hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
メゾスケール材料組織制御と現象解明に向けた定量的シミュレーション手法の開発

本研究は,フェーズフィールド(PF)法によるメゾスケール粒成長計算を軸に,分子動力学(MD)法による原子計算,GPU汎目的計算技術を併用することで,定量的材料組織予測の実現と冶金学的諸現象の解明を目指すものである.本年度は,「粒界物性の異方性を考慮した各種PFモデルの精度評価」,「PF法とMD法のデータ同化による粒界物性評価法の構築」を主として行った.また,並行して,前年度までに開発してきた複数GPU並列PF計算コードに改良を加え,薄膜中の粒成長や,結晶方位差依存の異方性粒界物性を考慮した粒成長の大規模シミュレーションを可能とした.PFモデルの精度評価に関する研究では,既存の四種のPF粒成長モデルすべてについて計算コードを作成し,粒界ごとのエネルギーや易動度を系統的に変化させた粒界移動計算を行うことで,不均一(異方的)粒界物性の下での各モデルの計算精度を詳細に評価・比較した.その結果,収束計算アルゴリズムを導入したSteinbachとPezzolla(1999)のモデルが,異方性物性を伴う粒成長を最も精度良く,かつ比較的低い計算コストで取り扱えることを明らかとした.粒界物性評価に関する研究では,まず,PF計算コードにアンサンブルカルマンフィルタによるデータ同化(数値モデルに含まれるパラメータを観測データに基づき推定する手法)を実装し,粒成長計算の入力パラメータである粒界エネルギー・易動度の同定を可能とした.また,双子実験と呼ばれる数値テストにより,作成したコードの妥当性を確認した.さらに,前年度に構築したMD-PFブリッジング手法を用いてMD粒成長計算結果をPFモデルの連続体構造に変換し,これを観測データとしてPF計算を通したデータ同化を行うことで,数種の粒界に対して実際に粒界物性を取得した.本研究の最大目標である大規模・高精度PF粒成長シミュレーションに向けて,最適なPFモデルの選定,GPU並列PF計算コードへの異方性粒界物性の導入,粒界物性データベース構築の技術的基礎の確立と,最終年度である次年度を前に十全な準備を完了することができた.また,得られた成果の対外発表も計画的に行い,国内外の学会発表7件(うち受賞3件),国際誌での論文掲載5編(筆頭3編)など,高い評価を得た.以上の点から,研究の進展状況はおおむね順調であると判断した.本年度に構築したMD-PFデータ同化法による粒界物性取得結果に対して,数値的信頼性の評価や文献値との比較により詳細な妥当性検証を行う.妥当性が確認でき次第,GPUスパコンTSUBAME3.0上で系統的なデータ同化計算を実施し,結晶方位差に依存した粒界物性のデータベースを作成する.その後,物性データベースをGPU並列PF計算コードに導入し,数百万の結晶粒による大規模粒成長シミュレーションを行うことで,材料物性と材料組織との関係性解明および最適組織制御に向けたデータ蓄積を図る.最後に,構築してきたシミュレーション手法の有用性と以降の展望を検討し,本研究を学位論文および数編の学術論文において総括する.本研究は,フェーズフィールド(PF)法によるメゾスケール粒成長計算を軸に,分子動力学(MD)法による原子計算,GPU汎目的計算技術を併用することで,定量的材料組織予測の実現と冶金学的諸現象の解明を目指すものである.初年度である平成29年度は,等方性粒界物性の下での理想的粒成長現象の大規模PF解析を行うとともに,PF法とMD法とのブリッジング計算手法を開発した.理想粒成長に関する研究では,東京工業大のスパコンTSUBAME上で多数のGPUを並列化することで,三百万以上の結晶粒を対象とした超大規模PF計算を実施し,理想粒成長の統計的側面(粒径分布,粒形状分布など)を詳細に解析した.その結果,定常状態における理想粒成長の統計的ふるまいは,よく知られたHillert理論による予測から大きく乖離することが明らかとなった.また,Hillertの用いた仮定を排して理論を一般化することで,粒成長過程の高精度な記述を可能とした.さらに,理想粒成長における三次元組織と切断面上組織の関係を精査し,断面観察から三次元の組織情報を推定する立体解析法を構築した.PF-MDブリッジングの研究では,MD凝固計算より得られた原子配列情報をPF粒成長計算用の初期構造へと変換する手法を開発した.これにより,計算効率に優れるPF法,自発的核生成を表現可能なMD法の両者のメリットを相補的に活用する粒成長予測が可能となった.また,提案手法を用いてMD法とPF法とで同一初期構造からの粒成長計算を行い,結果を直接比較することでPF法の課題を検討した.その結果,両計算における粒成長挙動は後期段階において良好な一致を示す一方,初期のキネティクスには差異が認められた.今後,より詳細な比較を通じて差異の原因を抽出し,PFモデルにフィードバックすることで,粒成長の全期間にわたる定量的・高効率な予測が実現可能と考える.当初予定していた粒界物性値評価については,具体的な計算の実行には至らなかったものの,その技術的基礎となるMD-PFブリッジングを高精度に行える手法の開発に成功した.この成果は国際誌に論文として投稿中である.並列GPU計算による粒成長研究については滞りなく完了し,世界最大のPFシミュレーションを通じて理想粒成長現象の正確な定常挙動を初めて解明するなど,非常に有意義な成果を得た.

また,結果の理論的解釈や立体解析法の構築では当初の予想を超えた成功を収め,国内外の学会発表における複数の受賞,Nature系列誌への論文掲載[E. Miyoshi et al., NPJ Computational Materials, 3 (2017) 25]など,高く評価されている.以上の点から,研究全体としての進展状況はおおむね順調であると判断した.本研究は,フェーズフィールド(PF)法によるメゾスケール粒成長計算を軸に,分子動力学(MD)法による原子計算,GPU汎目的計算技術を併用することで,定量的材料組織予測の実現と冶金学的諸現象の解明を目指すものである.本年度は,「粒界物性の異方性を考慮した各種PFモデルの精度評価」,「PF法とMD法のデータ同化による粒界物性評価法の構築」を主として行った.また,並行して,前年度までに開発してきた複数GPU並列PF計算コードに改良を加え,薄膜中の粒成長や,結晶方位差依存の異方性粒界物性を考慮した粒成長の大規模シミュレーションを可能とした.PFモデルの精度評価に関する研究では,既存の四種のPF粒成長モデルすべてについて計算コードを作成し,粒界ごとのエネルギーや易動度を系統的に変化させた粒界移動計算を行うことで,不均一(異方的)粒界物性の下での各モデルの計算精度を詳細に評価・比較した.その結果,収束計算アルゴリズムを導入したSteinbachとPezzolla(1999)のモデルが,異方性物性を伴う粒成長を最も精度良く,かつ比較的低い計算コストで取り扱えることを明らかとした.粒界物性評価に関する研究では,まず,PF計算コードにアンサンブルカルマンフィルタによるデータ同化(数値モデルに含まれるパラメータを観測データに基づき推定する手法)を実装し,粒成長計算の入力パラメータである粒界エネルギー・易動度の同定を可能とした.また,双子実験と呼ばれる数値テストにより,作成したコードの妥当性を確認した.さらに,前年度に構築したMD-PFブリッジング手法を用いてMD粒成長計算結果をPFモデルの連続体構造に変換し,これを観測データとしてPF計算を通したデータ同化を行うことで,数種の粒界に対して実際に粒界物性を取得した.本研究の最大目標である大規模・高精度PF粒成長シミュレーションに向けて,最適なPFモデルの選定,GPU並列PF計算コードへの異方性粒界物性の導入,粒界物性データベース構築の技術的基礎の確立と,最終年度である次年度を前に十全な準備を完了することができた.また,得られた成果の対外発表も計画的に行い,国内外の学会発表7件(うち受賞3件),国際誌での論文掲載5編(筆頭3編)など,高い評価を得た.以上の点から,研究の進展状況はおおむね順調であると判断した.本年度に構築したMD-PFブリッジング手法に基づき,粒界物性値データベースの構築を最優先課題として推し進める.具体的には,二結晶系の粒界移動計算をMD法とPF法とで同一条件の下に行い,データ同化によりPF計算用の粒界物性値(エネルギー・易動度)を同定する.この作業を,二結晶の方位関係を変化させてスパコンTSUBAME上で系統的に並列実行し,方位差と面方位に依存した異方性粒界物性を効率的にデータベース化する.また,並行してPFモデルの更なる高精度化にも取り組み,上記の粒界物性データベースを正確に反映したPF粒成長計算を可能とする.
正常老人剖検脳およびアルツハイマー型痴呆患者剖検脳における一酸化窒素合成酵素の分布に関する研究

神経細胞のシナプス前の長期増強が記憶の形成に重要に関与しているという知見があるが、最近その長期増強過程に一酸化窒素(NO)が逆行性の神経伝達物質として作用する可能性を示唆する所見が得られている。しかし現時点ではラット脳における一酸化窒素合成酵素(NOS)分布が報告されているのみで、ヒト脳におけるNOSの分布の報告は認められないため、NO並びにNOSの脳内での分布を明らかにすること、そして記憶と関連が深いとされるアセチルコリン(ACh)とNOSの共存の有無を調べること、さらには記憶の障害が最も重要な症状の一つであるとされているアルツハイマー型痴呆(ATD)患者剖検脳におけるNOSの分布を検索することを目的とした免疫組織化学的検討を計画した。そこでNOSに対する免疫組織化学的手法を用いてヒト剖検脳におけるNOSの局在性、AChとNOSの共存の可能性、そしてATD患者剖検脳におけるNOS分布と病理所見との関連の有無等を検討した結果、ヒト剖検脳において、大脳皮質、マイネルト核神経細胞にNOSが存在することを確認した。そしてコリンアセチルトランスフェラーゼ(ChAT)に対して一種の二重染色法であるミラーイメージ法による検討を行い、マイネルト核においてNOSとChATが共に存在することを確認した。またATD患者剖検脳においても、NOSはほぼ同様の分布を示しているが、現在症例数を増やして詳細に検討中である。
微小環境と臓器特異的転移に着目した泌尿器がんの発がん・進展のメカニズムの解明

微小環境での癌の浸潤性と形態変化腎細胞癌97例を用いてEMTの指標であるE-cadherin発現を抑制する転写因子Snailの発現を免疫組織学的に調べた。その結果、Snail発現は原発巣の進展度、組織学的異型度および肉腫様腎細胞癌の合併の有無と相関していた。Snail高発現例は低発現例に比べ、再発率および死亡率が高い傾向がみられた。骨転移巣における微小環境腎細胞癌96例を対象に原発巣のRANKL発現を調べた。RANKL陽性細胞の比率は原発巣の進展度、遠隔転移と相関していた。骨転移巣に限らず、リンパ節、肝臓、皮下組織の転移巣でもRANKL, RANKが高発現していた。RANKL, RANKの作用は骨転移における臓器特異的転移に相関するというよりも臓器に関わらず転移に関わっていることが示唆された。腎細胞癌細胞株Caki-1にリコンビナントRANKLを添加して培養すると癌細胞の遊走能が亢進し、その作用はRANKLのdecoy receptorであるOPGを添加することで抑制された。RANKLとRANKは癌細胞の遊走能を亢進し、骨転移のみではなく他臓器への転移に関与していることが示唆された。腎細胞癌の浸潤・転移に関わる微小環境の研究について骨転移巣を中心に解析した。破骨細胞誘導因子RANKLおよびその受容体RANKは骨破壊に重要な働きをしている。高頻度に骨転移を来たす腎細胞癌におけるRANKLとRANKの発現を免疫組織学的に調べ臨床病理学的因子、骨転移や予後との相関を検討するとともに、その分子機構を解析した。腎細胞癌は大きく3つの組織型に分類される。すなわち、淡明細胞癌、乳頭状細胞癌、嫌色素性細胞癌である。腎細胞癌96例を対象にRANKL発現を調べたところ、乳頭状細胞癌、嫌色素性細胞癌ではRANKL蛋白発現が低く、淡明細胞癌においてRANKLが高発現していることが確認された。骨転移巣に限らず、リンパ節、肝臓、皮下組織の転移巣でもRANKL,RANKが高発現していた。RANKL,RANKの作用は骨転移における臓器特異的転移に相関するというよりも臓器に関わらず転移に関わっていることが示唆された。In vitroの実験では、淡明細胞癌由来の腎細胞癌細胞株Caki-1にリコンビナントRANKLを添加して培養すると癌細胞の遊走能が亢進し、その作用はRANKLのdecoy receptorであるOPGを添加することで抑制された。また、統計学的にRANKL,RANK発現が亢進し、OPG発現が低い例では高頻度に骨および他臓器転移を来たし、予後不良であることが分かった。以上の結果より、RANKLとRANKは癌細胞の遊走能を亢進し、骨転移のみではなく他臓器への転移に関与していることが示唆された。破骨細胞か存在しない、骨以外の臓器でのRANKLとRANKの役割は不明であり、増殖に関連するのか、それともさらなる他臓器への転移に関連するのか今後の検討課題と考えられた。腎細胞癌の病理組織では腫瘍の浸潤部に紡錘形の脱分化を示唆する細胞隗が存在することを我々は発見した。このことは腎細胞癌進展において上皮一間葉転換(epithelial-mesenchymal transition:EMT)が生じていることを示唆する。Snailは細胞接着因子であるE-cadherin発現を抑制し、細胞外マトリックス分解酵素であるmatrixmetalloproteinase(MMP)発現を誘導するEMTに関与する転写因子である。本研究では腎細胞癌におけるSnailの発現を検討し、臨床病理学的因子や予後との相関を検討し、さらにsiRNAを用いてin vitroにおけるSnailの機能解析を行った。原発性腎細胞癌97例(淡明細胞癌83例、乳頭癌10例、嫌色素細胞癌4例)を対象にSnailとE-cadherin発現を免疫組織学的に検討した。

腎細胞癌由来の細胞株786-0を使用し、Snail発現をsiRNAによって抑制し、E-cadherinとMMP発現の変化を定量PCRによって測定するとともに、マトリゲル法を用いて浸潤能を測定した。SnailはG3の淡明細胞癌において高発現しており、G1あるいはG2の淡明細胞癌,乳頭癌、嫌色素性細胞癌では発現が低かった。E-cadherin発現は嫌色素細胞癌において高く、他の組織型では低かった。Snail高発現・E-cadherin低発現例は再発率が高く、予後不良であった。Snail発現を抑制すると、E-cadherin発現の上昇とMMP9発現抑制を認め、マトリゲル上での浸潤能が低下した。SnailはE-cadherin発現を抑制することによって細胞接着を低下させ、さらにMMP発現を誘導し細胞外マトリックスの分解を促進することによって癌細胞の浸潤能を尤進することが示唆された。分子標的治療が標準治療となった現在、臨床の場での課題は薬剤の効果が持続せず耐性となることがあげられる。上皮-間葉転換(Epithelial-mesenchymal transition:EMT)は、がん細胞の転移能や抗がん剤耐性機構に関与しているため、耐性がん細胞の問題をEMTという側面から解析することを試みた。腎細胞癌97例を用いてEMTの指標であるE-cadherin発現を抑制する転写因子Snailの発現を免疫組織学的に調べた。その結果、Snail発現は原発巣の進展度、組織学的異型度および肉腫様腎細胞癌の合併の有無と相関していた。Snail高発現例は低発現例に比べ、再発率および死亡率が高い傾向がみられた。Snail発現と癌細胞の浸潤・転移能の関係を調べるため、腎細胞癌由来の細胞株786-O,ACHNにおけるSnail発現をsmall interfering RNA(siRNA)を用いて抑制し、E-cadherinおよび細胞外マトリックス分解酵素であるmatrix Metalloproteinase(MMP)-2,MMP-9発現を定量PCR法およびイムノブロット法により測定した。その結果、siRNAによりSnail発現を抑制するとE-cadherin発現が上昇するとともに、MMP-2とMMP-9の発現が低下し、in vitroでの癌細胞の遊走能、浸潤能が低下した。分子標的薬治療後の組織を観察するとEMTが亢進していると考えられる異型性の顕著な肉腫様癌細胞が残存している。このことから治療耐性にEMTが関与していることを示唆された。より悪性度の高い癌組織での発現あるいは肉腫様腎細胞癌でのSnailの発現の亢進はSnailが分子標的薬の耐性に関連することを示唆する。
動物細胞の機能変化を指票とする環境水汚染物質の長期毒性評価に関する研究

長期毒性を評価するための細胞としては,薬物代謝で重要な役割を果たしている肝臓の正常細胞(ラットから採取)を用いた.モデル環境水汚染物質としては,四塩化炭素を用いた.まず,少なくとも4週間の培養が可能な培養系の確立を試みた.細胞層を上下からコラーゲンゲルで鋏み込み,その外側から培養液を供給する膜上サンドイッチコラーゲンゲル培養について検討を行った.この基本構造は,生体内での肝細胞が置かれている環境と酷似している.肝細胞の重要な特異機能であるアルブミン合成能が,約8週間にもわたり高レベルで維持されることが判明したため,細胞レベルで亜急性毒性の試験期間に相当する長期における添加毒物への細胞応答の実験が行える可能性が示された.次に,長期の細胞応答を測定するために望ましい指標の選択を行った.その結果,細胞量を示すDNA量や従来広く用いられてきた細胞内酵素の漏出(GOT release)など比較して,長期細胞応答を測定する上では,アルブミン分泌能という指標が鋭敏であることが判明した.これは肝臓細胞のみがもつ高度な臓器特異機能のひとつである点からも,生体影響を評価するためには望ましいと考えられる.さらに,長期反復投与における細胞応答を測定した.四塩化炭素は開放培養系では容易に蒸発して培地中から失われるために,培養器をシリコンゴム製のシールを用いて密閉し,蒸発を抑制した.急性と異なり長期においては,時間という要因をどのように考慮するのが望ましいのかが重要な課題となる.さまざまな初期濃度の四塩化炭素をさまざまな添加間隔で長期にわたり細胞に添加,アルブミン分泌能が失われていく過程を追跡した.その結果,当初予定した定式化には至らなかったが,蒸発分を差し引いた培地中残存濃度を添加時間で積分した値(有効添加量)で,消失過程がごくおおまかに決定されているという結論を得た.長期毒性を評価するための細胞としては,薬物代謝で重要な役割を果たしている肝臓の正常細胞(ラットから採取)を用いた.モデル環境水汚染物質としては,四塩化炭素を用いた.まず,少なくとも4週間の培養が可能な培養系の確立を試みた.細胞層を上下からコラーゲンゲルで鋏み込み,その外側から培養液を供給する膜上サンドイッチコラーゲンゲル培養について検討を行った.この基本構造は,生体内での肝細胞が置かれている環境と酷似している.肝細胞の重要な特異機能であるアルブミン合成能が,約8週間にもわたり高レベルで維持されることが判明したため,細胞レベルで亜急性毒性の試験期間に相当する長期における添加毒物への細胞応答の実験が行える可能性が示された.次に,長期の細胞応答を測定するために望ましい指標の選択を行った.その結果,細胞量を示すDNA量や従来広く用いられてきた細胞内酵素の漏出(GOT release)など比較して,長期細胞応答を測定する上では,アルブミン分泌能という指標が鋭敏であることが判明した.これは肝臓細胞のみがもつ高度な臓器特異機能のひとつである点からも,生体影響を評価するためには望ましいと考えられる.さらに,長期反復投与における細胞応答を測定した.四塩化炭素は開放培養系では容易に蒸発して培地中から失われるために,培養器をシリコンゴム製のシールを用いて密閉し,蒸発を抑制した.急性と異なり長期においては,時間という要因をどのように考慮するのが望ましいのかが重要な課題となる.さまざまな初期濃度の四塩化炭素をさまざまな添加間隔で長期にわたり細胞に添加,アルブミン分泌能が失われていく過程を追跡した.その結果,当初予定した定式化には至らなかったが,蒸発分を差し引いた培地中残存濃度を添加時間で積分した値(有効添加量)で,消失過程がごくおおまかに決定されているという結論を得た.
蛋白質アルギニン脱イミノ酵素によるクロマチン蛋白質の修飾と遺伝子発現調節

蛋白質修飾酵素、ペプチジルアルギニンデイミナーゼ(PADaseと略)はペプチド鎖中のアルギニン残基をシトルリン残基に変換する新しい酵素で(1)蛋白質の正電荷を減少させ、蛋白質分子相互間、或いは蛋白質、核酸との相互作用に影響すること、また(2)生体内のアルギニン残基を活性中心とする多くの生理活性蛋白質に作用し、生体制御に関与することが推測される。本酵素は核ではクロマチン結合性である。これらの事の背景に遺伝子発現に関与すると推定されているクロマチン蛋白質に対する作用について検討した。1.PADaseの反応生成物であるシトルリンを含むアミノ酸の迅速微量定量法について検討し、6Hcl、150°C、1時間水解後、PTC-アミノ酸としODSカラムを用いるHPLC法により1Pmolレベルで20分間で測定可能とした。2.PADase感受性非ヒストンクロマチン蛋白質(NHPと略)の検出と同定;仔牛胸腺核よりNHPを調製した。一方、ウサギ骨格筋より調製したPADaseをSepharose43に固定化後、カラムに充填し4°cでNHPを作用させた。反応後LMGとHMGに分画し、アミノ酸分析の結果、アルギニン残基の修飾率は何れの画分も共に約11%であった。次に仔牛胸腺より0.75MHclO_4によりHMGを抽出、37°CでPADaseを12時間で反応後、HMG1とHMG2に分画した結果修飾率はそれぞれ25%及び40%であった。3.HMGのPADase修飾によるDNAに対する機能変化;ブタ胸腺よりHMG1及びHMG2を精製し、TopoisomeraseIに弛緩させたPBR322DNAに対する泳動の移動度より観察した。その結果、HMG1は修飾(8残基中3残基)によりこのSuperhelix構造形成能が低下し、HMG2ではより顕著であった。またDNA1本鎖部分への結合能に変化はなかった。以上より本酵素の遺伝子発現制御への関与を推定した。蛋白質修飾酵素,ペプチジルアルギニンデイミナーゼ(PADase)はアルギニン残基をシトルリン残基に変換する新しい酵素で,蛋白質の正電荷を減少させ,核ではクロマチン結合性である.これを背景に遺伝子発現に関与すると推測されるクロマチン蛋白質に対する作用について検討を加えた.1.PADase感受性非ヒストンクロマチン蛋白質(NHPと略)の検出と同定:仔牛胸腺分離核よりNHPを調整し,またウサギ骨格筋より調整したPADaseをSepharose4Bに固定した(収率60%).上記NHPをPADase-Sepharose4B固定化カラムに4゚Cで作用後, Low Mobility Group(LMG)とHigh Mobility Group(HMG)に分画した.両画分のアミノ酸分析は, 6NHCl, 150゚C, 60分水解後, PTC-アミノ酸とした後, C-18HPLCにより分離定量した.その結果, Arg残基のCit残基への変換率はLMGでは3.4%, HMGでは11%であり, HMGがPADase感受性蛋白質であることが判った.そこで次に仔牛胸腺より0.75MHclO_4によりHMGを抽出,アセトン沈澱として集めた後,同酵素を12hr, 37゚Cで作用させた.修飾HMGをC-18HPLCにより分画し,ポリアクリルアミド電気泳動法により同定し, HMC1とHMG2に分画した.

それぞれにつきアミノ酸分析の結果, Arg残基のcit残基への修飾率は, HMG1では25%, HMG2では40%であった.以上の結果, NHPに含まれる同酵素感受性蛋白質はHMG1および2と同定された.2.転写活性型クロマチンおよび不活性型クロマチンの分画とシトルリンの分析:ラット肝臓よりクロマチンを分離し, Yamasuら(1986)の方法により転写活性および不活性型クロマチンを分画し,それぞれのヒストンのアミノ酸分析の結果, citは検出されなかった.また,それぞれのNHPについては,蛋白質量に再現性が得られず, citの定量分析は不能であった.〔目的〕蛋白質アルギニン脱イミノ酵素Peptidyla rginine deiminaseは、ペプチド鎖中のアルギニン残基をシトルリン残基に変換し、蛋白質の正電荷を消失させ、蛋白質分子間、或いは蛋白質と核酸等他の生体成分との相互作用に影響を及ぼすことが考えられる。また、生体にはアルギニン残基を活性中心とする酵素をはじめ生理活性蛋白質も多いことから、生体制御への関与等多様な生理的機能が推測される。本酵素は核に於てはクロマチン結合性であることもあって、以上の事を背景に遺伝子発現の制御に関与すると言われる非ヒストンクロマチン蛋白質HMG1及びHMG2に対する修飾と、修飾によるDNAに対する機能変化について検討した。〔結果〕まず本酵素反応生成物であるシトルリン残基を微量で正確、かつ迅速に定量する方法について検討した。その結果、修飾蛋白質を6NHClで150°C、1時間水解後、PTCアミノ酸とした後、ODSカラム(4.6×250mm)を用いるHPLCの適用により、1Pmolの感度でシトルリンを含むアミノ酸の分離定量が可能となった。次にブタ胸腺よりHMG1及びHMG2を抽出し、MonoQHR5/5カラムにより精製し、本酵素により修飾を行ない、DNAに対する機能変化について検討した。方法としてはトポイソメラーゼ1により弛緩したplasmid pBR322のHMG1又はHMG2の結合による負のSuperhelix構造の増大能を電気泳動での移動度から観察した。その結果HMG1は修飾(Arg3残基/8残基)によりDNA Superhelix構造の負への巻き戻し活性が低下し、HMG2(Arg1.6mol%/4.3mol%)については影響がより顕著であった。一方、修飾HMGのDNA1本鎖部分への特異的結合能の変化をSNヌクレアーゼによる1本鎖DNAの作用から調べた結果、この巻き戻し活性の低下は、DNAへの結合能の低下によるものでないことが判った。以上のことから本酵素の遺伝子発現制御への関与が推測された。
戦略的環境アセスメントと計画策定過程の参加手法に関する研究

戦略的環境アセスメント(SEA)と計画策定過程の統合手法を明らかにするため、ワシントン州ピュージェット湾広域委員会の成長管理政策「VISION 2040」の策定を事例に、政策策定過程の参加手法に関する調査を実施した。また、SEAと計画策定の統合手法において、より一体的な運用形態も見られる国際開発協力分野における手法も調査の視角に入れ、研究を展開した。今年度の調査ではこれまでに明らかになったVISION2040の策定における最大の利害調整の焦点である「複合コミュニティー開発禁止条項」の是非に関して、政策の対象範囲である4つの郡の成長管理を所管する部局と、同地域内の代表的な利害関係主体である環境保護団体futurewise、開発権益に係るキットサップ地権者協会の各団体の関与過程を明らかにした。この調査は、各関係主体との綿密な連絡と資料提供に基づいて実施し、VISION2040策定の各過程において、各主体がどのような利害と根拠に基づいて同条項に対しどのような主張を展開したかを明らかにした。この結果、当該事例の統合型SEAでは、SEAプロセスの中で政策課題の特定から政策形成が展開され、個別具体の施策に関する協議にもSEAの評価結果が各主体の主張の根拠として用いられることが明らかになった。このように事例を通じて統合型SEAによる政策段階での環境配慮の仕組みが定式化されたことは、社会的意義を持つ成果の一つである。一方で、統合型SEAの同時包括的な評価においては定量的な総合化は行われず、結果的に、対立する双方の利害主体がそれぞれ異なる側面の評価結果を部分的に利用するといった現象がみられた。ここから、政策段階の環境配慮と意向調整の異なる2つの意思形成フェーズをどのように連接するかという新たな課題を発見するに到った。戦略的環境アセスメント(SEA)と計画策定過程の統合手法を明らかにするため、統合による手法の有用性が高いとされる総合計画・成長管理政策の策定を事例に、策定過程の参加手法に関する現地調査を実施した。事例は、米国で最も両制度の統合が発展しているワシントン州から選定し、ピュージェットワン広域委員会の成長管理政策「VISION 2040」の策定事例とした。まず、参加過程における各主体の関与の実態と認識を把握するため、事前調査を基に重要な関与主体を抽出し、インタビュー調査を行った。本研究では、プロセス全体のメカニズムを分析対象としていることから、プロセスの全過程で継続的に参加し九地域内の4つの郡政府と、政策の内容に対し賛成している環境団体future wiseと反対しているキットサップ地権者協会を重要な関与主体とした。インタビュー調査では、各主体がプロセスを通じて、いつ、何を、どのように知り、それに対してどのような主張を展開したか、策定主体とどのように意思疎通を図ったか、他の参加主体との意思疎通はどのように行ったかを中心に調査を実施した。調査では1週間の現地滞在の内に、上述の6団体に対し面接を行うとともに、政策形成過程で大きな課題となった複合コミュニティー開発の現地踏査を実施した。この結果、各質問項目に対する各調査対象主体の回答を直接得る事ができた。また、文書化された資料では確認することのできない、各主体の水面下の関与プロセスの存在が確認された。
強震時における均等ラーメン構造の応答制御に関する研究

本研究は、高層制震構造物(フィードバック制震)の特性を解析的に検討することを目的としている。フィードバック方式によるアクティブ制震において、さまざまな理論が提案されているが、ここでは最適制御理論(最適レギュレータ理論)」による制御を行う。制御対象としては、多重なモードの挙動を示す高層均等フレーム構造(30層RC構造)を取り上げ、これを各層重量、剛性および減衰を平均化して一定としたせん断型の均等フレーム構造とした。この構造に対して、各種の制御パラメータ、入力地震動によるその制御特性を検討した。特に、評価関数の状態量の重み係数、制震装置の重量などは制御特性を大きく左右するところとなっている。以上に示した地震作用下における制震構造の解析モデルに対して運動方程式を導き、これから加速度、変位等の周波数伝達関数を階差方程式の理論解として求めた。また、これを用いて周波数領域における制震性を、特に各制御パラメータとの関連で検討した。さらに、制御構造の各種地震動に対する地震応答解析から、設計上重要な最大加速度応答値、最大変位応答値が、各制御パラメータによってどう変動するかを工学的に把握するために、その制御効果と等価なモード減衰定数を導くことによって、定量的に評価、検討した。
腫瘍内HER2不均一発現を呈する胃癌のトラスツズマブ耐性機序の分子生物学的解明

胃癌においてHER2の発現はしばしば不均一で、これをHER2 heterogeneityという。我々は胃癌におけるHER2 heterogeneityがtrastuzumab併用化学療法の治療効果に及ぼす影響を検討し、以下の知見を得た。1切除検体ではheterogeneityを50%に認め、HER2を均一に発現する胃癌の予後は極めて良好。2生検検体ではheterogeneityを61%に認め、切除検体と同様な結果であるが、そのインパクトは弱い。3いずれの検体でもHER2 heterogeneityを認めると、trastuzumabの効果はさほど高くない。平成27年度では、主に観察期間を延長する事でHomogeneousにHER2が発現する胃癌はHeterogeneousにHER2が発現する胃癌より無増悪生存期間だけではなく全生存期間においても有意に良好な結果であることが明らかとなった。これによりエビデンスがより確固たるものであると言える。この結果に関しては既に昨年の日本臨床腫瘍学会で発表も終え現在論文投稿の準備をしている所である。平成27度はHomogeneousにHER2が発現する胃癌とHeterogeneousにHER2が発現する胃癌における分子生物学的な違いを免疫染色及び次世代シークエンサーを用いて検討する予定でああったが、遺憾ながら施行する事が出来なかった。現在、病理医のご協力の下、これらの施行の準備に全力を挙げて取り組んでいる所である。一方、胃癌細胞株の樹立においては1例でHER2蛋白の発現をウエスタンブロットで確認できた細胞株の樹立に成功した。主には主研究者の準備不足が故のコミュニケーション不足であったが、現在、定期的に進捗を情報交換し連携が計れており本年度中に病理関連の研究は完遂可能と思われる。また次世代シークエンサーが当院に搬入されることが正式に決まり、昨年度、外注にオーダーする予定であったが本年度に自施設で行う方針となった。我々は切除検体おいてHomogeneousにHER2過剰発現を認める胃癌はHeterogeneousにHER2過剰発現を認める症例よりトラスツズマブの治療効果が高い事を報告してきた。本研究ではHER2がHomogeneousに過剰発現した胃がんとHeterogeneousに過剰発現した胃がんで分子生物学的な背景の違いを明らかにし、トラスツズマブ耐性機序を解明しそれらを克服する新たな治療戦略を検討する事である。28年度の主な実績として1.胃癌の7割以上を占める切除不能症例から得られた生検検体で検討しデータの再現性を得た(Homo.vs.Hetero.:mPFS 10.6 vs. 5.6, HR2.054, 95%CI, 1.03-4.09, p=0.036, mOS 27.6 vs. 14.1, HR3.632, 95%CI 1.34-9.88, p:0.007)(ASCO-GI 2017)。2.免疫染色を施行しHER2以外のEGFR, HER3, cMET, FGFR2の膜蛋白過剰発現をHomo群とHetero群で比較した。切除症例での陽性率はEGFR (Homo vs. Hetero 85.7% vs. 90.9), HER3 (42.8% vs. 9.1%), FGFR2 14.3% vs. 18.2%)であった。免疫染色上は明確な陽性率の違いを現時点では示せなかった(今後、適切なカットオフ値の検討および症例数の増加を考慮している)。またEGFR陽性の一部の症例においてはHER2と相互排他的な蛋白過剰発現を認める所見も得られ、それぞれの部に異なるRTKsの増幅を確認する目的でDISHを予定している。cMETにおいてはIHCでの判定が困難であった、より定量的な解析を目的に遺伝子発現解析にての比較を予定している。3.耐性機序の克服に関しては未だ切除検体からHER2陽性胃がん細胞株が樹立されておらず、今後cell lineを用いた研究を検討している。初年度は臨床データの熟成、サンプルの収集および関連機関との連携構築等、実質準備のみで終了し研究の実務を遂行できなかった。また免疫染色の染色性や判定に難渋する抗体及び症例がある。耐性機序の克服に関しては切除検体からの細胞株の樹立しPDXマウスモデルの作成を考慮していたが、HER2陽性胃がん患者からの細胞株の樹立が未だ成功していない。以上の影響で予定よりやや遅れております。HER2陽性胃癌において、HER2蛋白は全ての腫瘍細胞に均一に過剰発現しておらず、HER2蛋白の発現が見られない腫瘍細胞が混在している所見をしばしば認める。これを腫瘍内HER2 heterogeneityと定義する。切除検体を用いた検討では、HER2 heterogeneityの頻度は50-75%と報告されている。切除不能進行再発HER2陽性胃がんの1次治療にはtrastuzumab併用化学療法が標準治療となっているが、その治療効果予測因子は明らかでない。我々は腫瘍内HER2 heterogeneityの臨床的意義を明らかにするため、28例の切除検体を用いて治療効果との相関を検討した。

その結果、均一にHER2蛋白の過剰発現を認める症例のは不均一に過剰発現を認める症例と比較し有意に治療効果が良好であった(HR for PFS: 0.11 95%CI 0.03-0.41, p<0.001, HR for OS: 0.18 95%CI 0.06-0.61, p=0.003)。更に生検検体88例を用いた検討でも同様な結果を確認できた(HR for PFS: 0.4695%CI 0.28-0.76, p=0.002, HR forOS: 0.3595%CI 0.20-0.60, p<0.001)。以上より、腫瘍内HER2 heterogeneityはtrastuzumab併用化学療法における強力な効果予測因子である。更に切除検体を用いた検討ではHER2遺伝子の増幅をDISH法を用いて確認し、IHC socoreおよびHER2 heterogeneityとの相関を検討した。HER2はIHC3+でIHC2+と比較し有意に増幅レベルが高かったが(p=0.023)、Heterogeneityの有無では有意差は認めなかった(p=0.225)。治療効果に関してもHER2の増幅は有意な相関は認めず、HER2 heterogeneityの有無がtrastuzumab併用化学療法における独立した効果予測因子であった。現在、不均一にHER2を過剰発現する胃癌症例がtrastuzumab併用化学療法に対し早期に耐性を来すメカニズムの解明を行っている。今後はHER2 heterogeneityの形成機序の解明を検討したいと考えている。胃癌においてHER2の発現はしばしば不均一で、これをHER2 heterogeneityという。我々は胃癌におけるHER2 heterogeneityがtrastuzumab併用化学療法の治療効果に及ぼす影響を検討し、以下の知見を得た。1切除検体ではheterogeneityを50%に認め、HER2を均一に発現する胃癌の予後は極めて良好。2生検検体ではheterogeneityを61%に認め、切除検体と同様な結果であるが、そのインパクトは弱い。3いずれの検体でもHER2 heterogeneityを認めると、trastuzumabの効果はさほど高くない。HER2以外の膜蛋白受容体のco-overexpressionもしくはco-amplificationが、HeterogeneousにHER2を発現する胃癌に認められるかどうかが本研究の最大の興味関心事である。まずは免疫染色を用いて蛋白発現の全体の相互関係を明らかにする予定である。遺伝子増幅に関してはその結果を見てマイクロダイセクションを施行するかどうかを半判断する予定である。現在の問題点の一つに免疫染色の陽性の基準を決めかねており、正確な陽性率を出しえていないこと、更にcMETが過剰に染色されてしまいこちらも判定が困難である。これらに対し適切なカットオフ値の再検討およびDISHや遺伝子発現解析等より定量性が高い方法での解析を予定している。耐性機序の克服に関しては切除検体からのHER2陽性胃癌細胞株が樹立しておらず、既存の細胞株をmixしヌードマウスに移植しin vitroでの検討も考慮している。消化器化学療法、トランスレーショナルリサーチ免疫染色、ターゲットシークエンスが平成27年度に行われなかったためである。初年度に関して臨床データやサンプルの収集等、立ち上げの準備に時間を費やした為、大研究の実務を遂行する事ができませんでした。
歯科矯正時の歯槽骨適応変形に関する生体力学的研究

本研究は,生体組織の力学的適応現象を解明するための最適な研究対象のひとつとして,歯科矯正における歯槽骨の適応変形に着目し,(1)歯根部応力と歯槽骨吸収量を推定できる新たな手法を考案し,(2)歯牙移動現象の基本量とされる歯根部応力と歯槽骨吸収速度の定量測定を矯正治療患者における実測データを基に行い,(3)歯根部応力と骨吸収の因果関係を解析して,生体の力学的適応現象を体系化するための基礎資料とすることを目的とする。本年度は,以下の成果を得た。1.歯槽骨適応変形に関する計測法として,歯根部における歯槽骨吸収量と応力分布を推定する手法考案した。骨吸収量は,我々が開発してきた歯列模型三次元解析システムを用い,歯の三次元移動量より求め,応力分布は,歯,歯根膜,歯槽骨からなる力系の三次元有限要素解析より算出される。これらの算出値から,単位応力当りの適応変形速度を得ることができる。2.パワーチェインによる矯正治療中の歯の三次元移動量を経時計測し,上記の手法により,単位応力当りの歯槽骨適応変形速度を求めたところ,応力と歯槽骨吸収量はよい相関を示し,変形速度は4μm/g・mm^2・dayという結果を得ることができた。3.矯正力と適応変形速度の関係を,犬歯の遠心移動量の経時測定から検討した。矯正力が350gと150gの2治療群で比較したところ,前者の移動量は後者の1.52.5倍であり,一般的な矯正力の範囲では力と変形量は概ね比例することが示唆された。また,犬歯部の変形速度がほぼ一定であるのに対し,臼歯は治療後期の近心移動が見られた例を除き固定歯として作用することが0.1mmの精度で確認され,differntialforceの概念を定量的に把握できる足掛りを得た。
秘密鍵系列の一致のための誤り訂正法に関する研究

量子暗号鍵配送において量子通信路で発生した誤りを訂正する秘密鍵系列の一致は,公衆通信路を用いて行われるため,この過程での送受信者の通信の内容は原理的にはすべて盗聴者に聞かれる恐れがある.ここで,盗聴者が量子メモリを用いることにより,秘密鍵系列の一致の情報を得た後に量子通信路から得た信号を測定する場合には,その情報を用いて量子一括測定を行うことにより,量子信号単独で受信する場合より多くの情報を得る可能性がある.本年度は,これまでに提案している秘密鍵系列の一致のための完全符号とハミング符号を用いた場合で,秘匿性の一致の情報を利用した量子信号の一括測定の効果を調べた.数値解析の結果,両符号に於いて秘密鍵系列の一致の情報を用いた一括測定を行うことで盗聴者はより多くの情報を得ることを示した.また,その効果は提案符号の方が大きいことを示した.この理由については現在検討中であり,来年度の研究で明らかにする予定である.これまでレーザのショット雑音を用いた暗号鍵配送(Yuen-Kim方式)の高速化を試みてきたが,本年度は,受信者の誤り率を一定の誤り率以下に制限したときの暗号鍵の生成速度について調査した.これは,送受信者間の距離が広がるにつれ提案方式における受信者の最適誤り率(鍵生成速度を最大にする)が0.2あるいはそれ以上になるが,この誤り率が大きくなるにつれ,現実の誤り訂正符号の性能が理論限界から離れる傾向にあることを考慮したものである.調査の結果,Yuen-Kim方式では受信者は二重閾値を用いることにより盗聴者に対する優位性を高めているが,受信者の誤り率を制限しない場合には,単一の閾値でも鍵の生成が可能であるが,誤り率を制限した場合には単一閾値では伝送距離に制限が加わり,長距離化には二重閾値の使用が本質的であることを示した.本年度は,対話型秘密鍵系列の一致法の通信回数を削減することを目標に,連接符号を用いたプロトコルを提案し,その特性を調べた.今回は内符号としてこれまでに提案してきた完全符号を,外符号としてリードソロモン符号を用いた.理論解析により公開ビット数とプロトコルの成功確率を調べた.その結果,プロトコルを一往復の通信で完了させるためには,秘密鍵系列の一致のもう一つの重要な評価基準である公開ビット数が非常に多くなることが明らかになった.この問題を解決するために今後ブロック長の最適化,および,通信回数を一回から数回へ条件を緩和することを検討する必要がある.また,一方向の通信で秘密鍵系列を一致させるプロトコルとして低密度パリティ検査符号を用いたプロトコルの開発に着手した.本年度は,低密度パリティ検査符号により対話型プロトコルに近い公開ビット数を達成する可能性があることを確認した.来年度以降では,最適な検査行列の構成法の開発に取り組むとともに,公開ビット数,プロトコル失敗確率(プロトコル終了後の系列に1ビット以上の誤りが存在する確率)およびプロトコル処理時間を計算機シミュレーションにより明らかにする.一方,本年度は現在広く使用されている光通信技術を用いた量子暗号鍵配送方式(光通信量子暗号鍵配送方式)を提案し,その特性解析を行った.その結果,提案型光通信量子暗号鍵配送方式は,特に長い伝送距離の場合に鍵生成速度において単一光子量子暗号に比べ格段に優れた特性を有することを示した.さらに,提案方式により高速な鍵配送を行うためには,公開ビット数が理論限界に近い特性の秘密鍵系列の一致プロトコルが必要性であることが明らかになり,本研究の重要性を再確認した.対話型秘密鍵系列の一致法の通信回数を削減することを目標に,昨年度に提案した内符号としてこれまでに我々のグループで提案してきた完全符号を,外符号としてリードソロモン符号を用いる連接符号を用いたプロトコルについて,昨年度に引き続き理論解析により公開ビット数とプロトコルの成功確率の関係の解析を進めるとともに,計算機シミュレーションによる特性解析に着手した.システムパラメータの最適化が十分得ないため,現状では通信回数を削減すると公開ビット数が大幅に増加する.今後は,パラメータの最適化を推し進め特性改善を目指す.また,一方向の通信で秘密鍵系列を一致させるプロトコルとして低密度パリティ榛査符号を用いたプロトコルの特性を計算機シミュレーションにより解析した.量子通信路の誤り率,系列長などを変えたときのプロトコル失敗確率,公開ビット数等を明らかにすることにより,与えられた条件において使用する符号の設計指針を与えた.また,復号における計算量を従来型である対話型プロトコルと比較することにより,送受信者間の通信に要する時間および送受信者が使用する復号器の処理能力によりプロトコル全体に要する時間は一方向型プロトコルと対話型プロトコルで優位性が変わることを示した.量子暗号鍵配送において量子通信路で発生した誤りを訂正する秘密鍵系列の一致は,公衆通信路を用いて行われるため,この過程での送受信者の通信の内容は原理的にはすべて盗聴者に聞かれる恐れがある.ここで,盗聴者が量子メモリを用いることにより,秘密鍵系列の一致の情報を得た後に量子通信路から得た信号を測定する場合には,その情報を用いて量子一括測定を行うことにより,量子信号単独で受信する場合より多くの情報を得る可能性がある.本年度は,これまでに提案している秘密鍵系列の一致のための完全符号とハミング符号を用いた場合で,秘匿性の一致の情報を利用した量子信号の一括測定の効果を調べた.数値解析の結果,両符号に於いて秘密鍵系列の一致の情報を用いた一括測定を行うことで盗聴者はより多くの情報を得ることを示した.また,その効果は提案符号の方が大きいことを示した.この理由については現在検討中であり,来年度の研究で明らかにする予定である.

これまでレーザのショット雑音を用いた暗号鍵配送(Yuen-Kim方式)の高速化を試みてきたが,本年度は,受信者の誤り率を一定の誤り率以下に制限したときの暗号鍵の生成速度について調査した.これは,送受信者間の距離が広がるにつれ提案方式における受信者の最適誤り率(鍵生成速度を最大にする)が0.2あるいはそれ以上になるが,この誤り率が大きくなるにつれ,現実の誤り訂正符号の性能が理論限界から離れる傾向にあることを考慮したものである.調査の結果,Yuen-Kim方式では受信者は二重閾値を用いることにより盗聴者に対する優位性を高めているが,受信者の誤り率を制限しない場合には,単一の閾値でも鍵の生成が可能であるが,誤り率を制限した場合には単一閾値では伝送距離に制限が加わり,長距離化には二重閾値の使用が本質的であることを示した.
半順序集合による盤と表現論、組合せ論的偏微分方程式

本年度は、主としてジグザグ半順序集合および、奇分岐ツリーの、オーダーイデアルによる盤(イデアル盤)を考え、これにまつわるヤコビートル-ディ型恒等式を研究した。ジグザグ半順序集合のイデアル盤についての結果は、ブール盤に関する結果のもっとも重要な応用である。これについては、盤の平面分解に対応して、見かけ上全く異なるような等式が導かれるという、ハメル-グルデンの結果が、この場合に拡張できるかを調べ、肯定的結論に達した。この結果の定式化を現在進めている。ここで、特に盤を水平に分割したときには、通常のヤコビートル-ディ型等式の拡張が得られるので、この結果が、そのさらに広い一般化となっていて、その他、ギアンベリ行列式、リボン行列式などを含んで余りあるものである。ハメル-グルデンの結果自体は、シュウア関数の間の種々の行列式による公式となるが、本研究によれば、これが、ジグザグ半順序集合のイデアル盤の母関数の間の、行列式による公式に拡張できるということがわかった。同様に、奇分岐ツリーの場合にもこの方向の拡張が考えられるが、この場合には、ジグザグ半順序集合の場合ほど無制限な拡張はできないことがわかった。しかし、ギアンベリ行列式の拡張は、考えることができる。奇分岐ツリーの場合のヤコビートル-ディ型公式は、高次元(偶数)の行列式で表される定理となり、これに関連して、ツリーパス(パスの拡張)の和を求める問題が現れる。それは、2次元の場合の、ステンブリッジ-岡田の公式の高次元化として解決された。多変数不定関数の合成の問題については、双微分環による方法を試みているが、難航しており、より直接的に、高階微分を、合成の図式におけるある種のパス(の拡張)でおきかえて、パスの代数を導入することも考えらている。
細胞接着分子によるシナプス形成と可塑性の制御

私達の脳は、環境に対する適応をくりかえしている。刺激や訓練による記憶・学習や、薬物による依存・耐性なども、広義の適応である。このとき、脳=神経回路網は、外界からの刺激に合わせ,て状態を変える「リモデリング」を起こすと考えられている。神経回路網の要となるのは、シナプスである。軸索の終末が、樹状突起に突出したスパインに結合して、シナプスが形成される。私達は、シナプス(スパイン)の動態を捉えるために、培養神経細胞に蛍光蛋白質GFPを発現させることで、神経細胞を生きたまま観察した:【安静時】きのこ形をしたスパインが左右に活発な往復運動を繰り返す。【刺激後】スパインは刺激後30分で、30%拡大した。この結果、シナプス伝達部分の面積が拡大し、シナプス伝達効率が増強する。このような変化が繰り返されると、その神経伝達経路が強化されて行く。シナプスでの細胞間接着を担うN-cadherinの役割を検討した:(1)スパインの拡大にはカドヘリン機能が必須である。(2)シナプス刺激は、N-cadherinの接着機能を増強させる。一方、(3)プロトカドヘリンに属すArcadlinは、N-cadherinによる接着を抑制し、スパインの数を減少させた。ArcadlinはN-cadherinと拮抗し、バランスをとるのではないかと考えられる。(4)ArcadlinによるN-cadherinへの拮抗は、N-cadherinをendocytosisによる内在化させることに起こることを見いだした。(5)ArcadlinによるArcadlin/N-cadherin内在化の細胞内情報伝達機構を解明した。現在これらの成果を著名国際雑誌に投稿中である。ほ乳動物の中枢神経系は、神経細胞(ニューロン)が伸ばした神経突起同士の接着によるネットワークを形成する。神経突起同士が接着し、情報伝達をおこなう「点」がシナプスであり、これにより情報の流れるルートと向きが決定されるだけでなく、情報の選別・積算・増幅などが行われ、また入力の仕方に応じて伝達効率を変化(可塑性)させ、ある種のメモリーを保持する。本研究では、特異的なシナプス接着が行われる機構ならびにシナプスの可塑性に関わる機構を、細胞形質膜同士を結合させる機能をもつ接着分子カドヘリンと、シナプスの形態的可塑性の観点から検討した。海馬の興奮性ニューロン上につくられる興奮性シナプスは、神経活動によって伝達効率が増すシナプス長期増強(ある種の記憶・メモリーである)を示す。われわれの研究ではこのとき、シナプスの形態そのものが変化を来たし、シナプス機能の増強に伴い、シナプス伝達を行う接着面積が拡大することを見いだした。このシナプス接着部分の接着を担うN-cadherinというカドヘリンが、シナプス活動でその機能を変化させ、接着面積を拡大させる現象に必須の働きをになっていることが分かった。またこの海馬興奮性シナプスには、神経活動で合成誘導されるArcadlinというカドヘリン接着分子が集積し、普段から存在するN-cadherinを巻き込む形で、細胞表面から細胞内へ移動する。その変化に従って、p38MAPキナーゼと呼ばれる細胞内情報伝達分子に至る経路が活性化し、シナプスの形態に変化を及ぼす(形態的可塑性)メカニズムを見いだした。このとき、脳=神経回路網は、外界からの刺激に合わせて状態を変える「リモデリング」を起こすと考えられている。

軸索の終末が、樹状突起に突出したスパインに結合して、シナプスが形成される。私達は、シナプス(スパイン)の動態を捉えるために、培養神経細胞に蛍光蛋白質GFPを発現させることで、神経細胞を生きたまま観察した:【安静時】きのこ形をしたスパインが左右に活発な往復運動を繰り返す。【刺激後】スパインは刺激後30分で、30%拡大した。この結果、シナプス伝達部分の面積が拡大し、シナプス伝達効率が増強する。このような変化が繰り返されると、その神経伝達経路が強化されて行く。シナプスでの細胞間接着を担うN-cadherinの役割を検討した:(1)スパインの拡大にはカドヘリン機能が必須である。(2)シナプス刺激は、N-cadherinの接着機能を増強させる。一方、(3)プロトカドヘリンに属すArcadlinは、N-cadherinによる接着を抑制し、スパインの数を減少させた。ArcadlinはN-cadherinと拮抗し、バランスをとるのではないかと考えられる。(4)ArcadlinによるN-cadherinへの拮抗は、N-cadherinをendocytosisによる内在化させることに起こることを見いだした。(5)ArcadlinによるArcadlin/N-cadherin内在化の細胞内情報伝達機構を解明した。現在これらの成果を著名国際雑誌に投稿中である。