナノポア通過ダイナミクスの観察を行うために、米国ノースイースタン大学のMeni Wanunu准教授の研究室に訪問した。まず、透過型電子顕微鏡をゼロモード導波路の基盤として使用される窒化シリコン薄膜上に集束させ、孔径2 nmまでのナノポアを作製することに成功した。次に、DNAを加え、蛍光観察を行ったところ、DNAナノポア通過由来の蛍光発光を得ることができなかった。この原因の検証を行うと、温度上昇が発生するために、tRNA構造変化が生じることがわかった。この結果から、励起光を窒化シリコン薄膜上に集光すると、温度変化に由来する高分子の高次構造ダイナミクスが観察できることを実証することができた。また、Wanunu研究室の博士課程Pradeep氏と共同研究を行い、単一タンパク質の表面電荷を見積もることに成功した。。今度の展望として、励起光の吸収がない酸化シリコンを基盤とするゼロモード導波路を用いることでイオン電流測定と蛍光観察の同時測定が可能となる。また、緑レーザーを励起源として、窒化シリコンを局所加熱することで、ナノポア近傍におけるDNAダイナミクスの温度依存性に関する研究することができる。28年度が最終年度であるため、記入しない。本年度は、ナノポア近傍におけるDNA動的立体構造の理解に向けて、DNA動的立体構造観察法の構築を行った。まず、電磁場解析、ドリフト・拡散方程式、DNAサイズ(回転半径)の方程式から、それぞれ局在光の大きさ、ナノポア通過後のDNA空間移動、ナノポア通過直後のDNAサイズを見積もり、実験結果との比較を行った。その結果、蛍光強度波形の立ち上がり・減衰は、それぞれナノポア通過過程・通過後過程に対応すると結論付けることができた。この知見をもとに、実験条件に依存した蛍光強度波形からナノポア近傍におけるDNA動的立体構造について議論した。本年度は、励起光の偏光依存性、DNA長依存性、膜特性依存性に着目して実験を行った。励起光の偏光依存性に関する実験結果から、バルク溶媒中の二本鎖DNAサイズの方程式から概算されるように、電場勾配環境下においても、長さ10 kbpの二本鎖DNAサイズは、局在光の大きさと比べて大きいことがわかった。また、DNA長依存性では、DNA長が長いほど局在光に滞在する時間の長い蛍光強度波形が得られた。静電駆動力の理論計算から、この実験結果は、DNA長が長いほど、ナノポア通過後の遅いDNA電気泳動速度を示すことがわかった。膜特性依存性では、空孔率が高い膜ほど、時間幅の長い蛍光強度波形が得られた。DNAナノポア通過の理論から考えると、この結果は、高い空孔率によるナノポア内部の静電場強度の減少に加えて、周囲のナノポアからDNAが受ける複雑な電気的駆動力や流体力学的相互作用によるDNAナノポア通過速度の低下として説明できた。局在光の大きさ、ナノポア通過後のDNA空間移動、ナノポア通過直後のDNAサイズを見積もりから、蛍光強度波形をナノポア通過過程からナノポア通過後過程におけるDNA挙動として説明できた。これにより、従来のイオン電流型検出では得られないナノポア通過後過程のDNA動的立体構造について議論できるようになった。とりわけ、ナノポア通過後過程の電気泳動移動速度のDNA長依存性やナノポア通過速度の膜特性依存性について示すことができた。。

今度の展望として、励起光の吸収がない酸化シリコンを基盤とするゼロモード導波路を用いることでイオン電流測定と蛍光観察の同時測定が可能となる。また、緑レーザーを励起源として、窒化シリコンを局所加熱することで、ナノポア近傍におけるDNAダイナミクスの温度依存性に関する研究することができる。詳細なナノポア近傍におけるDNA動的立体構造解析を行うために、次年度の研究では、単一ナノポアを用いてDNAナノポア通過現象の観察を行う予定である。また、ナノポア通過過程と通過後過程に関して詳細な議論が見込めることから、イオン電流測定を本研究法への導入の検討が必要である。28年度が最終年度であるため、記入しない。
電子スピン制御による半導体レーザの閾値低減に関する研究

電気的スピン注入によって面発光半導体レーザを駆動することによって、円偏光でのレーザ発振やスピン偏極による発振しきい値の低減などのスピン偏極の効果を実験的に実証することを目指した。電気的スピン注入用電極として、GaAs(110)上のFe層やFePt層のMBE成長を行い、その構造と磁化特性の評価を進めた。作製した電極を用いて、GaAs/AlGaAs(110)量子井戸への低温でのスピン注入に成功した。しかしながら、発光の円偏光度は約5%と低く、GaAs(110)量子井戸が有する長い電子スピン緩和時間から期待される高い円偏光度は観測されなかった。(110)GaAs量子井戸への電気的スピン注入を行うために、まず、GaAs(110)基板上にFe薄膜結晶をエピタキシャル成長する技術について検討を行った。半導体と磁性金属の結晶成長には異なるMBE装置を用いており、MBE装置間を移送する際の表面汚染、酸化を防ぐため、試料表面にAsパッシベーション保護膜を形成する技術を確立した。磁性金属用MBE内での熱処理によってAs保護膜を除去し、Fe膜のエピタキシャル成長を行った。成長中の反射高速電子線回折(RHEED)観察を通して、基板温度が室温付近である場合、Fe膜の成長は、まず島状に成長し、その後平坦化していくVollmer-Weber型め成長モードとなることが分かった。成長したFe膜について、X線回折測定、及び試料振動型磁力計(VSM)測定を用いた評価を行い(1)Fe膜が単結晶であること(2)Fe膜の結晶方位が、GaAs(110)上に対して面直方向、面内方向ともに整合していること(3)Fe膜の磁化容易軸は膜面内の[001]であること、が分かった。次に、このFe膜成長技術を用いて、(110)GaAs量子井戸を発光層とするスピン発光ダイオード(LED)を作製について検討を行い、デバイスプロセス技術を確立した。スピンLEDでは、トンネルバリアとしてFe/n-AlGaAsショットキー接合を利用した。外部面直方向磁場下の電流注入発光における円偏光度を測定したところ、測定温度4Kにおいて、外部磁場が23T付近で円偏光度の飽和が確認され、電気的スピン注入に成功した。観測された円偏光度は約5%と低い値であり、Fe/AlGaAs界面の欠陥の影響によって注入効率が低下したと考えられる。平成25年度の研究実績について項目別に述べる。前年度得られた結果から、FePt/GaAs(110)ヘテロ接合において垂直残留磁化成分を得るためには比較的高温でFePt層を形成する必要があることが分かったため、今年度は絶縁層としてMgO層を挿入した構造の作製に取り組んだ。GaAs(110)基板上にGaAsエピタキシャル膜を成長した上でAsパッシベーションを行い、金属MBEチャンバーにてMgO層とFePt層の成長を行った。本年度導入した真空プローバを用いて、作製したヘテロ構造のトンネル電流特性の温度依存性を評価したが、MgO層の結晶性が低いためにリーク電流が支配的となり、トンネル電流を用いたスピン注入が達成できなかった。MgO層の成長条件や膜厚を系統的に変化させた実験を行ったが、FePt/MgO/GaAs(100)上で報告されているスピン注入をGaAs(110)上の同様なヘテロ構造において実現することに至らなかった。光通信帯におけるスピン光素子の実現を目指し、昨年度に作製したInP(110)基板上のInGaAs/InAlAs多重量子井戸における電子スピン緩和時間を評価した。評価には、ポンププローブ法を用いた。得られた電子スピン緩和時間は、室温で約1ns、100Kにおいて1.7 nsであり、GaAs基板上のAlGaAs混晶系で観測されている(110)方位特有のDPスピン緩和抑制効果が得られなかった。これはナローギャップ系ではEY緩和が支配的であることを示唆しているが、今後の実験的、理論的検討が必要であると考えている。平成24年度の研究概要について項目別に述べる。(1) GaAs(110)基板上FePtの成長:(110)GaAs量子井戸への電気的スピン注入を行うために、昨年度はFe/GaAsショットキー接合の形成とこれを用いたスピン注入について実験を進めたが、今年度は無外部磁場下でのスピン注入を目指して垂直磁化特性が報告されているFePtについて研究を行った。GaAs(110)基板上にFe層とPt層を交互にMBE成長し、その磁化特性を調べた。比較的高温の230°CでFePtを成長した場合に、ゼロ外部磁場での残留垂直磁化成分が観測された。