hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
微分方程式の総合的研究

線形あるいは非線形の常微分・偏微分方程式の基本的な未解決問題について総合的な研究を行い次の研究成果を得た.1.研究代表者および分担者中村周はSchrodinger方程式を研究し,(1)散乱の波動作用素のL^p有界性,(2)基本解の滑らかさや有界性の摂動に関する安定性・不安定性を証明し;(3)時間周期系の解の漸近減衰とFloquet作用素のスペクトルの関係を明らかにした.(4)相空間でのトンネル効果の一般論を構成しその応用を与えた;(5)ランダム系の状態密度を定義しWegner評価,状態密度のLifshitz特異性を証明した.2.分担者片岡清臣は線形偏微分方程式の一般論を研究し,(1)ε^R_χ加群の正則関数解複体の初等的定義を与えた.(2)確定特異点型境界値問題の解の特異性の分岐問題を常微分方程式の接続問題に帰着させた.(3)一変数正則関数のメリン型積分表示を得た.3.分担者儀我美一は非線形偏微分方程式を研究し,(1)一階偏微分方程式の粘性解を数値的に計算する道をひらき,(2)適正粘性解の概念を導入して解の存在と一意性を示した.(3)Navier-Stokes方程式の空間無限大で減衰しない初期値をもつ局所解,2次元大域古典解を構成した.4.分担者堤誉志雄は非線形発展方程式の解の適切性を研究し,(1)異伝播速度の波動方程式の非線形連立系の初期値問題を広い関数空間で示した;を得た.(2)非線形シュレディンガー方程式に対する既知の双線形評価式の最良性を示した.(3)質量項を持つKlein-Gordon方程式の定数解の漸近安定性を示した.5.分担者真島秀行は函数の漸近展開に関する基礎的定理を超漸近解析の立場から研究した.6.分担者井川満は波動方程式の複数凸物体による散乱行列の極の分布の精密な結果を得た。この研究では自然現象や社会現象を記述する線形・非線形の常微分・偏微分方程式について様々な角度から総合的な研究を行った。研究代表者・協力者が本年度中に得た主要業績は以下のとおりである。1.研究代表者および中村周はシュレーディンガー方程式あるいは作用素について研究し、(1)自由方程式・調和振動子の初期値問題の基本解の無限遠での挙動はo(|x|^2)の摂動に関して安定であること、(2)シュレーディンガー方程式に対する散乱の波動作用素はL^P空間において連続であること、(3)非線形強制振動による時間周期的量子系のFloquet作用素のスペクトルは絶対連続であること、(4)調和振動子のある種の超線形摂動の基本解の準古典近似は共鳴時刻において、特異に発散することを示した。また、(5)スペクトルシフト関数のtrapping energyにおける準古典解析を行い、(6)磁場を含むシュレーディンガー作用素のトンネル効果の準古典的な評価を与えた。3.堤誉士雄は伝播速度の異なる連立非線形分散型方程式の初期値問題の解、あるいは強い特異摂動項をもつKorteweg-de Vries方程式の初期値問題の解の構成に成功した。4.真島秀行は代数解析的手法によってある種の多変数特殊関数に成り立つ一般的性質を導いた。5.井川満はいくつかの凸物体の外部領域における波動方程式の散乱行列の極に関する新たな知見を得た。

以上の研究の推進のため各々の専門分野に関する研究セミナーを日常的に行い、テーマをしぼった研究集会、「夏の学校」、「冬の学校」を開催し、内外の専門家・関連分野の研究者を招へいして幅広い研究交流・情報収集をおこなった。また研究分野に関連した国際研究集会に参加して研究成果の発表、研究情報の収集を行った。11年度に引き続き,自然現象や社会現象を記述する線形・非線形の常微分・偏微分方程式について様々な角度から総合的に研究を行った。研究代表者・協力者が本年度中に得た主な業績は以下のとおりである。1.研究代表者および中村周はシュレーディンガー方程式・作用素について研究し(1)ポテンシャルが無限遠でV(χ)【greater than or equal】C|χ|^<2+δ>,0<δをみたすシュレーディンガー方程式の解は基本解の特異なふるまいにも拘らず平滑化作用を持つこと,(2)そのようなポテンシャルをもつ非線形シュレーディンガー方程式の初期値問題は局所的にwell-posedであることを示した。また(3)ランダムな磁場を持つシュレーディンガー作用素の状態密度関数のLifshitz tailの指数を決定し,(4)Bargman変換による超局所解析の手法を開発し相空間におけるトンネル効果の準古典解析を指数的誤差評価つきで行った。2.儀我美一は非線形偏微分方程式の弱解のあらたな概念を導入し,ショック解などこれまで困難であった非線形偏微分方程式の解の構造の研究への道を開いた。3.堤誉志雄はアインシュタイン方程式など非線形連立波動方程式系の初期値問題と解の大域的な性質の研究を行った。4.真島秀行は合流型超幾何関数の二次的な関数関係式を代数解析的手法によって導いた。5.井川満は波動方程式のいくつかの凸物体による散乱行列の極の分布についてのより精密な結果を得た。以上の研究の推進のため,研究代表者・分担者の属する機関での定常的な研究セミナー,各専門分野におけるテーマをしぼった研究集会,「夏の学校」,「総合研究集会」を開催し,内外の研究者を招へいして情報収集を行った。また研究分野に関連した国際研究集会に参加して研究成果の発表と研究情報の収集を行った。12年度に引き続き,自然現象や社会現象を記述する様々な線形あるいは非線形の常微分方程式あるいは偏微分方程式の未解決な基本的な問題について様々な角度から総合的な研究を行った。研究代表者および研究協力者が本年度中に得た主な業績は次のとおりである。1.研究代表者および研究協力者中村周はSchrodinger方程式について研究し次の結果を得た.(1)基本解の滑らかさと無限遠での挙動を明らかにした.(2)V(x)【greater than or equal】C'|x|^<2+δ>, 0<δをみたすポテンシャルをもつSchrodinger方程式の解の平滑化作用を証明し非線形Schrodinger方程式に応用した.(3)時間周期系の局所減衰に関する漸近展開を得た.(4)相空間におけるトンネル効果の準古典解析を行った.(5)Spectre shift関数のL^p-理論を構築し,ランダムな磁場あるいはポテンシャルを持つSchrodinger作用素に対するスペクトル解析を行った.2.研究協力者儀我美一は一階の偏微分方程式の不連続解を等高面法により定式化し,不連続性を含む粘性解を数値的に計算する道をひらいた.適正粘性解の概念を導入して解の一意性,粘性消滅法による解の存在を示した.
テイラーメイド型日本人脳座標アトラスの開発

日本人脳の完全連続標本を用い、3次元的整合性と高精細組織画像を両立させた。患者脳MRI画像をもとに最適に形状変形できる次世代型の定位脳手術用ヒト脳座標デジタルアトラスにより、難治性神経疾患のテイラーメイド外科治療に対応できる日本人版の定位脳手術支援システムを構築し安心・安全・精確な定位脳手術を実現する、そしてこれをもとに脳科学統合データベースの基盤を形成する。日本人脳の外表面3D形状モデルが完成し大脳基底核などの微細構造を抽出中、また形状の普遍性を担保するため120例の健常者MRIから脳の平均化処理、有限要素解析と機会学習を用いて実時間で最適な3D変形ができるパラメータを調整している。熊本大学生命科学研究部との共同作業により,今年度で日本人脳の完全連続標本作成がほぼ完成している。これ染色後に電子化し,Neuron再構成ソフトウェア(NeurolucidaTM)を用いて脳内微小構造のトレーシングを行い,三次元再構築により全体の形状モデルを作成しているところである。さらに海馬と基底核においては、顕微鏡連動型Neurolucida装置を用いて、高倍率での顕微鏡観察に基づく詳細な組織構築をアトラス内に書き込む作業を開始している。また基底核と海馬の亜核の正確な同定のために,保存してある隣接切片に免疫組織化学染色を行った。これと平行して、淡蒼球内節内部の未知の亜核区分とその三次元的構成を見いだすために、免疫組織化学染色の最適な条件を用いる事ができるマウスの脳での検討を行った。その結果、ヒトの淡蒼球内節に相当するマウス脚内核が、(1)尾側においてパルブアルブミン陽性ニューロンが密集するCore領域と、(2)それを取り巻きながら吻側へ大きく広がるshell領域(ソマトスタチン陽性ニューロンが主体)からなることを世界で初めて見いだし、また連続切片に基づくその三次元再構築像を提示する事に成功し、第118回日本解剖学会総会において発表した。この研究内容は、そのままヒトの淡蒼球内節亜核区分の立体的構成を知る研究に直接応用できることが期待できる。以上に加えて、2例目のヒト脳組織標本作製に着手し、順調に作業を進めている。さらに九州大学システム情報科学院との共同作業により基底核周囲の局所2Dアトラスを個人のMRIを元にテイラーメイド変形するプログラムを作成中である。特に今年度は最小二乗法によるアトラス変形の結果を検証した。またその作業と平行して,正常人脳MRI(T1強調画像)を各年代別に収集し,脳表,脳室,線条体(尾状核・被殻)の輪郭を抽出し,随時3Dモデル化して形状データを蓄積している。脳深部刺激療法により、機能的定位脳手術の適応は精神疾患をはじめとした様々な疾患に広がっている。しかし現在のヒト脳アトラスには様々な問題点・不正確さがあるために直接定位脳手術に応用できず、新たな手術標的の開発には大きな危険を伴う。また前後に長い欧米人脳によるアトラスしかないため、球形に近い東洋人脳によるアトラスが必要である。本研究課題では、我々が先行研究で作成した日本人脳の完全連続標本を用い、3次元的整合性と高精細組織画像を両立させ、さらに患者MRI画像をもとに最適に形状変形できる次世代型の定位脳手術用ヒト脳座標デジタルアトラスを開発する。これにより難治性神経疾患のテイラーメイド治療に対応できる日本人版の定位脳手術支援システムを構築し、安心・安全・精確な定位脳手術を実現することを第一の目的とし、これをもとに将来的な脳科学統合データベースの基盤形成を第二の目的とする。本研究課題では,我々が先行研究で作成した日本人脳の完全連続標本を用い,3次元的整合性と高精細組織画像を両立させ,さらに患者MRI画像をもとに最適に形状変形できる次世代型の定位脳手術用ヒト脳座標デジタルアトラスを開発し,難治性神経疾患のテイラーメイド治療に対応できる日本人版の定位脳手術支援システムを構築し安心・安全・精確な定位脳手術を実現することを第一の目的とし,これをもとに将来的な脳科学統合データベースの基盤形成を第二の目的とする。日本人脳の完全連続標本を染色後電子化し,その外表面のみの3D形状モデルが完成した(熊本大学生命科学研究部との共同作業)。現在微細構造をNeuron再構成ソフトウェアでトレーシングし詳細な組織構築をアトラス内に書き込む作業を開始している。脳形状の普遍性を担保するために正常日本人脳MRI (T1強調画像)を各年代別に収集し,脳表,脳室,線条体(尾状核・被殼)の輪郭を抽出し,随時3Dモデル化して形状データを蓄積している。これと平行して、九州大学システム情報科学院との共同作業により基底核周囲の局所2Dアトラスを個人のMRIを元にテイラーメイド変形するプログラムを作成し、最小二乗法によるアトラス変形の結果を検証し、現在有限要素解析を用い3D変形を試みている。形状可変デジタル脳アトラスが完成し次第,従来の方法(SW脳図譜上の交連間線から求める古典的座標設定法,および周辺構造との関係から求める間接的座標設定法)に対し,このデジタル脳アトラスを変形させ得られたテイラーメイド・アトラスから標的座標を直接設定する方法を比較し,定位脳手術に応用し精度を検証する予定であった。計算機能力が大容量データの処理に追いつけず、さらに定位脳手術での精度の検証作業ができなくなり全体として研究にやや遅延が生じている。脳深部刺激療法(DBS)は,薬剤抵抗性の不随意運動疾患に対する強力な外科治療である.

DBSは脳図譜をもとに治療計画が立てられるが、既存の脳図譜は欧米人標本から成り、3次元的にも整合性が全くない。したがって日本人には視床・淡蒼球・視床下核に加え新たな手術標的の開発は非常に危険である。我々は先行研究で作成した日本人脳の完全連続標本を用い、3次元的整合性と高精細組織画像を両立させ、患者MRI画像をもとに最適に形状変形できる次世代型の定位脳手術用ヒト脳座標デジタルアトラスを開発した。これにより難治性神経疾患のテイラーメイド治療に対応できる日本人版の定位脳手術支援システムを構築し、安心・安全・精確な定位脳手術を実現すること、およびこれをもとに将来的な脳科学統合データベースの基盤を形成することが目的である。日本人脳データを電子化しその外表面のみの3D形状モデルが完成した。現在、脳内微細構造を輪郭抽出し、特に大脳基底核をアトラス内に書き込んでいる。脳形状の普遍性を担保するために、正常日本人脳MRIを1060歳代の各年代別に収集し、脳表・脳室・線条体の輪郭を抽出し、随時3Dモデル化して形状データを蓄積している(81.7%終了)。これと平行して基底核周囲の局所2Dアトラスを個人のMRIをもとに有限要素解析を用いテイラーメイド変形するプログラムを作成し、有限要素解析と機会学習を用い、実時間で最適な3D変形ができるようパラメータを調整している。形状可変デジタル脳アトラスが完成し次第、従来の脳図譜上の交連間線から求める古典的座標設定法に対し、このデジタル脳アトラス変形で得られたテイラーメイドアトラスから標的座標を直接設定する方法を比較し、定位脳手術に応用し精度を検証する。現在、神経解剖マッピング機能を搭載した5次元ブレインアトラスシステム・DICOMビューア開発を計画している。日本人脳の完全連続標本を用い、3次元的整合性と高精細組織画像を両立させた。患者脳MRI画像をもとに最適に形状変形できる次世代型の定位脳手術用ヒト脳座標デジタルアトラスにより、難治性神経疾患のテイラーメイド外科治療に対応できる日本人版の定位脳手術支援システムを構築し安心・安全・精確な定位脳手術を実現する、そしてこれをもとに脳科学統合データベースの基盤を形成する。日本人脳の外表面3D形状モデルが完成し大脳基底核などの微細構造を抽出中、また形状の普遍性を担保するため120例の健常者MRIから脳の平均化処理、有限要素解析と機会学習を用いて実時間で最適な3D変形ができるパラメータを調整している。当初計画では、脳座標アトラスの変形処理方法を最小二乗法から有限要素解析による変形処理へ、さらに2Dから3Dへと拡張し、2015年1月のアジア定位機能神経外科学会に発表する予定であった。しかし有限要素解析を導入するにあたり、計算機の処理能力が大容量データの処理に追いつかず、そのために定位脳手術での精度の検証作業ができなくなり全体として研究にやや遅延が生じている。27年度が最終年度であるため、記入しない。脳神経外科学現在、脳座標アトラスの変形処理におけるアルゴリズムを大幅に変更し、3D計算の処理スピードを上げているところである。また手術による検証を代替する方法として、過去の手術データからMRIでの神経核の生理学的同定と本アトラスによる計算結果との検証に用いる方法を検討中である。日本人脳の完全連続標本作成の1体目がほぼ完成し,2体目の作成にとりかかり始めた。
マウス発達障害モデルを用いた生物学的マーカーの探索

本研究では、マウスの行動表現型を多面的に評価する行動解析テストバッテリーを用いてヒト発達障害患者の病態に即した動物モデルの開発を行うとともに、発達障害モデルに特有の生理学的・生化学的マーカーの探索を試みることを目的としている。平成30年度は、平成29年度に引き続き多面的病態評価システムを用いた発達障害モデルマウスの開発を行うとともに、発達障害モデル候補マウスの血液生化学検査を実施した。平成29年度に多角的な行動テストバッテリーを実施した系統のうち、Crawley's socialinteractiontest (CSI)で社会性の低下がみられた系統のうち、Shank2 KO変異体とNlgn3 KO変異体について、血算検査(16週齢時)、血液生化学検査(18週齢時)を実施し、解析を行った。解析の結果、Shank2 KO変異体のオスではヘマトクリット、ヘモグロビン、好中球、赤血球数、トリグリセライドの値がワイルドタイプと比較して有意に低く、移動活動量との間に負の相関がみられた。しかし、雌では移動距離と相関を示したパラメータはみられなかった。Nlgn3 KO変異体ではメスのホモでアルカリフォスフォターゼ、アミラーゼの値が低く、移動活動量と負の相関を示した。また、グルコースの値がメスのホモではワイルドと比較して高く、移動活動量と正の相関を示した。しかし、雄では移動距離との相関を示したパラメータはみられなかった。これらの結果から、Shank2変異体、Nlgn3変異体のいずれにおいても活動量と相関を示す生化学的指標が見いだされたが、系統間で共通した傾向を示すような指標は見出すことができなかった。今後、他の発達障害モデル候補系統のマウスについても同様の解析を行い、複数の系統に共通するような行動的、生化学的データを見出して生物学的マーカーとしての検討を行っていく必要がある。平成29年度は多面的病態評価システムを用いた発達障害モデルマウスの開発を行うことを目的としていた。発達障害モデルマウスの開発に関しては、遺伝変異マウスに行動解析テストバッテリーを用いた網羅的解析を実施したところ、多動、社会性の低下、学習障害など、人の発達障害患者と共通した表現型を示すマウス系統が見出された。これらの系統は有力な発達障害モデル候補と考えられる。モデルマウスの開発に関してはおおむね順調に研究は進展していると考えられる。平成30年度は、本研究によって開発された新たな発達障害モデルマウス、および既存の精神疾患モデルマウスに対し、テレメトリーシステムを用いた生理指標の継時的スクリーニングを行い、行動的、生理学的表現型の解析と新たな生物学的マーカーの探索を行うことを目的としていた。平成29年度中にテレメトリーシステム用機器を購入して予備的実験を行う計画であったが、購入を予定していたモデルの開発がメーカー側の都合で中断しており当初計画の通りに購入することが困難になった。そのため購入機器を新たに選定しなおして平成30年度に送信機を購入した。また、テレメトリーシステムの購入が遅れていたため、平成31年度に実施予定であった血液生化学検査を一部前倒しで実施した。今後の推進方策としては、平成29、30年度に引き続き行動テストバッテリーを用いた発達障害モデル動物の開発を行う。また、本研究によって開発された新たな発達障害モデルマウス、および既存の精神疾患モデルマウスに対し、テレメトリーシステムを用いた生理指標の継時的スクリーニングを行い、行動的、生理学的表現型の解析と新たな生物学的マーカーの探索を行う予定である。発達障害患者のうち、ASD患者では感覚神経や自律神経系の異常、ADHD患者では発達性協調運動障害といった運動神経の異常や睡眠障害など多様な随伴症状がみられる。また、ASD患者において事象関連電位p300に異常がみられたとの報告もある。そこで、発達障害の特徴と共通する行動表現型が見られたマウス系統およびポジティブコントロールとして既存の精神疾患モデルマウスに対し、テレメトリーシステムを用いて深部体温などの生理学的マーカーの継時的解析を行う。小型テレメトリーシステムを用いることで行動テスト実施中や実施直後などの生理学的指標を測定することが可能になるため、ストレス負荷下での生理学的指標の継時的変化など、より詳細なデータを収集することができ可能になる。これにより発達障害の新たな生物学的マーカーの発見が期待される本研究では、マウスの行動表現型を多面的に評価する行動解析テストバッテリーを用いてヒト発達障害患者の病態に即した動物モデルの開発を行うとともに、発達障害モデルに特有の生理学的・生化学的マーカーの探索を試みることを目的としている。その結果、OFでは3系統すべてで高活動が見られたが、HAではNlgn3 KOは高活動を示さなかった。また、CSIではGrin1とShank2 KOでは社会性の低下がみられたが、Nlgn3では低下がみられなかった。このように、網羅的行動テストバッテリーを用いた解析によって各系統それぞれに多面的な表現型が認められたことから、発達障害モデル動物候補として有望であると考えられる。

しかし、平成29年度中に購入予定であったテレメトリーシステムについて、購入予定のモデルについてメーカーの開発が遅れたため当初予定通りの購入が困難になった。そのため平成29年度の使用額の一部を次年度使用額として繰り越し、購入機器を新たに選定しなおすこととした。また、テレメトリーシステムを用いた測定についての予備実験を平成29年度中に行う予定であったが、機器の購入が遅れているため未実施である。本研究では、マウスの行動表現型を多面的に評価する行動解析テストバッテリーを用いてヒト発達障害患者の病態に即した動物モデルの開発を行うとともに、発達障害モデルに特有の生理学的・生化学的マーカーの探索を試みることを目的としている。平成30年度は、平成29年度に引き続き多面的病態評価システムを用いた発達障害モデルマウスの開発を行うとともに、発達障害モデル候補マウスの血液生化学検査を実施した。平成29年度に多角的な行動テストバッテリーを実施した系統のうち、Crawley's socialinteractiontest (CSI)で社会性の低下がみられた系統のうち、Shank2 KO変異体とNlgn3 KO変異体について、血算検査(16週齢時)、血液生化学検査(18週齢時)を実施し、解析を行った。解析の結果、Shank2 KO変異体のオスではヘマトクリット、ヘモグロビン、好中球、赤血球数、トリグリセライドの値がワイルドタイプと比較して有意に低く、移動活動量との間に負の相関がみられた。しかし、雌では移動距離と相関を示したパラメータはみられなかった。Nlgn3 KO変異体ではメスのホモでアルカリフォスフォターゼ、アミラーゼの値が低く、移動活動量と負の相関を示した。また、グルコースの値がメスのホモではワイルドと比較して高く、移動活動量と正の相関を示した。しかし、雄では移動距離との相関を示したパラメータはみられなかった。これらの結果から、Shank2変異体、Nlgn3変異体のいずれにおいても活動量と相関を示す生化学的指標が見いだされたが、系統間で共通した傾向を示すような指標は見出すことができなかった。今後、他の発達障害モデル候補系統のマウスについても同様の解析を行い、複数の系統に共通するような行動的、生化学的データを見出して生物学的マーカーとしての検討を行っていく必要がある。平成29年度は多面的病態評価システムを用いた発達障害モデルマウスの開発を行うことを目的としていた。発達障害モデルマウスの開発に関しては、遺伝変異マウスに行動解析テストバッテリーを用いた網羅的解析を実施したところ、多動、社会性の低下、学習障害など、人の発達障害患者と共通した表現型を示すマウス系統が見出された。これらの系統は有力な発達障害モデル候補と考えられる。モデルマウスの開発に関してはおおむね順調に研究は進展していると考えられる。
マイクロ流路を用いた好中球遊走能解析による新たな感染マーカー開発と熱傷への応用

重症熱傷において二次的敗血症の罹患は救命率を大きく左右するが、重症熱傷による侵襲から容易にSIRSをきたすことからその早期診断は現在でも容易ではない。我々は、好中球の自発的な遊走能(Spontaneous Neutrophil Motility; SNM)をマイクロ流路を用いて評価するシステムを構築し、それが救急患者における敗血症早期診断のための新規バイオマーカー足り得る可能性を見出した。本研究では重症熱傷患者においてマイクロ流路を用いたSNMの測定が二次的敗血症の早期診断の新規バイオマーカー足り得るかを調査することで、重症熱傷患者の敗血症治療における適切な治療介入と救命率の向上を目的とする。
人工肝臓に用いる形質転換ブタの生産

われわれ東京大学医学部人工臓器移植外科は、重症肝不全患者の治療法を開発する目的で、ブタ肝臓を用いた人工肝臓システムの開発や、血液透析濾過、血漿交換などの血液浄化療法の研究を行ってきた。しかし、ブタ肝臓には、異種への心理的抵抗などの問題があり、血漿交換には、医療資源の供給量の限界の問題がある。したがって、現時点では、血液透析濾過と、アルブミンや凝固因子などの有用ヒトタンパク投与を合わせた血液浄化療法が、最も実用的な治療法と考えられる。そのためには、有用ヒトタンパクの経済的医療資源的コストを下げることが重要な課題となるが、その方法としては有用ヒトタンパクを産生する形質転換ブタを作出することにより、異種疫学的、医療資源的問題がなく、安価で保存の効く肝不全の治療法を開発することが一つの将来性ある戦略である。そこで、ヒト血清アルブミン遺伝子とクラゲの発光遺伝子EGFPを連結した遺伝子pCX-HSA-EGFPを構築し、明治大学農学部生殖工学研究室との共同研究により、東京大学農学部付属牧場において、精子ベクター法を用いてこの遺伝子を導入した形質転換ブタの作出を試みてきた。平成1517年にかけて、東京大学農学部付属牧場及び明治大学附属養豚場において、蛍光により明瞭な発光を示す形質転換ブタの産仔が産まれ、皮膚及び全身臓器の遺伝子解析により、ヒト血清アルブミンとEGFPの遺伝子の導入と発現が認められた。その後、その形質転換ブタの体細胞から核移植胞により12匹のクローンブタを生産することに成功した。しかし、いずれも2週間以内の短命であったため、EGFPを入れず、ヒト血清アルブミンのプロモーターとcDNAを連結した導入用遺伝子を現在構築中である。このような形質転換ブタの系を樹立すれば、ブタの血漿分画製剤として安価に大量のヒトアルブミンが生産できる可能性がある。ヒト血清アルブミンを産生する形質転換ブタを作出する目的で、全身臓器発現性プロモーター、ヒト血清アルブミン遺伝子、そして、クラゲの発光遺伝子EGFPを連結した連結遺伝子pCX-HSA-EGFPの構築を行った。そして、東京大学農学部付属牧場において、精子ベクター法を用いてこの遺伝子を導入した形質転換ブタの作出を試みた。これは、これにin vitroにおいて導入用遺伝子と共培養したブタ精子をマイクロインジェクション法によりブタの未受精卵に注入して受精させ、受精と同時に遺伝子を導入した上で、得られた受精卵を仮親のブタ子宮に移植する方法である。その結果、平成15年、最初の産仔が産まれ、死産ではあったが、蛍光により明瞭な発光を示す形質転換ブタであることが判明した。このブタから皮膚及び全身各臓器からサンプルを採取して、遺伝子解析を行ったところ、ヒト血清アルブミンとEGFPの両方について、PCRにより遺伝子の導入が、RT-PCRにより遺伝子の発現がそれぞれ全身臓器において認められた。さらに、リアルタイムRT-PCRにより、各臓器の遺伝子発現量を解析したところ、ヒト血清アルブミンの発現量は、大動脈、肺、肝臓、子宮、皮膚、右前肢の筋肉、蹄、左前肢の筋肉、卵巣の順に発現量が高かった。この形質転換ブタ作出の意義は、異種タンパクを自らの血中へ分泌するブタ胚が個体発生し、出生に至るまで育ったことである。また、ヒト有用物質を生産する動物バイオリアクターとして形質転換ブタを開発する具体的な展望ができた。人工肝臓の場合、導入遺伝子が肝臓で発現しているかどうかが重要であるが、今回の例では、他臓器と比較して、肝臓におけるヒトアルブミン遺伝子の十分な発現が認められた。

ヒト血清アルブミンを産生する形質転換ブタを作出する目的で、全身臓器発現性プロモーター、ヒト血清アルブミン遺伝子、そして、クラゲの発光遺伝子EGFPを連結した連結遺伝子pCX-HSA-EGFPの構築を行った。そして、東京大学農学部付属牧場および明治大学農学部附属農場において、精子ベクター法を用いてこの遺伝子を導入した形質転換ブタの作出を試みた。これは、in vitroにおいて導入用遺伝子と共培養したブタ精子をマイクロインジェクション法によりブタの未受精卵に注入して受精させ、受精と同時に遺伝子を導入した上で、得られた受精卵を仮親のブタ子宮に移植する方法である。昨年度、蛍光により発光を示す形質転換ブタの産仔が2匹産まれ、全身臓器の遺伝子的検索により、ヒト血清アルブミンの導入と発現が認められた。今年度は、このブタから採取して冷凍保存した体細胞(繊維芽細胞)をドナーとして、核移植技術により、ヒト血清アルブミン遺伝子が導入された形質転換ブタのクローン・ブタを多数生産した。しかし、どのブタも非常に短命であり、生後1週間前後で死亡した。そこで、EGFPを除いたpCX-HASを導入遺伝子として、形質転換ブタ生産を試みている。このような形質転換ブタの系を樹立すれば、ブタの血漿分画製剤として安価に大量のヒトアルブミンが生産できる可能性がある。われわれ東京大学医学部人工臓器移植外科は、重症肝不全患者の治療法を開発する目的で、ブタ肝臓を用いた人工肝臓システムの開発や、血液透析濾過、血漿交換などの血液浄化療法の研究を行ってきた。しかし、ブタ肝臓には、異種への心理的抵抗などの問題があり、血漿交換には、医療資源の供給量の限界の問題がある。したがって、現時点では、血液透析濾過と、アルブミンや凝固因子などの有用ヒトタンパク投与を合わせた血液浄化療法が、最も実用的な治療法と考えられる。そのためには、有用ヒトタンパクの経済的医療資源的コストを下げることが重要な課題となるが、その方法としては有用ヒトタンパクを産生する形質転換ブタを作出することにより、異種疫学的、医療資源的問題がなく、安価で保存の効く肝不全の治療法を開発することが一つの将来性ある戦略である。そこで、ヒト血清アルブミン遺伝子とクラゲの発光遺伝子EGFPを連結した遺伝子pCX-HSA-EGFPを構築し、明治大学農学部生殖工学研究室との共同研究により、東京大学農学部付属牧場において、精子ベクター法を用いてこの遺伝子を導入した形質転換ブタの作出を試みてきた。平成1517年にかけて、東京大学農学部付属牧場及び明治大学附属養豚場において、蛍光により明瞭な発光を示す形質転換ブタの産仔が産まれ、皮膚及び全身臓器の遺伝子解析により、ヒト血清アルブミンとEGFPの遺伝子の導入と発現が認められた。その後、その形質転換ブタの体細胞から核移植胞により12匹のクローンブタを生産することに成功した。しかし、いずれも2週間以内の短命であったため、EGFPを入れず、ヒト血清アルブミンのプロモーターとcDNAを連結した導入用遺伝子を現在構築中である。
半導体における遠赤外(THz)発光の検出とスペクトル測定

半導体にフェムト秒レーザーパルスを照射すると、表面近傍に生成された電子・正孔対が表面電場により分離、加速されδ関数的に時間変化する双極子が発生される。この双極子による放射がTHz領域に観測される。このような機構による放射の発生は表面近傍に電子、正孔対が発生する場合に限られるはずである。しかし、申請者はシリコンにおいてもTHz放射が観測されることを発見した。この場合、間接エネルギーギャップのために電子正孔対は結晶内部にまで生成され、表面近傍に作られる割合は極めて少ないと考えられる。本課題では、高純度試料を購入、測定用光学系を製作し、シリコンの場合のTHz放射がどのような発生機構によるのか、砒化ガリウムの場合と比較しながら測定を行った。強磁場中に置いた砒化ガリウム単結晶表面に垂直にフェムト秒レーザーパルスを照射、発生したTHz放射を観測した。このような状況での放射に関して最近提案されたスラブモデルによる理論的考察との比較を試みた。次に、10K程度に冷却した高純度シリコン単結晶に1.5eVのレーザー光を照射し、発生したTHz放射のスペクトルを測定した。この場合のTHz放射の原因について以下の3種類の機構を考え、検討を行っている。(1)レーザー照射による温度上昇、(2)電子系のみの温度上昇、(3)キャリアー濃度の上昇による反射率の変化。液体窒素温度以下に冷却した半導体結晶表面に数百Hzでチョップした800nmの連続レーザー光をあてるとTHz発光が見られる。THz領域の光は数ミリeVという低い光子エネルギーを持つ事から、この発光は半導体中の浅い電子中心からの発光か、またはレーザー光で温度が高くなった電子系による黒体輻射のどちらかと予想される。このことを明らかにするために、今年度はTHz放射の検出システムを製作し、測定を行っている。測定系:励起光源はアルゴンレーザーまたはアルゴンレーザー励起Ti-サファイアレーザーで、出力は200ミリワットから1ワット程度である。黒体輻射による放射は電場加速によるTHz放射と違って短波長側にまでスペクトル領域が広がっていることが予想されるので、波長10μm程度まで検出可能な系を製作した。手持ちのクライオスタットを改造し、試料を液体ヘリウム温度にまで冷却できるようにした。ビームスプリッターを購入し、手持ちの干渉計の測定可能波長領域を広げる事ができた。試料:浅い電子捕獲中心が有効に作り出されるため、又は黒体輻射を出せるように電子系だけが格子系に比べて高い温度を保てるようにするためは高純度試料を用いなければならない。今年度はSi(高純度、欠陥濃度が低い)単結晶のみ入手できたので、この試料を用いて測定を行っている。これまで、遠赤外に相当する0.3THz2THz領域において放射を検出し、放射方向の角度依存性を測る事ができた。その結果はホットエレクトロンによる黒体放射の可能性を示唆している。
細胞の機能特性を制御するゲノム情報の網羅的解析

ショウジョウバエのホメオボックス遺伝子dveは、腸管の吸収機能特性を制御している。銅イオンをキレートしたポルフィリン系化合物等を吸収する性質からcopper cellと命名されている腸管細胞があり、この細胞は酸を分泌することによって消化の促進にも関与している。吸収活性は蛍光シグナルとして、酸分泌能はpH指示薬の変色として可視化することができるため、機能解析の優れたモデル系となる。この細胞が吸収機能を獲得するためには、dve遺伝子の一過性発現が必要である。つまり、dve遺伝子の発現が抑制されるべき時期に強制的にdve遺伝子を発現させると、形態的な異常を伴うことなく、吸収特性のみが阻害される。このように、吸収機能特性のみが選択的に阻害された個体群と対照群との間で、発現の変化する遺伝子群(吸収機能制御に関わる遺伝子群)を網羅的に検索し、機能特性制御のメカニズムを解析する。吸収機能の選択的阻害の条件として、copper cellの示すもう1つの機能である酸分泌能に関して検討を加えた。昨年度、吸収機能を選択的に阻害できる系統として同定していた2系統のうち1系統は、酸分泌能も強く阻害してしまうことが明らかとなった。再スクリーニングの結果、形態に及ぼす影響が比較的少なく、酸分泌能も正常だが、吸収機能を阻害できる系統として、最終的にNP3538,NP3012の2系統を同定することができた。control幼虫とdve発現幼虫の間で、発現量に差のある遺伝子群を比較するため、約1,500匹の1齢幼虫を集め、幼虫全体から調製したmRNAサンプルを用いて、RT-PCR法によってdve発現量の顕著な増加を確認することができた。
世紀転換期ドイツにおけるライヒ・ラント・ゲマインデの財政的役割と租税配分

連邦制国家ドイツにおいて国民経済が形成され、成熟していく過程で、ライヒ・ラント・ゲマインデという各レヴェルの政府がそれぞれ国民経済・地域経済とのどのような相互関係において租税を選択したのかを明らかにするという本研究の目的に即して、本年度においては主に以下の2点に関して研究を進めた。1.第二帝政期からヴアイマ-ル期にかけての工業化・都市化に伴う都市ゲマインデの行財政構造の変化を、都市の社会構造や政治制度の変化との関連において考察した。特にこの問題に関しては近年ドイツの行政史・都市史研究のなかで論議を呼んでいるところの「給付行政」Leistungsverwaltungという概念に注目し、これをめぐる論点の整理を行うとともに、この概念を地方財政史研究・租税史研究に導入しうる可能性を探った。その結果、「給付行政」概念が示唆するところの論点-例えば都市インフラ整備に際しての費用負担原則の確立、対人的給付政策に対応する租税負担原則の確立、「給付行政」がヴアイマ-ル期にライヒ・ラントによって制度化されるに伴っての諸変化、など-を援用しつつ、私のこれまでの研究成果をとりまとめていく方向性を掴んだ。2.ミ-ケルの改革以前の各ラントにおけるゲマインデ税制・土地税制史、および土地税制と密接な関係を持つ土地所有制の変化や農村保守層の動向を検討した。これに関してはマイツェンのプロイセン土地所有関係史やドイツ社会政策学会の地方財政調査などを手がかりに研究を進めるとともに、近年増加しているドイツ諸地域における土地所有と利益政治に関する個別的研究の動向も踏まえるよう努めた。この点については、特に1.の研究テーマとの関連で、都市と農村との行財政構造・社会構造の相違がミ-ケルの改革やヴアイマ-ル期の財政改革に見られる画一的制度化・平準化によってどう解消されていったのか、今後なお研究を深めていく必要がある。
虚血性脳血管障害の発症予防に関する研究-無症候性脳梗塞の意義と対策-

本研究は無症候性脳梗塞・PVH・DSWMHの経時的経過、脳梗塞危険因子との関係、遺伝子との関係、血小板凝集能亢進と血小板薬の効果判定、高血圧と降圧薬の効果判定を目的とした。東海大学病院神経内科関連病院通院中の無症候性脳虚血病変患者117例(男性67名、女性50名で、平均年齢67±11歳)を登録し、5年間の経過観察を行った。MRI所見の経時的変化であるが、1)血管周囲腔は5年間で有意な増悪を認めた。2)PVH、DSWMHは個別に検討すると5年間で有意な変化はなかったが、PVH+DSWMHのスコアを合算すると2,3,4,5年後で開始時と比較して有意に悪化していた。3)脳梗塞巣を大きさ別に検討すると、3<5mm未満の梗塞、5-10mmおよび梗塞巣個数全体は、登録時と比較して1-5年後に有意にその数が増加した。背景別の検討では、1)65歳未満群と比較して65歳以上群では、3-4年後の脳梗塞巣の数は有意な悪化を認めた。2)高血圧無し群と比較して有り群では、開始時のDSWMHおよびPVH+DSWMHで有意な悪化を認めた。また、降圧薬併用なし群と比較して有り群では、開始時のDSWMHの有意な悪化を認めた。3)高コレステロール血症の有無でMRI所見を比較すると、2群問で有意差は見られなかった。HDL値正常ないし高値群と比較してHDL低値群では、1年・5年後の脳梗塞の個数に有意な悪化を認めた。また中性脂肪値正常群と比較して異常群では、3年後のPVHと3年後のPVH+DSWMHの有意な悪化を認めた。高脂血症薬併用有無によるMRI所見の比較では、2群間でMRI所見の有意差は見られなかった。4)空腹時血糖値正常群と比較して異常群では、1年後のPVHの有意な悪化を認めた。5)抗血小板薬併用なし群と比較して有り群では、3-5年後の脳梗塞の個数が有意に減少していた。MRIの普及により無症侯性脳梗塞、無症候のMRI上の脳室周囲病変(PVH)および深部皮質下白質病変(DSWMH)が高齢者や高血圧者に高頻度にみられる事が明らかとなり、かつ年齢などを十分考慮してもこの病変を持つ者は将来高頻度に脳梗塞を生じる事が明らかとなった(難波・篠原:脳卒中、1997、Shinohara et al. : World Congress of Neurology 2001)。平成11年度から3年間、厚生科学研究費補助金を受け『本邦における無症候性脳梗塞の実態・予防の必要性とその予後に関する研究』を行ったが、本研究ではその研究をさらに進め、脳梗塞の予知因子となる可能性を持った無症候性脳梗塞、PVH、DSWMHの経時的経過、脳梗塞危険因子との関係、遺伝子との関係、血小板凝集能亢進と血小板薬の効果判定、高血圧と降圧薬の効果、および最適の血圧値の設定などの検討を目的とした。平成15年度は無症候性脳虚血病変患者を登録し、本研究の基礎的dataを得る事を主として行った。

今年は東海大学病院神経内科、東海大学大磯病院神経内科、東日本循環器病院、ハイメディック山中湖に通院中の104例を登録した。患者背景を見ると、男性57名、女性47名で、平均年齢67±10歳(mean±SD)やあった。登録患者の75%は局所神経徴候や血管性痴呆がなく、一過性脳虚血発作を含む脳卒中の既往が無く、画像上でのみ病巣が確認された"無症候性脳血管障害"であり、残りの25%は症候性の脳血管障害の既往があるが、巣症状を示さない病巣を併存する"無症候性脳血管性病巣"を有する患者であった。危険因子としては高血圧が最も多く、次いで高脂血症、糖尿病頚動脈病変の順であった。登録時の血圧は、収縮期血圧134±12mmHg、拡張期血圧76±7mmgであった。登録時の臨床検査値は、血清総コレステロール207±26mg/dL、中性脂肪129±66mg/dL、血糖105±14mg/dL、HDL-コレステロール63±18mg/dLであった。さらに40例のみの解析結果ではあるが、ホモシステイン値11±3μmol/L、Lp(a)17±24mg/dL、血小板第XII因子活性74±27%、Flow cytometry法によるfibrinogen receptor PAC-1は33.1±20.2、CD-62p(p-selectin)は7.9±10.1であった。さらにApoE遺伝子のタイプ分けを見ると、3/3が72%、3/4が28%であった。α-1-Antichymotrypsin gene A1252G variant (ACT Isehara 1)は全例がwild typeであった。今後3年間の臨床検査値の推移とMRI所見の変化を検討してゆく予定である。本研究は平成11-13年度の厚生科学研究『本邦における無症候性脳梗塞の実態・予防の必要性とその予後に関する研究』をさらに進め、脳梗塞の予知因子となる可能性を持った無症候性脳梗塞・PVH・DSWMHの経時的経過、脳梗塞危険因子との関係、遺伝子との関係、血小板凝集能亢進と血小板薬の効果判定、高血圧と降圧薬の効果判定を目的とした。平成16年度までに東海大学病院神経内科、東海大学大磯病院神経内科、東日本循環器病院、ハイメディック山中湖に通院中の無症候性脳虚血病変患者118例を登録し、その後2年目に95名、3年目に56名の経過観察を行った。登録時の患者背景を見ると、男性68名、女性50名で、平均年齢67±10歳であった。登録患者の76%は"無症候性脳血管障害"であり、24%は症候性脳血管障害の既往がある"無症候性脳血管性病巣"患者であった。登録時の血圧は、収縮期血圧134±12mmHg、拡張期血圧76±7mmHgであり、臨床検査値は、血清総コレステロール206±33mg/dL(2年目:203±35、3年目:200±37)、中性脂肪125±67mg/dL(2年目:123±71、3年目:120±51)、血糖106±28mg/dL(2年目:115±40、3年目:108±24)、HDL-コレステロール55±21mg/dL(2年目:54±17、3年目:53±19)であり、観察期間中に有意な変動を認めなかった。さらに51例のみの解析結果ではあるが、ホモシステイン値は12±4μmol/L、Lp(a)は18±20mg/dL、血小板第XII因子活性は91±22%であった。血小板凝集能は観察中の有意な変動はなく、PAC-1は登録時30.7±18.8%、CD-62pは6.8±6.2%で、観察中の有意な変動はなかった。さらにApoE遺伝子のタイプ分けの検討(51例)では、2/3:2例、2/4:1例、3/3:39例、3/4:8例、4/4:1例であった。α-1-Antichymotrypsin gene A1252G variantは50例がwild type、1例がheteroであった。次年度は最終解析を予定しており、臨床検査値の推移とMRI所見の変化を総合的に検討する。
初期発生におけるＡｃ／Ｎ－ｅｎｄ　ｒｕｌｅの果たす役割について

マウスES細胞で発現している種々の未分化因子について、Ac/N-end ruleに適合するか否かによってタンパクの安定性が変化するかどうかを、Ac/N-end rule経路の主要アセチル化酵素であるNaa10をノックアウトしたマウスES細胞にてcycloheximide chaseによって検証した。残念ながら、明確に安定性が増すような因子を同定することはできなかった。一方で、Naa10を欠失させたマウスES細胞は、Naive状態からの分化モデルにおいて原始内胚葉への分化が亢進していることを見出した。よって、当初の仮説とは異なり、Naa10は未分化因子の安定性には関与していないが、何らかの他のメカニズムによってNaive状態からの分化に関与していることが示された。そこで、公開されているNaa10ノックアウトマウスES細胞のRNA sequencingデータを用いて、Pathway解析を行い、機能的に亢進している可能性のある経路を割り出したところ、Focal adhesion経路やMAPK経路などが抽出された。FGF4/MAPK経路は原始内胚葉分化に重要な役割を果たすことが明らかにされていることから、同経路の解析をNaa10ノックアウトマウスES細胞において行った。結果、Naa10ノックアウトマウスES細胞では、内在性MAPK経路が亢進しており、そのために原始内胚葉への分化偏向を生じていることが明らかとなった。よって、Naa10は当初の仮説のように未分化因子のバランスへの影響を介してではなく、何らかのメカニズムでFGF4/MAPK経路を修飾することでマウスES細胞の分化に関与することがわかった。翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。
電極絶対電位制御によるMINIM接合の電子伝達特性スイッチング

1.機能性単分子膜の調製:原子レベルで平滑な金属蒸着膜を用い、長鎖アルカン、長鎖芳香族チオール分子の自己組織膜の形成法を検討した。良好なトンネル障壁特性を有する単分子層の形成法を確立するとともに分子鎖長とトンネル透過特性との相関を検討した。2.粒径数nmの金属・半導体ナノクラスターの調整:液相中において粒径、結晶系の制御された金属あるいは化合物半導体クラスターの調製法を確立した。特に金クラスターについては新しい光化学反応による無電解メッキ法を開発しナノサイズでの構造制御を可能とした。3. MINIM接合形成と電子伝達特性の評価:上記手法を組み合わせ各構成単位によってMINIM接合を形成し、その電位ー電流曲線の測定を行った。微弱電流の測定技術を確立すると同時に接合の等価回路解析を行った。4.電気化学STMによる接合の溶液内観察:上記の手法に従い調製された自己組織化膜/金属ナノクラスター接合を溶液内で形成し、電気化学STMによる構造評価を試みた。特に新しいトンネル分光法として走査型トンネル顕微鏡の探針の位置を変化させる手法を開発し、接合の特性評価を行った。上記の検討によりナノデバイス形成に必須の溶液内での金属超微結晶の構造制御とその表面での有機分子配列制御のための基本的な知見が得られた。ナノ微結晶/配列有機分子複合系を用い、金属/有機単分子膜/導電性ナノクラスター/有機単分子膜/金属電極構造から成るMINIM接合を形成し単電子電子伝達制御のための基本的技術を確立した。
作物のミネラル輸送システムの統合解析

独自な膜小胞アッセイ法を用いて、幾つかミネラル輸送体の輸送基質を同定した。イネのアルミニウム耐性に関わる転写因子ART2を同定した。ART2を破壊すると、イネのアルミニウム耐性が低下したが、そのアルミニウム耐性への寄与はART1ほど大きくなかった。またART2はART1による制御を受けず、下流に異なる遺伝子を制御していた。オオムギのアルミニウム耐性遺伝子HvAACT1の発現制御機構を調べたところ、上流に少なくとも15.5kbの挿入が関与していることが分かった。またこの挿入の脱メチル化が遺伝子発現の向上に関与することを突き止めた。さらにアルミニウム耐性遺伝子OsFRDL4の発現制御に転写因子WRKY 22が関与することを突き止めた。輸送体遺伝子OsNIP1;1とOsNIP3;3をイネに過剰発現させると、イネのヒ素集積が大幅に低下した。また節で発現するABCC1遺伝子を特異的なプロモーター制御下に発現させると、種子中のヒ素濃度が有意に減少した。ソバからアルミニウム耐性に関わる輸送体遺伝子FeSTAR1とFeSTAR2を同定した。両遺伝によってコードされたタンパク質は複合体を形成し、ABC輸送体として機能することを明らかにした。作物のミネラル輸送体(ケイ酸輸送体、カドミウム輸送体、亜鉛輸送体、アニオン性小分子輸送体)の昆虫細胞を用いた大量発現・精製・結晶化と機能解析を行った。ケイ酸輸送体は昨年度に得られた結晶の条件を改善してX線結晶構造解析により立体構造を決定できた。得られた結晶構造からケイ酸輸送に関わる構造基盤を変異導入と機能解析によって明らかにした。重原子輸送体とアニオン性小分子輸送体について結晶化に十分な量と純度の試料を得ることができた。去年度までに完成させたミネラルの輸送に関する細胞スケールの3次元モデルと作物全体スケールのモデルを融合させ、ハイブリッドスケールモデルを開発した。当初の予定より多くの輸送体の同定ができた。またケイ酸輸送体の結晶化に成功し、その構造を解くことができた。引き続き共同研究者と有機的に連携して、植物ミネラル輸送体の同定、結晶構造解析と輸送モデルの構築を行う。イネからミネラル輸送に関与する遺伝子を幾つか同定した。そのうちの一つは、節で高発現する新規リン輸送体SPDTで、肥大維管束と分散維管束の木部柔細胞の細胞膜に局在していた。この遺伝子を破壊すると、リンの吸収への影響はほとんどなかったが、新葉や種子へのリンの分配が減少した。その結果、種子中のリン濃度、特にフィチン酸の濃度が野生型イネと比べ、20-30%減少した。そのほか、種子への銅の集積に関与する輸送体OsHMA4,種子への鉄の分配に関与するクエン酸輸送体OsFRDL1などを同定し、その機能を解明した。またソバからアルミニウムの無毒化に関与する遺伝子IREG1を同定した。IREG1は液胞膜に局在し、その発現量はアルミニウムによって特異的に誘導された。シロイヌナズナで過剰発現させると、アルミニウム耐性が改善された。さらに、輸送体遺伝子の発現調節機構に関して、イネの地上部のケイ素集積がケイ酸輸送体遺伝子の発現調節に重要であることを示した。またアルミニウム耐性に関わるクエン酸輸送体遺伝子OsFRDL4の発現調節には、プロモーター上のレトロトランスポゾン様配列の挿入が関わっていることを突き止めた。導入したLA-ICP-MSを活用して、植物組織、特にイネの節でのミネラルの分布を観察する方法を確立した。輸送体の結晶構造解析に関して、ケイ酸輸送体Lsi1とマンガン輸送体Nramp5の大量発現、精製する系を確立し、結晶化に着手した。1Lの培養から1mgの精製Lsi1が得られた。数理モデルの開発に関しては、様々な因子を考慮に入れたケイ素の植物体全体における動態数理モデルを構築した。また根におけるミネラル輸送を3次元でシミュレートするモデルを開発した。NatureやNature Communicationsなどに発表し、当初計画より着実に成果を上げている。イネのホウ素の優先的分配に関与する輸送体OsNIP3;1を同定した。またこの輸送体は環境中のホウ素濃度に応じて遺伝子レベルとタンパク質レベルで応答することを突き止めた。マグネシウム輸送体OsMGT1が耐塩性の調節に重要であることを明らかにした。この遺伝子を破壊すると、イネの耐塩性が大きく低下した。またマグネシウムはイネの耐塩性に関わる主要な輸送体OsHKT1;5の輸送活性を高めることを明らかにした。ケイ素がカドミウム吸収に関わる輸送体遺伝子OsNramp5と転流に関わる輸送体遺伝子OsHMA2の発現を低下させることによって、カドミウムの集積を減少させることを明らかにした。ソバのアルミニウム耐性に関わる遺伝子FeALS1.1、FeALS1.2とFeMATE1、FeMATE2の機能解析を行った。FeALS1.1とFeALS1.2とも液胞膜に局在していた。またFeALS1.1の発現がアルミニウムによって誘導されたのに対して、FeALS1.2はアルミニウムによって誘導されなかった。一方、FeMATE1とFeMATE2は共にクエン酸の輸送活性を示したが、FeMATE1が細胞膜に局在していたのに対して、FeMATE2はゴルジとトランスゴルジに局在していた。またFeMATE1とFeMATE2は共にシロイヌナズナ変異体atmate1のアルミニウム耐性を相補したが、FeMATE1のみクエン酸の分泌を相補した。

ミネラル輸送体の迅速な機能解析が可能な体制を確立し、これらの輸送体を機能を有した状態で発現・精製した。このうちケイ酸輸送体Lsi1は100 umを超える大きさの結晶を得て大型放射光施設にて回折データを収集することに成功した。イネ植物体全体についての輸送モデルを高速化し、計算スピードを約10万倍に高速化するとともに、ミクロレベルの根のケイ素吸収モデル及び節の分配モデルを結合した。成果を国際誌に多数発表し、着実に進展している。独自な膜小胞アッセイ法を用いて、幾つかミネラル輸送体の輸送基質を同定した。イネのアルミニウム耐性に関わる転写因子ART2を同定した。ART2を破壊すると、イネのアルミニウム耐性が低下したが、そのアルミニウム耐性への寄与はART1ほど大きくなかった。またART2はART1による制御を受けず、下流に異なる遺伝子を制御していた。オオムギのアルミニウム耐性遺伝子HvAACT1の発現制御機構を調べたところ、上流に少なくとも15.5kbの挿入が関与していることが分かった。またこの挿入の脱メチル化が遺伝子発現の向上に関与することを突き止めた。さらにアルミニウム耐性遺伝子OsFRDL4の発現制御に転写因子WRKY 22が関与することを突き止めた。輸送体遺伝子OsNIP1;1とOsNIP3;3をイネに過剰発現させると、イネのヒ素集積が大幅に低下した。また節で発現するABCC1遺伝子を特異的なプロモーター制御下に発現させると、種子中のヒ素濃度が有意に減少した。ソバからアルミニウム耐性に関わる輸送体遺伝子FeSTAR1とFeSTAR2を同定した。両遺伝によってコードされたタンパク質は複合体を形成し、ABC輸送体として機能することを明らかにした。作物のミネラル輸送体(ケイ酸輸送体、カドミウム輸送体、亜鉛輸送体、アニオン性小分子輸送体)の昆虫細胞を用いた大量発現・精製・結晶化と機能解析を行った。ケイ酸輸送体は昨年度に得られた結晶の条件を改善してX線結晶構造解析により立体構造を決定できた。得られた結晶構造からケイ酸輸送に関わる構造基盤を変異導入と機能解析によって明らかにした。重原子輸送体とアニオン性小分子輸送体について結晶化に十分な量と純度の試料を得ることができた。去年度までに完成させたミネラルの輸送に関する細胞スケールの3次元モデルと作物全体スケールのモデルを融合させ、ハイブリッドスケールモデルを開発した。当初の予定より多くの輸送体の同定ができた。またケイ酸輸送体の結晶化に成功し、その構造を解くことができた。共同研究者と緊密に連携して、作物のミネラル輸送システムの解明に地道に取り組みたい。共同研究者と有機的に連携して、作物のミネラル輸送システムの解明に取り組む。引き続き共同研究者と有機的に連携して、植物ミネラル輸送体の同定、結晶構造解析と輸送モデルの構築を行う。