hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
群速度エンジニアリングによる、時空間単一モード光子源の実現と応用

本研究では、独立した光子源間で良質な量子干渉をもつ単一光子源の実現と、光量子回路への応用を目指した。その結果、95.8%と世界最高レベルの2光子干渉性を実現した。また、入力された2光子の特定の偏光相関成分を抜き出す「量子もつれフィルター」、および2001年にKnillらの提案した線形光学量子計算の基本となる、「制御ノット光量子回路」の実現に成功した。また、擬似位相整合結晶における群速度分散の制御を目ざし、デバイスの作成ならびに評価を行った。光子を用いた量子情報処理用の光子源としてもっとも広く用いられているのが、パラメトリック下方変換(PDC)である。今後より光子数を増大させた実験では、独立した別個のPDC光源から発生した光子間の量子干渉が重要となる。しかし、現在のPDC光源では、ポンプ光と下方変換光子間の群速度不整合(GVM)が、光子の発生時刻にジッターを与え、良質な量子干渉の障害となっていた。本研究では、この問題を「群速度エンジニアリング」技術により解消した光子源の創製とその応用をめざし研究を進めている。今年度は、1)群速度エンジニアリングによる、非線形光学素子の開発、2)高繰り返し時空間単一モード光子源の実現、3)多光子もつれ合い状態の生成の3つの項目に関して研究を進めた。項目1に関しては、デバイスの設計および初期試作を実施した。群速度分散の小さい定比組成タンタル酸リチウムにおいて400nmから800nmのPDC用に、3倍周期の分極反転構造として周期8.5μmの波長変換デバイスを作製した。また、QPMデバイスの奥行きを、GVM低減に最適な300μmの薄板に精密研磨に成功した。またこの薄板デバイスを保持するために特殊治具を設計し、モジュールとしてくみ上げた。項目2に関しては、群速度不整合の2光子干渉性に与える影響を定量的に説明する理論を構築、BBO結晶を用いた実験結果を定量的に説明することに成功した(論文準備中。)また、高繰り返しの実現に関し、再度の徹底した機種検討の後、計画していた高繰り返しフェムト秒レーザー(Gigajet 20C)を購入し立ち上げた。項目3に関しては、Gouy位相を用いた角運動量もつれ合いの制御(PRL)、角運動量多次元もつれ合いの実験結果に与える影響の解明(JOSA-B)光量子回路を用いた2光子量子もつれ合いフィルターの実現(Science)などの成果を得た。光子は、量子情報の担体として、伝送特性に優れ、かつ外部からの擾乱に強いなど良質な特性を持つ。特に、2001年に、Knill, Laflamme, Milburnらによって、単一光子源と線形光学素子、および検出器を用いた量子計算スキームが示され、スケーラブルな量子コンピュータ実現の有力な候補ともなっている。しかし、現在広く用いられているパラメトリック下方変換を利用した光源では、ポンプ光と下方変換光子間の群速度不整合が、良質な量子干渉の障害となっていた。本研究では、この群速度不整合を解消した光源を「群速度エンジニアリング」技術により創成するにとを目指している。平成21年は、20年度に設計試作したデバイスの特性評価を行い、SHG実験では計画に近い効率での変換を確認した。それと平行して、群速度不整合を解消し、かつ所望の変換効率を得ることの可能なデバイス設計を検討した。その結論として、エアギャップにより不整合を解消する1回反射型デバイスが有力であることが分かった。一方、バルクのBBO結晶を利用する方法について、2光子干渉性の向上について研究を行った。その結果、93%と、縮退した2光子発生源としては世界最高の2光子干渉性を得ることに成功した。(論文準備中)項目3に関しては、線形光学量子ゲートのエラー原因について検討を進めた。その結果、エラー量が、設計からの誤差に対して1次で効く場合と2次で効く場合が存在することが明らかになった。同様に、線形光学制御ノットゲートの場合、エラー量は2光子干渉性に関して1次で効くことが明らかになった。これは、本研究の目指す時空間単一モード光子源が必須であることを示す成果である。(New J.Phys.掲載予定)光子は、量子情報の担体として、伝送特性に優れ、かつ外部からの擾乱に強いなど良質な特性を持つ。特に、2001年に、Knill,Laflamme,Milburnらによって、単一光子源と線形光学素子、および検出器を用いた量子計算スキームが示され、スケーラブルな量子コンピュータ実現の有力な候補ともなっている。本研究では、この群速度不整合を解消した光源を「群速度エンジニアリング」技術により創成することを目指した。

平成21年度に考案した、エアギャップにより不整合を解消する、擬似位相整合素子を用いた1回反射型デバイスについて、平成22年度は栗村らの作成したPPSLT(Periodically Polled Stoichiometric Lithium Tantalate)を擬似位相整合素子として用いたパラメトリック下方変換光子対の生成の研究を行った。その結果、PPSLTからの同心円状の蛍光を確認、それを角度・波長依存性(チューニングカーブ)を計算によって求めたものと比較、対応を確認した。また、パラメトリック下方変換の逆過程である、第二高調波発生により、チューニングカーブの妥当性の検討を行った。一方、バルクのBBO結晶を利用する方法について、2光子干渉性の向上について引き続き研究を行い、昨年の93%からさらに2%改良された95%を得ることに成功した。また、これらの光子源を利用した線形光学量子回路として、2001年にKnill,Laflamme,Milburnらが提案した、2つの単一光子非線素子を組み込んだ、制御ノット光量子回路の実現に世界で初めて成功した(論文投稿中)。また、クラスター状態の生成(JOSA-B)に関する研究、2光子干渉の量子リソグラフィーへの応用に関する研究などを実施した(JOSA-B)。
殺藻性サプロスピラ属細菌の宿主特異性と殺藻機構の解明

本研究は、沿岸海水から硅藻細胞を殺藻または溶藻する海洋性の微生物を分離し、その殺藻機構を解明することを目的とするものである。本研究で得られた成果の概要は以下の通りである。1.鹿児島湾沿岸およびクルマエビ養殖場海水から、硅藻重層寒天平板上で拡張型プラークを形成する4種類の殺藻性微生物としてAmoebe,Labyrinthula,Saprospira,Vitreoscillaを分離した。2.Saprospira属分離菌株は、細胞形態、生理学的性状、増殖挙動などから3菌種に分類され、菌体脂肪酸組成においても特徴があり識別が可能であった。3.Saprospira属細菌は藻類重層寒天平板ではプラークを形成したが、培地中に添加するアミノ酸または有機酸の種類によってプラーク形成、コロニー形成、細菌非増殖の3つの場合に分けられた。4.Saprospira属細菌は、宿主としてChaetoceros以外の硅藻類(Skeletonema)に対しても顕著な殺藻活性を示した。5.藻類液体培養液に菌体懸濁液を添加した場は、急激な濁度の低下が見られたが細菌単独培養上清液では、菌株によって藻類増殖を阻害するものと阻害しないものがあり、細菌藻類混合培養上清液では全く藻類増殖阻害が見られなかった。以上の結果から、Saprospira属細菌の殺藻活性は、細菌細胞が硅藻細胞と直接接触した時に初めて作用する菌体表層上の高分子物質が関与するものと推察される。本研究では、硅藻密度の高いクルマエビ養殖場および沿岸海水より、硅藻細胞を殺藻または溶藻する細菌の検索を行なった。殺藻細菌の分離法としては、重層寒天平板法および液体混合培養法を用いた。重層寒天平板法では宿主層類Chaetoceros ceratosporumの培養濃縮液1mlと試料海水0.1mlをESS軟寒天培地2mlに添加混合して基層平板に重層し、プラーク(溶藻斑)の形成を調べた。液体混合培養法では、藻類液体培養試験管に試料0.1-1.0ml添加して培養液の濁度(OD540nm)を測定した。クルマエビ養殖場海水からプラークまたは溶藻斑を形成する細菌としてAlteromonas属、Saprospira属、Pseudomonas属が分離された。このうちSaprospira属細菌は増殖温度域、カロテノイド色素、菌体脂肪酸組成などから3群に大別された。分離菌株のプラーク形成はESS培地に添加するアミノ酸の種類によって影響され、それぞれのアミノ酸は1.プラーク形成群、2.コロニー形成群(Glu)、3.細菌非増殖群に分けられた。さらに、藻類培養液に細菌懸濁液または細菌単独培養上清液を添加した時は強い殺藻活性が認められたが、溶藻の進行しつつある藻類細菌混合培養上清液を添加しても殺藻性は確認出来なかった。これらの結果から、Saprospira属細菌の殺藻性は藻類細胞と接触した時に作用する溶藻酵素または菌体表面成分が関与している可能性が示唆された。本年度は、鹿児島湾沿岸海水およびクルマエビ養殖場海水から分離したサプロスピラ属(Saprospira)細菌の代表3菌株について、菌体脂肪酸組成および殺藻活性の発現機構について検討した。得られた結果の概要は以下の通りである。1.Saprspira属3菌株の菌体脂肪酸組成としては、SS90-1株とSS91-40株ではC16:0(パルミチン酸)、C20:4(アラキドン酸)、2-OH C17:1が主体であり、SS92-1株ではiC15:0、iC15:1(C15:1)、20H C15:0が主体であった。2.Saprospira属細菌は藻類重層寒天平板ではプラークを形成したが、培地中にペプトン、グルタミン酸、リンゴ酸等のアミノ酸や有機酸を添加しておくとコロニーを形成した。

3.Saprospira属細菌は、宿主としてChaetocerosceratosporumの他にSkeletonemacostatumに対しても顕著な殺藻活性を示した。4.藻類液体培養液に菌体懸濁液を添加した場は、急激な濁度の低下が見られたが細菌単独培養上清液では、菌株によって藻類増殖を阻害するものと阻害しないものがあり、細菌藻類混合培養上清液では全く藻類増殖阻害が見られなかった。以上の結果から、Saprospira属細菌の殺藻活性については、細菌細胞が硅藻細胞と直接接触した時に初めて、藻類細胞に対して溶藻酵素または菌体表面成分が作用する機構が考えられる。
好塩基球の生理機能と病態形成における役割の解明

顆粒球のひとつである好塩基球の機能解析が他の免疫細胞に比して遅れていた最大の原因は、好塩基球のみを欠損したモデル動物が存在しないことにあった。そこで本研究では、ジフテリア毒素を投与することで好塩基球を選択的に任意のタイミングで生体内から除去できる遺伝子改変マウスMcpt8^<DTR>を樹立した。このマウスを用いて、好塩基球が外部寄生虫マダニに対する生体防御に重要な役割を果たしていることをつきとめた。好塩基球の機能解析が他の細胞に比べて格段に遅れている最大の原因は、有用な解析ツールがほとんど無いことである。好塩基球とよく比較されるマスト細胞の場合には、マスト細胞を欠損するc-kit自然変異マウスが存在し、マスト細胞の機能解析に頻用されている。一方、好塩基球のみを欠損する実験動物は存在しない。細菌由来毒素あるいはその受容体を好塩基球特異的に発現させることができれば、発生工学的に好塩基球欠損マウスを作製することが可能であると考えられる。そこでまず、好塩基球に特異的に発現する遺伝子を探索・解析した結果、蛋白分解酵素の一種であるmMCP-8とmMCP-11をコードする遺伝子が候補となった。mMCP-11はマスト細胞に発現する新規セリン・プロテアーゼとして報告されていたが、特異抗体を作製して発現パターンを解析したところ、好塩基球に大量に発現しており、一部のマスト細胞にごく弱く発現していることが判明した。同時に作製したmMCP-8特異抗体を用いた解析から、mMCP-8の方はマスト細胞にはまったく発現しておらず、好塩基球特異的プロテアーゼであることが明らかとなった。そこで、mMCP-8遺伝子のプロモーター下流に緑色蛍光蛋白質(GFP)を挿入した遺伝子改変マウスを作製したところ、GFPが好塩基球に選択的に発現することが確認された。この結果を踏まえて、GFPのかわりに細菌由来毒素あるいはその受容体を好塩基球特異的に発現させたマウス遺伝子改変マウスを作製し、好塩基球の機能解析への応用を検討している。また、既に作製済みの好塩基球除去抗体を用いた実験から、好塩基球が寄生虫に対する生体防御に重要な働きをしていることがわかってきた。これまで好塩基球のみを欠損するモデル動物が存在しなかったため、生体内での好塩基球機能の解析は非常に遅れていた。そこで好塩基球欠損マウス樹立を目的として、マウス好塩基球に特異的に発現するセリン・プロテアーゼmMCP-8をコードする遺伝子領域にヒト・ジフテリア毒素受容体(DTR)をコードするcDNAを挿入したノックインマウスMcpt8^<DTR>を作製した。このマウスでは当初の狙い通り、DTRの発現が好塩基球に選択的に検出され、さらにジフテリア毒素を投与することで、好塩基球のみが一過性に除去されることが明らかとなった。これまで有用とされてきた抗体による好塩基球除去法では、マスト細胞への副作用が問題となっていたが、Mcpt8^<DTR>マウスの樹立により、真の意味で好塩基球を選択的に欠損するモデル動物を用いた好塩基球の機能解析が可能となった。そこで、このMept8^<DTR>マウスを用いて、長い間未解決であった外部寄生虫マダニ(吸血ダニ)に対する生体防御における好塩基球の役割を解析した。マダニは吸血の際にさまざまな病原体をヒトや動物に伝搬する。以前の報告ではマダニ吸血部位に好塩基球の浸潤が認められないとされていたが、前年度の研究で樹立した抗mMCP-8抗体ならびに好塩基球特異的緑色蛍光色素発現マウスを用いた解析から、2度目のダニ感染時には好塩基球がダニ吸血部位に集積することが確認された。一度マダニに感染すると、2度目以降の感染ではマダニ吸血に対する抵抗性ができるが、2度目の感染前にマウスにジフテリア毒素を投与して好塩基球を除去すると、ダニに対する抵抗性が消失した。以上、以前の研究で見逃されていた「外部寄生虫に対する生体防御における好塩基球の重要な役割」を明らかにすることができた。この新たな発見は、マダニならびにマダニ媒介感染症に対するワクチン開発に役立つものと期待される。前年度までの研究で、好塩基球が慢性アレルギー炎症の誘導や寄生虫感染に対する生体防御に非常に重要な役割を果たしていることが明らかとなった。しかし、好塩基球がどのようにしてこれらの免疫反応に寄与しているのか、その分子メカニズムはよくわかっていない。前年度までの研究で、蛋白分解酵素トリプターゼの1種であるmMCP-11が好塩基球の分泌顆粒内に選択的かつ多量に貯蔵されているが判明している。そこで、mMCP-11遺伝子を昆虫細胞に発現させて、リコンビナント蛋白を精製し、マウスの耳介皮内に投与したところ、投与後4時間をピークとする浮腫が誘導され、それに一致して血管透過性の亢進が認められた。一方、不活性型mCP-11では浮腫・血管透過性の亢進は誘導されなかった。

mMCP-11による血管透過性亢進はインドメタシン投与により抑制されたが、マスト細胞欠損マウスでも観察された。以上のことから、mMCP-11が生体内で炎症促進因子として機能することが判明した。また、好塩基球の細胞表面分子の解析から、NK細胞のマーカーであるasialo GM1が好塩基球にも発現しており、抗asialoGMI抗体をマウスに投与した場合、NK細胞だけでなく好塩基球も生体内から除去された。このことから、抗asialoGMI抗体で処理したマウスで観察される表現型を解釈する際に、NK細胞除去のみならず好塩基球除去による影響を考慮する必要があることが判明した。
新規な自己集積型配糖体の合成研究

細胞表層上に存在する糖鎖がウイルスの感染や受精などの重要な生命現象に深く関与していることが明らかとなり、糖鎖機能の解明はますます重要度を増してきている。しかし、一つの糖鎖とそのレセプターとなるタンパク質間の結合は弱いため、ウイルスなどの感染の際には細胞表層上で複数の糖鎖が寄り集まりその親和力を増幅している。これに倣い、糖鎖機能解明などを目的に合成した糖鎖もポリマーなどに集積化させ、アッセイされている。しかしながら、これらの誘導体合成は工程数も多く容易ではない。一方で、両親媒性の分子がある種の系内において、自然と秩序だった構造をとる自己集積という現象がある。最近、この自己集積体が糖提示場担体として利用できると報告されているが、その報告例はいずれも複雑な配糖体を利用していた。そこで本研究では、よりシンプルな構造のC-グリコシドによる自己集積体の創出を目指した。よりシンプルな構造を設計することで、誘導体合成が簡便にできるという利点があり、またC-グリコシドとすることでより安定性の高い基質が創出できるものと考えた。昨年度までにグルコースを用いた自己集積型C-グルコシドの合成とその自己集積形態の観察を達成した。本年度は、糖提示場担体としての評価を行うため、コンカナバリンAと結合することが知られているマンノース誘導体を用いた自己集積体の創出とその糖提示場担体としての評価を行った。合成したC-マンノシド誘導体は、C-グルコシド誘導体とほぼ同等の自己集積体を取ることを明らかとした。次に自己集積型C-マンノシドとコンカナバリンAとの間の親和力を赤血球凝集阻害アッセイによって評価し、糖提示場担体として機能しうるか検討した。その結果、自己集積していないマンノース誘導体と比べて8倍高い親和力が観測され、本自己集積型C-マンノシド誘導体が糖提示場担体として利用可能であることを明らかにした。糖鎖は様々な疾病や受精などの多くの生命現象に深く関与していることが知られるようになり、糖鎖機能の解明は生命の神秘を紐解く鍵となるものと期待されている。従来は糖鎖機能解析を行うために、糖鎖をデンドリマーなどに担持することで行われていたが、多くのステップ数を有することなどから迅速かつ網羅的な糖鎖機能解析への妨げとなっていた。本研究ではこれらの問題を解決するべく、有用な糖鎖機能解析ツールとなると期待される自己集積型配糖体の合成およびその分子形態を観察した。本年度はもっとも基本的な単糖であるグルコースに疎水性基としてオクチル、ドデシル、ベンジル基を導入したC-グルコシドを設計・合成した。得られたC-グルコシドをメタノール/水混合溶媒、2-プロパノール/水混合溶媒中、動的光散乱を用いて粒径を測定したところ、それぞれ1030nm程度の自己集積体を形成していることが分かった。さらに、原子間力顕微鏡(AFM)や透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて観察したところ、それぞれ3050nm程度の集積体を確認した。自己集積型C-グリコシドが期待通り特定の集積体を与えることを明らかにした。自己集積形態が確認できたので、次に糖鎖-レクチン相互作用解析に利用可能か検討することとした。そこでレクチンの一つであるコンカナバリンAに特異的に結合することが知られているマンノースを骨格とした自己集積型配糖体の合成に着手した。現在、疎水性基としてベンジル基を導入したC-マンノシドをターゲットに合成を行っている。以上のように本研究は、計画以上に進捗した。
視覚・聴覚障害児の認知能力を利用した小学校英語バリアフリー教授法・教材の開発

小学校教育に英語が導入されたが、教科書では視覚・聴覚障害児の存在を考慮せず歌や絵が多用されている。英語教育には障害に対する配慮だけではなく、むしろその特殊な認知構造を利用すべきである。本研究では、聴覚刺激を視覚野で認知する聴覚障害児、視覚刺激を聴覚野で認知する視覚障害児の認知能力を活かした教材および教授法の開発を行った。英語の発音を聴覚障害児のために視覚記号化したコンピューターソフトを作成したり、音だけに頼った自習教材を開発した。特殊な認知能力は実感することが難しく、同じ障害を持つ当事者とともに教材作成をする必要があり、同じ障害をもつ教師が教えることが効果が高いことが明らかになった。本研究は、視覚障害者・聴覚障害者の認知能力の特徴を生かした大学生のための英語教育の研究の成果(代表者の萌芽研究、H18-20)と手話・舞踊・演劇の言語性・非言語性と共感の相互関係を利用した異文化理解教育の研究の成果(代表者の基盤研究(B)、H20-23)を結びつけ、小学校英語必修化の中で、障害児が取り残されないようバリアフリー教授法・教材を視覚障害者・聴覚障害者である研究者と共に開発するというものである。その過程で、視覚型から聴覚型まで段階的な教授法・教材は学習障害や自閉症児等にも有効ではないか、さらには健常児にも認知的な偏りがあるのではないか(その教授法・教材は有効ではないか)、という問題を解明したい。同時に子どもの認知の特徴と早期第二言語習得との関係及び子どもの第二言語習得の中での体験や共感の効果を明らかにすることを目的とする。平成24年度は、聴覚障害児には特別な視覚認知能力や身体表現能力があることや、視覚障害児には特別な聴覚認知能力や触覚あるいは自己身体認知能力があることを明らかにした研究をレビューし(Dunlea2006、Marschark2002)、これらが言語・非言語の認知および言語習得にどのように関連しているかを解明した。また発達障害(自閉症・LD)等の子どもたちの、外国語習得における困難についてレビュー一した(DiFino & Lombardino,2004)。一方、外国語教育には、現実に密着した体験型の学習が不可欠であることや(Lindsay 2000)、ダンスや音楽の外国語習得における有効性について(Michakels 2001)レビューした。障害をもつ移民(成人)や大学生の英語教育についての研究(Kashdan 2002,Mole,McColland Vale,2008)、障害を持つ子どもの母語の習得についての研究(Dunlea 2006,Marschark 1993)もレビューした。さらに健常児が現在受けている英語教育を「英語ノート」を中心に分析し、視覚障害、聴覚障害のある子どもにとって、どのように不可能であるか、不利益であるかを、検討した上で、上記の認知能力の特色を活かす方法や、体験型教育の応用を取り入れて検討した。平成25年度は、小学校英語の実態把握と英語ノートの障がい者に対応できない部分を取り出し、方策を考えた。聴覚障害用に英語の指文字をアルファベットとともに提示することや、視覚障害用の玩具の考案、立体コピーの使用などである。さらに日本以外のアジアの国の英語教育の状況を調べた。特に英語を公用語、第二言語としていないタイは日本とよく似た状況があることがわかり、タイのろう学校に出向いたり、タイの大学から来日している教員にインタビューをした。聾学校では英語教育にアメリカ手話を取り入れていた。しかしアメリカ手話だけを教えるのであれば、意味があるが、アメリカ手話と英語は構造が違うので、一度に二つの外国語を学ばせることが効果的かどうかは検証が必要である。最新の認知科学の研究から新たな知見が得られた。7歳以降に人工内耳を入れた子どもは他の子ども達と同じように聞こえるようになったとみなされる場合でも、音声言語習得の成績が悪いこと(Sharma & Mitchell, 2013)、聴覚刺激により視覚野が活性化すること(P. M. Gilley et al., 2010)がわかった。McGurk効果に関する実験でも人工内耳の子どもは視覚認知優先であることが明らかになった(J. Rouger et al., 2008)。さらに視覚・空間言語の使用は聴覚障がいの子どもの言語的、認知的、社会的機能に影響を与えること等が明らかになり、人工内耳装着の児童が急速に増える中で、見かけ上の聴力に関係しない聴覚障がい児の言語認知能力が明らかになったことは聴覚障がい児教育の新たな展開につながった。

他方、視覚障がいを持つ子どもについても、特に低い年齢で失明した子どもは聴覚刺激によって特定の視覚野が活性化すること(Weeks et al.,2000)や、視覚野によって方向のヒントになる音を認識すること(Voss et al., 2011)が明らかになった。また、数日間視力を失うことによっても聴覚刺激と触覚刺激が視覚野で認知される得ること(Merabet et al., 2008)や先天性全盲の子どもは視覚野が聴覚刺激や触覚刺激の認知に使われていること(Renier et al. 2010)がわかった。これら脳の可塑性に鑑みて、視覚・聴覚の障がいを欠損とみるのではなく、別の認知構造・認知システムの発生とみて教材・教授法を開発する必要性を主張した。UDLの小学校英語教育への応用(画像・点字や新たなICT技術を使ったゲームの使用を含む)と、教師の役割の転換、また教材作成から障がい当事者を参加させることを重視し、教材作成を実施している。視覚障がい・聴覚障がいをもつ小学生の英語教育を支援するための教材・教授法開発を行った。特別支援学校を含む小学校で学ぶ視覚障がい・聴覚障がいをもつ子ども達は、その障がいを配慮しないままの英語教材を使用していることがわかった。彼らの認知的特徴・特長を利用した一般の小学生の教材と同等の教材・教授法を過去の研究成果(手話・舞踊・演劇の言語性・非言語性と共感の相互関係を利用した異文化理解教育等)を応用して開発した。現在それを動画として随時ホームページにアップしている。デフ・ファミリーで育ったネイティブ・サイナーを使って、手話で英語を教える動画やカートゥーンを使った教材を聴覚障がいを持つ子どものために作成した。視覚障がい者のためには日本文と英文の点字の使い方が違うことによる混乱を防ぎ、教材を点字にで変換して読めるような工夫をし、音を使った教材を作成している。聴覚障がい・視覚障がいに関する認知的研究をレビューし、小学校、特にろう学校・盲学校の英語教育の現状を調べた。これらの障がいは欠損であるだけでなく、認知的にメリットがあることが明らかになった。またろう学校でCDで英語の歌を「聞きながら」学んでり、盲学校で地図や人物のイラストが描かれていたり、自由に動き回るゲームをしたりする教科書をそのまま使っていることもわかった。これを受けて、多様な環境で使用できる教材ソフトの開発を目指し、教授法も開発してきた。聴覚障がい児には手話動画による英語教材を開発した。また英語を小学校から必修としている国(フィリピン等)の学校などの状況も調べている。本研究の目的は視覚・聴覚障害児の認知構造を活かした英語教育の教授法と教材の開発である。まず小学校に導入された英語教育の教科書がどのようなものか分析を行った。現状の教科書には視覚・聴覚障害児の存在を考慮せず歌や絵が混然一体となって多用されたものしかない。障害に対する配慮だけではなく、むしろその特殊な認知構造を利用すべきである。日本の教育・医療の現場では障害を少しでも軽くしようとしたり、健常児に合わせられるように努力させたりするが、視覚・聴覚障害児の健常児にない能力を活かそうとしていない。次に、視覚・聴覚障害をもつ子どもは、その視力・聴力の状況、特に全盲か、弱視か、ろうか難聴か、また何歳で失明・失聴したかで、認知構造が大きく違うことが明らかになった。
有限簡約代数群の既約表現に付随するゼータ関数の研究

1.有限群Gの通常表現に付随するゼータ関数とその関数等式はT.A.Springer(1971)とI.G.Mac-donald(1985)により考察された。この関数等式が重複度の無い誘導表現の自己準同型環Hの既約表現によっても満たされることをまず示した。さらに、その具体例と応用について研究をし次の結果を得た((1)(2)C.W.Curtisと共同)。(1)Gを有限簡約群としHがGelfand-Graev表現の自己準同型環の場合には関数等式に現われるε-因子はSaito-Shinodaにより研究されたガウス和となる。このことを用い有限一般線型群の場合Hの単位元eのフーリエ変換e^^の明示式を得た。(2)G=GL(n,q)、n次一般線型群,の場合に(1)のHをとると、ある自然基底のコクセター元に対応する元の既約表現の値は一般化されたクルースタマン和になることを示した。この事は一般化されたクルースタマン和のHasse-Davenport型の等式とHのノルム写像との間に密接な関係があることを示唆している。(3)G=GL(4,q)の場合にHのほとんどの自然基底の元に対する既約表現の値の明示式を得た。いわば高次のクルースタマン和となっている。2.関連する分野からもこの課題を考えた。(1)五味、筱田は有限線型群の余不変式環を考えJ.McKayの2次元のある結果(1999)を一般の次元に拡張した(中村(北大)と共同)。(2)横沼は対称性の関連から離散集合とその力学系の非可換化を考え、中島、古閑は量子群との関係から研究を進めた。特に中島はシューベルト多様体上の幾何クリスタルを研究した。(3)和田、角皆、都築は整数論との関係からそれぞれ研究をした。1.有限群Gの表現に付随するゼータ関数とその関数等式はT.A.Springer(1971)とI.G.Macdonald(1985)により考察された。この関数等式が重複度の無い誘導表現の自己準同型環Hの既約表現によっても満たされることを示した。さらに、その具体例と応用について研究をし次の結果を得た(C.W.Curtisと共同)。(1)Gを有限簡約群としHがGelfand-Graev表現の自己準同型環の場合には関数等式に現われるε-因子はSaito-Shinodaにより研究されたガウス和である。(2)(1)と同じ状況でHのある自然基底の元に対し既約表現の値を考えると一般化されたクルースタマン和になることを示した。この解明をさらに進めたい。(3)GをSp(4,q)とした場合に(2)と同じ問題を考え計算例を求めた。まだ統一的な記述に到っていない。2.中島、古閑は量子群との関係から研究を進め、特に中島はDemazure加群の結晶基底を多面体表示で記述する等の結果を得た。3.角皆、都築は整数論との関係から研究をした。

角皆は1点抜き正種数曲線に関する外ガロア表現に付随する導分環の安定性について研究し、都築はセルバーグ・ガンゴリのゼータ関数について有理型であることとその関数等式について新しい証明を与えた(埼玉大権と共同)。本年度は次の研究結果を得た。1.有限簡約群のGelfand-Graev表現の自己準同型環、H、の既約表現がHの標準基底の上でとる指標値について、Curtis-Shinodaは特別な場合は、それがKloosterman和で与えられることを示した。この結果の拡張を様々な群の場合で具体的に調べた。特にGL(4,q),CSp(4,q)の場合に部分的な結果を得た。2.複素体上の3次特殊線型群の有限部分群につきその余不変式環について調べた。応用として3次直交群の部分群Gに対しては、その原点におけるHilbert-Chow射、π:Hilb^G(C^3)→C^3/G,の逆像が有限個の有理曲線の和であり、Gの部分表現グラフと対応していることを示した。(中村郁(北大)と共同)3.量子群との関係では、中島はq-boson代数に対してextremal projectorを定義し、q-boson代数の表現論を展開し、ある種の表現の圏のsimple objectの分類を行い半単純性を示した。また1の巾根におけるA型量子群の極大巡回加群と無限小Verma加群の構造を解析比較した。(兼田正治(大阪市大)と共同)4.和田、角皆は整数論の立場から研究し、和田はあるDiophantine方程式の整数解の非存在を計算機を用いて示し、また角皆は3点抜き射影直線に関する外ガロア表現の次数リー環化について研究をすすめた。特に種数1の場合に低次数部分の計算を行い、各次数の既約分解を決定した。1.有限簡約群のGelfand-Graev表現の自己準同型環、H、について、その構造およびその既約表現がHの標準基底の上でとる指標値について研究をした。Curtis-ShinodaはGL(n,q)の場合のCoxeter元に対応する標準基底に対しては、それが一般化されたKloosterman和で与えられることを示した。さらにGL(4,q),CSp(4,q)等の具体例について調べた。より一般的に、これら指標値の幾何学的な解釈、さらにCurtisにより一般的に求められた構造定数と指標値の関係についても考察をすすめたが、このことはまだ結果としてまとめられる段階ではない。2.複素体上の一般線型群の有限部分群につき、そのKoszul複体のMolien seriesを考えると、これらは自然な等式を満たすことを示した。この特殊な場合(2次元)がMcKayやSpringerにより既に考察されていた2次特殊直交群の有限部分群とCoxeter-Dynkin図形との対応にあたる。3.五味は有限鏡映群のあるMolien seriesをLusztigのフーリエ変換をすると、対応するヘッケ環の極めて良い性質をもつ跡関数が得られることを示した。これはJones多項式のひとつの拡張を与えている。4.横沼は局所コンパクト位相群が作用している局所コンパクト位相空間の離散集合について、その一様構造を定義し、その完全性について調べた。5.中島はKac-Moody群のSchubert多様体の幾何結晶を研究し、都築はある古典簡約代数群から定まるあるEisenstein級数の周期積分を計算し、そのゼータ関数による表示を得た。
四方逆プリズム型遷移金属錯体に発現する多彩な磁性とその光制御

光スウィッチング磁性体Cu2[Mo(CN)8]の光誘起磁性、光誘起消磁の機構を、群論に基づく電子状態解析の後、大規模数値計算による磁化ダイナミクス追跡を行うことにより、微視的に解明した。これに基づき、さらなる物質設計に対する提言も行った。光誘起強磁性状態、また光により再消磁した常磁性状態、これらの微視的電子状態についても調べた。驚くことに、再消磁状態は、光照射前の静的常磁性状態とは定性的に異なる、Moの4d電子のある種励起状態に相当することが、明らかとなった。群論解析により磁性・非磁性可能な基底状態相を洗い出した後、その競合相図の数値計算に進みました。結晶構造が複雑な分、ホッピング・パスは勿論、クーロン相互作用についても、試行錯誤が続きました。当初、主題の1つである遍歴強磁性相が思うように拡大しませんでしたが、結晶構造を再度精査するうちに、単位胞を跨ぐ銅イオン間距離が大変近く、これに係るクーロン相互作用が大変重要であることに気付きました。結果、強磁性相は拡大し、初期状態である常磁性相とより近接しました。これら2相の他にもう1つ、モリブデン・イオン上の電子が出払い、銅イオン上に電子が移動する、“電荷偏在相"を見つけました。この相は、銅イオン上のクーロン反発が極端に小さい所でのみ実現するもので、基底状態としては現実味を欠きますが、大変興味深いことに、光誘起強磁性状態、これをさらなる光照射で消磁してゆく時、バンド構造はこの電荷偏在相に似通ってゆくことが判明しました。光誘起磁性、光消磁、そうして到達する微弱磁性、非磁性状態は、初期常磁性状態とは異なる可能性が浮上してきました。今年度の大変大きな収穫、来年度へ向けての大変重要な論点です。これら3つの興味深い相それぞれについて、光学伝導度を計算し、実験で検出する際の特徴を示しました。光照射後、バンド・ギャップは速やかに縮小し、ドゥルーデ吸収バンドが現れます。これに伴い、初期状態を特徴づける吸収バンドは低エネルギー側にシフトし、間もなくその構造及びウェイトそのものが消失します。また、角度分解光電子分光スペクトルを時間追跡しながら計算し、磁化発現・減退過程に伴うバンド構造の変化を視覚化しました。平坦バンドそしてその縮重度が磁化の増減と密接に関連しています。運動量空間でのより定量的解析を進めてゆく所存です。分子模型を作成してMo4d、Cu3dの有効軌道模型を構築し、ハミルトニアンを考案し、その群計算へと進みました。既約表現の洗い出しに成功した後、数値計算により基底状態相図を描きました。相図と実験を照らしては、パラメタの調整、パラメタの再考、モデルの拡張といった、延々暗中模索のプロセスが長く続きました。当初想定しなかった単位胞倍化磁気秩序(『達成度』の欄にも関連記述)まで計算することとなりましたが、意中の基底状態相図を完成することができました。当初、電子遍歴・相関ともに、単位胞内のパラメタを微調整・多様化することに労力を割きました。しかし、思った程の強磁性領域の張り出しは見られませんでした。試行錯誤する中で、結晶パラメタを再度精査し、単位胞をまたぐ銅-銅間距離が以外に近いことに気付きました。そこでこれを経由する電子遍歴パラメタを追加したところ、強磁性状態は拡大し、またMo、Cuサイト上の電子相関パラメタも、より自然な形に設定することができました。光励起前の低温常磁性状態、これは光誘起される強磁性状態と肉薄、隣接しているだろう、最初はそのように考えていました。しかし、広範な数値計算を重ねた結果、そのような状況は非現実的であることが分かりました。間に、反強磁性相が有為に割り込んでくるのです。すると、光励起により、遠く離れた常磁性・強磁性両状態を架橋できるのか心配になります。このため、本来まだ先に位置する磁化ダイナミクスの経路積分計算を試行してみました。驚いたことに、僅かな僅かな磁気緩和因子(ジャロシンスキ-守谷相互作用)を想定することにより、常磁性状態から巨視的磁化が立ち上がることが分かりました。しかもそれは、広範なパラメタ設定のもとで可能であり、実験で観測されている光誘起磁化は間違いなくこの8配位モリブデン錯体に特有のもの、そう確信しました。シアノ架橋銅モリブデン化合物Cu2[Mo(CN)8]の光誘起可逆ついて,実験観測との比較検討も含めて,定量的理論計算を行った。この物質に波長の違う可視光を照射すると常磁性ー強磁性光誘起相転移を起こすことが知られ,これが磁化発現・減退の双方向にスウィッチング可能であることが大変興味深く,その高機能磁性材料への応用が期待されている。しかし,磁化増減機構の定量的理解は深まらず,遷移金属の組み合わせを換える等,合成現場でトライ&エラーの経験的知見集積が進行するのみである。我々は,配位子場理論に基づき,四方逆プリズム型8配位モリブデン錯イオン,及び銅イオン,これらが構成するI4/m結晶構造特有のd軌道分裂を見極め,3次元有効ハミルトニアンを構築した。これに基づき,基底状態相図を計算し,常磁性と強磁性の競合を明らかにした。

光で交替するこの2つの相意外にも,多彩な反強磁性相があり,その一部は,主役2相の競合に近接して存在する。次いで,時間依存Schrödinger方程式を数値的に積分し,常磁性状態への光照射効果を理論的に再現した。磁化の単純な発現のみならず,断続的複数回のパルス光照射を模して,段階的磁化の減退プロセス,その定量的再現にも成功した。磁化発現時は電子励起の質的な変化を伴う2段階の光吸収が起こる一方,磁化減退時は光放出を伴う。時間分解一粒子スペクトル関数を計算することでこれを視覚化し,バンド構造の変化を丁寧に追跡した。光誘起強磁性状態を経た非磁性状態は,光照射前の非磁性状態とは質的に異なる可能性が,明らかになってきた。バンド構造,その電子充填に質的な違いが見られる。この相違がどこから来るものか,電子相関,軌道混成,電子充填(金属核置換)等の物性駆動因子を調節することでさらに解明してゆく,これが最終年度の課題,本研究の集大成となる。光スウィッチング磁性体Cu2[Mo(CN)8]の光誘起磁性、光誘起消磁の機構を、大規模数値計算を通して微視的に解明、これに基づき、さらなる物質設計に対する提言も行った。系列物質にMoをW、CuをFeに置換したものがあるが、これについても、定性的、半定量的議論を行い、両者比較の中で、Mo-Cuの組み合わせが、最も大きな磁化の発現につながることを示した。Mo(IV)の有効4d軌道、Cu(II)の有効3d軌道から成る拡張Hubbard模型に基づき、時間異存Hartree-Fock法により数値経路積分をすることで、磁化ダイナミクスを計算した。光照射は、ベクトル・ポテンシャルを用いて、遍歴項にいわゆるPeierls因子を導入することにより表現した。磁化緩和駆動因子として、Dzyaloshinsky-守谷(DM)相互作用を導入したが、これについては、結晶構造に基づき可能なベクトルを精査し、その依存性についても調べた。結果、DM相互作用の大きさは確かに磁化ダイナミクスに影響を与えるが、最終的に発現する最大磁化は、その詳細に依らないと結論できた。パルス照射、連続光照射、照射強度、波長など、実験環境を忠実に再現し、観測されている磁化ダイナミクスを定量的に再現することに成功した。光誘起強磁性状態、また光により再消磁した常磁性状態、これらの微視的電子状態についても調べた。驚くことに、再消磁状態は、光照射前の静的常磁性状態とは定性的に異なる、Moの4d電子のある種励起状態に相当することが、明らかとなった。核磁気共鳴や角度分解光電子分光の技術を駆使して、このような電子ダイナミクスを可視化できないか、現在実験グループと検討を進めている。光スウィッチング磁性体Cu2[Mo(CN)8]の光誘起磁性、光誘起消磁の機構を、群論に基づく電子状態解析の後、大規模数値計算による磁化ダイナミクス追跡を行うことにより、微視的に解明した。これに基づき、さらなる物質設計に対する提言も行った。光誘起可逆磁性の理論的再現・解釈を目指し,磁化発現過程の理解には当初から確信と勝算をもっていたが,逆プロセスー磁化減退過程ーの再現がどこまでできるかについては,手探りであった。それが,段階的磁化減退を定量的に再現できつつあり,その意味で,予想を良い意味で上回る進捗状況と言える。しかし,磁化状態の変化を促す駆動因子ー
高効率人工光合成実現のための超広帯域光電変換マルチバンドギャップ物質の創成

本研究では高効率な人工合成デバイス実現に向け、3d遷移金属添加AlN薄膜の合成、分析、更に理論予測も行った。また、私がごく最近合成に成功した無極性成長膜の成長メカニズムの解明と、結晶高品質化研究にも取り組んだ。c軸配向型ウルツ鉱型AlN薄膜には、AlとNが面直方向につながった構造に由来する電気的極性がある。結果として薄膜表面、界面で大きな分極が発生し、種々のデバイスで問題となっている。例えば、トランジスタではノーマリーオンになってしまう、深紫外LEDなどの発光デバイスでは発光効率が低い、などである。申請者が実現を目指す人工光合成デバイスでも同様に、光で形成された電荷を分離し取り出す効率が低くなる問題がある。成長方向に極性を持たない無極性膜を作製することが、これらの問題の解決策とされる。本研究により無極性膜の新たな作製法が確立されれば、人工光合成デバイスだけでなく、窒化物半導体で構成される種々のデバイスの抱える問題も解決できる可能性がある。当初の計画通り、超高効率光電変換と人工光合成デバイス応用にむけた高濃度3d遷移金属添加によるAlNのバンド構造エンジニアリング研究を推進している。このテーマについては、2018年度に論文を1報出版した。また、国際会議での口頭発表(招待講演)も行った。さらに2018年始めに発見した、高濃度Fe添加によるウルツ鉱型AlN系薄膜の配向性転移(無極性化)現象についても、その再現性を確認し、大学の支援を得て特許申請(特願2019-072442)を行った。この成果については、論文を1報出版し、国際会議での口頭発表も行った。その後、この高濃度Fe添加AlN薄膜のアニール処理による結晶性の向上研究を開始している。この研究テーマについて、研究代表者として研究助成を申請し、採択されている。さらにSPring-8の大学院生提案型課題も採択され、Fe添加による配向性転移およびアニール処理に付随する局所的結晶状態・電子状態の変化研究を強力に推進している。a軸配向型Fe添加AlN薄膜をデバイスへ応用可能にするために、結晶高品質化の研究に取り組む。具体的には、研究I、II、IIIを推進し、「実験→評価→条件の見直し」を繰り返すことで、結晶品質向上を実現する。これにより、全く新しい無極性基板の作成方法として提案する。I成膜条件の最適化これまではFe濃度依存性を調べることにより、Feが約20%でa軸配向することがわかった。本研究では更に、基板温度、ガス圧力、ガス混合比(Ar/N2)などの、結晶品質を左右する重要な成膜条件を調べ、最適化する。また、これまではAlN焼結ターゲット上にFe金属チップを置いて成膜していたが、成膜ごとのFeチップ配置位置のズレによる組成のばらつきが問題になってた。Al・Fe混合ターゲットを用いた反応性スパッタも検討することで、組成の再現性の高い成膜を目指す。IIアニール条件の最適化研究Iで得られた薄膜を窒素雰囲気でアニールし、単結晶化をねらう。これにより、LED用基板として利用可能なレベルまで結晶品質を向上させる。近年、三重大学の三宅らは、スパッタで成膜した多結晶型AlN薄膜を高温(15001800°C)でアニールすることでデバイスクオリティまで結晶品質が向上すると報告しており、私はこの高温アニールがa軸配向Fe添加AlNでも有効であると考えている。III薄膜特性の評価研究I、IIで得られた薄膜の結晶学的特性などの基本的な特性評価を行う。また、Fe添加による配向性変化のメカニズムも調査する。これにより、最適な成膜・アニール条件設定の指針とし、I、IIにフィードバックする。以上の実験結果を解析、考察し論文、国際会議等で発表を行う。

この成果については、論文を1報出版し、国際会議での口頭発表も行った。その後、この高濃度Fe添加AlN薄膜のアニール処理による結晶性の向上研究を開始している。この研究テーマについて、研究代表者として研究助成を申請し、採択されている。さらにSPring-8の大学院生提案型課題も採択され、Fe添加による配向性転移およびアニール処理に付随する局所的結晶状態・電子状態の変化研究を強力に推進している。a軸配向型Fe添加AlN薄膜をデバイスへ応用可能にするために、結晶高品質化の研究に取り組む。具体的には、研究I、II、IIIを推進し、「実験→評価→条件の見直し」を繰り返すことで、結晶品質向上を実現する。これにより、全く新しい無極性基板の作成方法として提案する。I成膜条件の最適化これまではFe濃度依存性を調べることにより、Feが約20%でa軸配向することがわかった。本研究では更に、基板温度、ガス圧力、ガス混合比(Ar/N2)などの、結晶品質を左右する重要な成膜条件を調べ、最適化する。また、これまではAlN焼結ターゲット上にFe金属チップを置いて成膜していたが、成膜ごとのFeチップ配置位置のズレによる組成のばらつきが問題になってた。Al・Fe混合ターゲットを用いた反応性スパッタも検討することで、組成の再現性の高い成膜を目指す。IIアニール条件の最適化研究Iで得られた薄膜を窒素雰囲気でアニールし、単結晶化をねらう。これにより、LED用基板として利用可能なレベルまで結晶品質を向上させる。近年、三重大学の三宅らは、スパッタで成膜した多結晶型AlN薄膜を高温(15001800°C)でアニールすることでデバイスクオリティまで結晶品質が向上すると報告しており、私はこの高温アニールがa軸配向Fe添加AlNでも有効であると考えている。III薄膜特性の評価研究I、IIで得られた薄膜の結晶学的特性などの基本的な特性評価を行う。また、Fe添加による配向性変化のメカニズムも調査する。これにより、最適な成膜・アニール条件設定の指針とし、I、IIにフィードバックする。以上の実験結果を解析、考察し論文、国際会議等で発表を行う。
同一ドナー細胞由来の体細胞クローン牛を用いたゲノムワイドなエピジェネティクス解析

同一ドナー細胞由来の体細胞クローン牛の組織を用いて、DNAメチル化をターゲットとしたゲノムワイドなエピジェネティクス解析を行った。同一ドナー細胞由来の体細胞クローン牛5頭およびコントロールとして非クローン牛5頭の肝臓からゲノムDNAを抽出し、MeDIP-chip法によるDNAメチル化解析を行った。その結果、クローン牛に比べて非クローン牛の方が個体間のばらつきが大きかった。ゲノムを修飾し遺伝子発現を制御するエピジェネティクスは、発生・分化のみならず、様々な生命活動に影響を及ぼすとして近年非常に注目されている。しかし、これまで家畜においては、遺伝的要因を揃える事が困難なため、ゲノムワイドなエピジェネティクス研究は行われてこなかった。そこで、本研究では同一ドナー細胞由来の(つまり、同一ゲノムを持つ)複数の体細胞クローン牛を材料に、個体間のエピジェネティクスの違いについてDNAメチル化を指標として非クローン牛間と比較する。その結果から、遺伝的要因を揃えた上で、家畜において環境的要因(特に摂取栄養)がエピジェネティクスに与える影響を明らかにするすることを目的とする。これまで体細胞クローン牛でメチル化の異常が報告されている遺伝子・領域に着目し、すでにJSPS二国間交流事業で行ったMeDIP-chip法を用いたゲノムワイドなDNAメチル化解析結果をもとに、COBRA法、バイサルファイトシーケンス法、パイロシーケンス法などの方法により、詳細な解析を行う。特にパイロシーケンス法は非常に高精度にメチル化DNAを検出する事ができるものの、高価な機械を必要とするため、幅広くは行われていない。本年度はすでに導入したパイロシーケンサー(QIAGEN PyroMarkQ24)を用いた解析をこれまで得られたサンプルについて行うと共に、現在までにバイサルファイトシーケンス法によってすでに解析した領域(インプリント遺伝子IGF2/H19, PEG3,反復配列Satellite I/II,多能性関連因子OCT4, NANOG等)についてパイロシーケンス法との比較検討を行った。一部、パイロシーケンサー用に新たにプライマーや反応条件を再度検討する必要があった。本年度予定していた全ての領域について解析を行うことはできなかった。また、今年度新たに入手できた体細胞クローン牛由来サンプル等もあるため、次年度以降は例数を増やしつつ、予定していた遺伝子領域についての解析を行う。本年度はさらなる体細胞クローン牛および後代牛のサンプル収集を行った。と殺されたあるいは死亡した体細胞クローン牛・後代牛から心臓・肺・肝臓・腎臓・脾臓・小腸・大腸・骨格筋の一部を採取し、ゲノムDNAを抽出した。また、体細胞クローン牛間の遺伝子発現の差異に着目し、末梢白血球から抽出したRNAを用いて、Agilent社のマイクロアレイを用いた解析を行った。その結果、30,000以上のプローブを検出することができ、個体間で発現が2倍以上上昇している1,225プローブ、0.5倍以下に低下している810プローブ、さらにSwitch ON型(片方で発現が検出されず、もう片方で発現が5倍以上に上昇している)359プローブ、Switch OFF型(片方で発現が検出され、もう片方で0.2倍以下に発現が低下した)153プローブを同定することができた。これらの遺伝子は代謝に関するもの、膜貫通側タンパク質、インターロイキンなど多くの種類に分類された。これらの遺伝子について、これまでのメチル化解析のデータとの照合を行い、メチル化の変化により遺伝子発現が変動している遺伝子群を同定している。さらに、メス特異的に発現するXIST遺伝子のメチル化状態に着目し、XISTプロモーター領域のバイサルファイトPCRを行い、メチル化レベルを解析したところ、2頭の体細胞クローン牛(メス)の末梢白血球においてそれぞれ80.6%, 61.2%と非クローン牛(メス、47.0%)に比べて有意に高いメチル化レベルを示したことから、X染色体上の遺伝子についてのメチル化および遺伝子発現解析を優先的に行った。本年度はさらなるサンプル数の増加につとめ、またマイクロアレイ解析を行うことで、実際にメチル化の変化により遺伝子発現が変動しているかどうかについての解析を行った。本研究は、同一ドナー細胞由来の体細胞クローン牛を用いて、ゲノムワイドなエピジェネティクス解析を行うことを目的として行われた。エピジェネティクスとは、ゲノムを修飾し、DNA塩基配列の変化を伴わずに遺伝子発現を制御するメカニズムであり、発生・分化に大きく関与すると共に、がんをはじめとした疾患にも関与していることが近年の研究から明らかになっている。これらの研究は主にマウス・ヒトを中心として進められてきているが、基本的なメカニズムは家畜でも共通であり、本研究課題では研究の遅れている家畜のエピジェネティクス解析を進めるために研究を行った。遺伝的要因を揃えるために、同一ゲノムを持つ同一ドナー細胞由来の体細胞クローン牛を材料にDNAメチル化に着目して研究を行った。これらの同一ドナー細胞由来の体細胞クローン牛間のDNAメチル化状態と非クローン牛間のDNAメチル化状態を比較することで、エピジェネティックな変化が遺伝的要因によるものなのか、それとも環境的要因によるものなのかを明らかにすることができる。本研究では、5頭の同一ドナー細胞由来の体細胞クローン牛および5頭の非クローン牛の種々臓器からDNAを抽出し、bisulfite sequence法による解析を行った。解析領域は、インプリント遺伝子H19, PEG3, X染色体不活化に関与するXIST、およびゲノムワイドなDNAメチル化状態を反映させるために反復配列Satellite I/IIを選んだ。

解析結果から、一部の臓器・遺伝子においてはクローン牛間の差の方が非クローン牛間より有意に低かったものの、ほとんどの結果において有意な差は生じていないことが明らかとなった。これらの結果から、エピジェネティックな違いはジェネティックな要因というよりも、発生過程・成長過程における環境的要因の影響に大きく支配されていると考えられる。同一ドナー細胞由来の体細胞クローン牛の組織を用いて、DNAメチル化をターゲットとしたゲノムワイドなエピジェネティクス解析を行った。同一ドナー細胞由来の体細胞クローン牛5頭およびコントロールとして非クローン牛5頭の肝臓からゲノムDNAを抽出し、MeDIP-chip法によるDNAメチル化解析を行った。その結果、クローン牛に比べて非クローン牛の方が個体間のばらつきが大きかった。今後は入手できうる材料が手に入った時点で更なる解析を行い、例数を増やすと共に、解析する遺伝子領域を増やすために、プライマーや反応条件等の条件検討を行う。来年度は最終年度であり、これまで収集した全てサンプルについて個々の遺伝子に絞ったメチル化解析実験を行う。繁殖生物学本年度はサンプル収集とマイクロアレイ解析のみを行い、次年度にこれまで得られた全てのサンプルについてのDNAメチル化解析実験を行うため。DNA抽出キット、バイサルファイト変換キット、PCR酵素、クローニング用ベクター・大腸菌、シーケンス外注費用、パイロシーケンス用試薬、その他分子生物学的実験を行うための試薬代、成果を公表するための論文英語校閲費用、学会誌投稿料、成果を発表するための国内学会参加費・旅費、これらについて次年度使用額を用いる。