hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
DNA脱メチル化技術を用いた前立腺癌細胞増殖に関与する高度メチル化遺伝子の探索

DNAメチル化は、癌関連遺伝子発現を抑制し、高い増殖能力、不死化、浸潤、転移など癌の特徴に影響を及ぼす。我々は、ゲノムワイドなDNAメチル化遺伝子再活性化が前立腺癌細胞株LNCaPの増殖を著しく抑制し、アポトーシスを誘導することを見出した。アポトーシス誘導因子としてPYCARDを見出し、マイクロダイセクションした前立腺癌臨床検体を用い、高率にPYCARDプロモーター領域の癌特異的メチル化を見出した(46/51: 90%)。また、LNCaPにおけるPYCARD発現はアポトーシスを誘導した。これらの結果は、PYCARDの高度メチル化が前立腺癌の腫瘍形成において重要な役割を果たすことを示唆する。DNAメチル化は、癌関連遺伝子発現を抑制し、高い増殖能力、不死化、浸潤、転移など癌の特徴に影響を及ぼすため、癌の診断、治療標的として重要である。しかし、一般に、癌細胞には多数のメチル化異常が見られ、どれが癌の特徴に関連するのか見出すことは難しい。我々は、メチルCpG結合ドメイン(MBD)とTET1蛋白(Ten-eleven translocation protein 1)の触媒ドメイン(TET1-CD)の融合蛋白を用いたゲノムワイドなDNA脱メチル化誘導技術を開発し、前立腺癌細胞株LNCaPに応用したところ、細胞増殖が著しく抑制されることを見出した。本研究では、この系を用い、前立腺癌細胞の増殖に関与するメチル化遺伝子を探し出し、DNAメチル化による細胞増殖促進メカニズムや診断バイオマーカー、治療標的としての可能性について明らかにすることを目的とした。まず、前立腺癌細胞株としてLNCaP以外にDU145、PC-3の2細胞株を、また、正常対象として、正常前立腺細胞株RWPE-1を用い、それぞれの細胞株に、Tetリプレッサー(TetR)発現コンストラクトを導入した細胞株を作製した。次に、野生型(wt)と変異型(mut)のTET1-CDを用い、MBD-TET1-CDwt、MBD-TET1-CDmutをTetオペレーター(TetO2)下流に挿入したDNAコンストラクトを作製した。現在、TetRを発現する3種類の前立腺癌細胞と1種類の正常前立腺細胞を用い、MBD-TET1-CDwtあるいは、MBD-TET1-CDmut蛋白を発現誘導する細胞株を作製している。また、これら4種類の細胞株にNFkB(AD)-MBDを導入した細胞株の作製も進めている。NFkB(AD)-MBDの発現もメチル化遺伝子の活性化を引き起こすことがわかっており、方法の違いによる細胞増殖抑制活性を調べていく予定である。テトラサイクリンによる遺伝子誘導系で、Tetリプレッサー細胞株の作製に少し時間がかかったため。我々は、メチルCpG結合ドメイン(MBD)と転写因子NFkBの転写活性化ドメイン(AD)、あるいは、TET1蛋白(Ten-eleven translocation protein 1)の触媒ドメイン(TET1-CD)を用いたゲノムワイドなDNAメチル化遺伝子再活性化法を開発し、いずれの方法でも前立腺癌細胞株LNCaPの増殖が著しく抑制されることを見出した。本研究では、これらの系を用い、前立腺癌細胞の増殖に関与するメチル化遺伝子を探し出し、DNAメチル化による細胞増殖促進メカニズムや診断バイオマーカー、治療標的としての可能性について明らかにすることを目的とした。前立腺癌細胞株LNCaPのNFkB(AD)-MBD発現誘導系の解析により細胞増殖抑制の原因としてアポトーシスが誘導されることを見出した。マイクロアレイ解析によりアポトーシス誘導因子としてPYCARD、TNFRSF25の2遺伝子が著しく発現誘導されることが明らかとなった。このうち、PYCARDプロモーター領域は正常前立腺細胞株でメチル化されておらず、前立腺癌細胞株においてのみメチル化が見られた。一方、TNFRSF25プロモーター領域は正常前立腺、前立腺癌細胞株ともにメチル化されていた。マイクロダイセクターを用いて、20症例の臨床検体パラフィンブロックから癌部と近傍正常部を分取後、メチル化特異的PCR(MSP)法で解析した結果、PYCARDは細胞株での結果同様、癌特異的に高率でプロモーター領域のメチル化が見られることが明らかとなった。前立腺癌の細胞増殖、アポトーシスに関連する因子としてPYCARDを同定したため。我々は、メチルCpG結合ドメイン(MBD)と転写因子NFκBの転写活性化ドメイン(AD)、あるいは、TET1(Ten-eleven translocation protein 1)蛋白の触媒ドメイン(TET1-CD)を用いたゲノムワイドなDNAメチル化遺伝子再活性化技術を開発し、前立腺癌細胞株LNCaPの増殖が著しく抑制されることを見出した。前年度までに前立腺癌細胞株LNCaPにおいてDNAメチル化で制御されるアポトーシス誘導因子としてPYCARD遺伝子を見出し、20症例のマイクロダイセクションした前立腺癌臨床検体を用いメチル化特異的PCR(MSP)法によりプロモーター領域のメチル化を解析した。

本年度はさらに31症例を追加し、合計、51症例中、46症例という極めて高率にPYCARDプロモーター領域の癌特異的メチル化が生じていることを見出した(46/51: 90%)。また、LNCaP細胞においてPYCARD遺伝子のテトラサイクリン誘導発現系を作製し、PYCARD発現誘導がアポトーシスを引き起こすこと、臨床検体を用いたPYCARDの免疫染色の結果からPYCARDは正常前立腺で発現し、癌で発現が消失することを明らかにした。これらの結果は、前立腺癌におけるPYCARD遺伝子高度メチル化の重要性を示すものと考えられる。DNAメチル化は、癌関連遺伝子発現を抑制し、高い増殖能力、不死化、浸潤、転移など癌の特徴に影響を及ぼす。我々は、ゲノムワイドなDNAメチル化遺伝子再活性化が前立腺癌細胞株LNCaPの増殖を著しく抑制し、アポトーシスを誘導することを見出した。アポトーシス誘導因子としてPYCARDを見出し、マイクロダイセクションした前立腺癌臨床検体を用い、高率にPYCARDプロモーター領域の癌特異的メチル化を見出した(46/51: 90%)。また、LNCaPにおけるPYCARD発現はアポトーシスを誘導した。これらの結果は、PYCARDの高度メチル化が前立腺癌の腫瘍形成において重要な役割を果たすことを示唆する。テトラサイクリン投与によるMBD-TET1-CDwt、MBD-TET1-CDmut、NFkB(AD)-MBD遺伝子の発現誘導に必須のTetリプレッサー発現細胞の作製に少し時間がかかったが、その後は順調に研究計画が進められている。3種類の前立腺癌細胞と1種類の正常前立腺細胞からMBD-TET1-CDwt、MBD-TET1-CDmut、NFkB(AD)-MBD誘導発現細胞を作製し、細胞増殖アッセイによりゲノムワイドなメチル化遺伝子の再活性化が細胞増殖にどのような影響を与えるのか解析していく。また、遺伝子発現マイクロアレイにより関与するメチル化遺伝子を絞り込む作業に進んで行く予定である。まず、PYCARD遺伝子についてさらに30症例の臨床検体からマイクロダイセクターで癌部、近傍正常部を分取し、メチル化解析を進め、合計50症例についてのデータをまとめる。次に、免疫染色をおこない、メチル化解析の結果と比較する。また、同定されたPYCARD遺伝子の性状を解析するため、cDNAライブラリーからcDNAを単離し、発現ベクターにクローニングする。次に、発現コンストラクトを前立腺癌細胞株にトランスフェクションし、アラマブルーアッセイによってPYCARD遺伝子の発現回復が細胞増殖抑制を引き起こすかどうか明らかにする。また、同時に、DNA脱メチル化剤やヒストン脱アセチル化酵素(HDAC)阻害剤を用いた細胞増殖能への影響をアラマブルーアッセイにより、PYCARD遺伝子の脱メチル化をバイサルファイトシークエンス、MSP法にて解析し、脱メチル化剤、HDAC阻害剤がPYCARD遺伝子の発現に及ぼす影響を明らかにする。
脳腫瘍の増殖におけるプロスタグランディンの関与とその機序

【目的】PHSはプロスタグランデイン(PGs)合成の最初のステップを司る酵素で、PHS-1と-2のisozymeが知られている。後者は、細胞増殖因子等の刺激で誘導され、大腸癌の増殖への関与が示唆されている。我々は、脳腫瘍におけるPHS-2の発現について検討した。【結果】glioma細胞株と手術脳腫瘍組織では、殆どでPHS-2が優位に発現していた。KMG4はA23187刺激でPGE2を産生し、NS398で完全に抑制された。免疫組織化学染色では、殆どの脳腫瘍組織でPHS-2が発現していたが、astrocytoma(grade2-3),meningioma,転移性脳腫瘍で特に強く発現していた。正常脳では主に神経細胞に発現していたが、腫瘍周辺では反応性のgliaや血管内皮にも発現していた。NS398は10-50μMで腫瘍細胞の増殖を有意に抑制した。1.臨床的検討2.培養細胞を用いた検討6種類のglioblastomaのcell lineを用いて,脳腫瘍組織の場合と同様にPHS-1,PHS-2のmRNAと蛋白の発現を検討した.KMG4,T98,U138においてPHS-2が恒常的に発現していた。腫瘍細胞(KMG4)の増殖はPHS-2阻害剤(NS398)により有意に抑制されることが、BrdUの取り込みによる実験で明らかになった。以上の結果より、脳腫瘍においてPHS-2の発現が増強しており、それが腫瘍の増殖に関与していることが示唆される。
実質為替レートとインフレに関する研究:財レベルの価格粘着性からのアプローチ

本研究課題では、米国の財別の価格データを用い、財レベルのインフレ率や都市間で生じる一物一価の乖離の研究を行った。特に、価格変動と価格の粘着性の間の相互関連性を実証と理論の両面から明らかにした。本研究課題の最初の論文では、金融政策や技術のショックに対する財レベルのインフレ率のパターンを明らかにし、理論モデルを用いて、そのパターンの説明を試みた。他方、次の論文では、米国都市間の価格格差の持続性に着目した。この論文では、企業の持つ情報の不完全性を導入することで、一物一価の乖離の持続性の統計的性質を説明できる可能性があることが明らかになった。当研究では、実質為替レートとインフレーションの変動を価格粘着性の経済モデルの観点から実証・理論的分析を行い、マクロ経済学的なインプリケーションを得るものである。具体的には、研究テーマは2つの部分で構成される。(1)金融政策がもたらす名目的なショックと生産技術の変動がもたらす実質的なショックに対し、個別の財・サービスの価格指数へのどのように波及するのかについての分析、(2)企業の設定する価格に価格粘着性や情報の不完全性がある場合の実質為替レートの決定メカニズムと実質為替レートのPersistenceやVolatilityの決定要因に関する分析、の2つである。研究課題(1)では、一般にショックが及ぼす個別の財・サービス価格に対する波及効果は財・サービスに応じて大きく異なるが、この波及効果の違いが一般物価水準の予測に対してもつインプリケーションを分析する。また、財・サービスごとに異なる波及効果が財・サービスレベルの価格粘着性と、密接な関連をもっているのかどうかも検証したうえで、既存の粘着価格のマクロ経済モデルと整合的であるかどうかを、標準的な確率的動学的一般均衡モデル(Dynamic Stochastic General Equilibrium model : DSGE)の手法で検証する。さらに、既存の標準的経済モデルと整合的でない場合、既存の粘着価格のマクロ経済モデルをどのように拡張・変更することで波及効果と財・サービスの価格粘着性の間の関係をうまく説明できるのかを明らかにする。研究課題(2)では、実質為替レートと企業の価格設定行動に関する情報の不完全性の問題について議論する。より具体的には、企業が金融政策の変更に関して、不完全な情報しか持ち合わせていない場合に、情報が完全な場合と比べて、実質為替レートのPersistenceやVolatilityがどのように異なるのかを明らかにする。平成23年度は、情報の不完全性の観点から、企業の価格付け行動が一物一価の乖離(同一財の異なる地域における価格差)の変動と持続性に及ぼす影響に関する研究を中心に行った。研究成果は"Noisy Information, Distance and Law of One Price Dynamics Across US Cities"というタイトルで学外に公表した。なお、この論文は現在、学術誌に投稿中である。この研究では、一物一価研究における交易費用が果たす役割を実証・理論の観点から分析している。まず、実証分析として交易費用の近似としての都市間の物理的距離が、一物一価の乖離幅の変動(volatility)や一物一価の乖離の持続性(persistence)を増大させるのか減少させるのか、米国の都市別価格データを用いて検証した。検証の結果、都市間の距離が長くなるほど、一物一価の乖離幅は大きく変動するという既存研究の結果を改めて確認し、そのうえで一物一価の乖離幅の持続性もまた、都市間の距離が長くなるほど大きくなりがちであることが分かった。さらに、理論分析として、上記2点の実証的な事実を説明する理論モデルを構築している。理論分析では、既存の理論モデルが、物理的距離と一物一価の乖離幅の変動の間の正の相関をうまく説明できる一方、物理的距離と一物一価の乖離の持続性の間の正の相関はうまく説明できないことを指摘した。そのうえで、この後者の問題を克服するためには、企業が直面する需要に関し地域間で情報が不完全なケースを仮定した分析を行った。分析の結果、上記の不完全情報下では、物理的距離と一物一価の乖離の変動の間の相関だけでなく、物理的距離と一物一価の乖離の持続性の間の正の相関も同時に説明できることが分かった。さらに、理論モデルに財レベルの価格粘着性を導入することで、モデルのパフォーマンスが一層改善することもわかった。
HDLアポリポ蛋白解析による全身性アミロイドーシスの生化学的診断法の検討

基礎疾患を持つ全身性アミロイドーシス患者(ア症)において、血清アポAI,AII濃度の測定がアミロイドーシスの診断に有用かどうかを調べた。対象は多発性骨髄腫(MM)21例(うちア症合併8例)、慢性関節リウマチ(RA)95例(合併45例)、人工透析(HD)73例(合併32例)で、アポAII濃度はア症合併例で低値を示した。アポAII/AI比0.2をカットオフとすると各基礎疾患群でのア症診断の感度、特異性はMM群で、50%、100%、RA群で80%、78%、HD群で46%、90%となり、この指標がア症を診断する上で有用(特にRA群)であることが示された。なおこの指標は、腎症の存在、炎症活動性に影響されなかった。この機序を解明するためにRA群ア症のモデルである、マウス実験アミロイドーシスでのアポA蛋白の挙動を解析した。特異抗体を作製し、それぞれの測定系を確立した。両アポA蛋白ともア症発症マウスで低下し、アポAIIの低下がより顕著であり、ヒトでの成績と同様であった。しかし、アポA濃度は炎症活動性の影響を受けるため、肝でのmRNAの変化をRT-PCR法で調べた。アミロイド生成後期、安定期には、炎症が鎮静化し、アポAmRNAの低下は明確でなかった。一方、アミロイド生成期には、沈着中でアポAの存在が免疫組織化学的に確認されたことより、この時期のアポAの濃度低下は合成低下ではなく、アポAがHDLとともにアミロイド生成に巻き込まれることによる可能性が示唆された。よって血清アポA濃度が、アミロイド形成の状態を反映する指標になると期待される。多発性骨髄腫、慢性関節リウマチ、人工透析患者でアミロイドーシス非合併例と合併例のアポリポ蛋白AIとAIIの血清濃度を測定した。各基礎疾患群でアミロイドーシス合併例でAIIは低下傾向にあり、AII/AI比をとると各群の合併例を効率よく選別できた。一例としてAII/AI比のカットオフ値を0.2とすると、アミロイドーシスの診断の感度、特異性は骨髄腫で、50%,100%、関節リウマチで、80%,78%、透析で46%,90%となり、この解析により生化学的な分析で各基礎疾患群でアミロイドーシスの合併を診断できる可能性が示された。アミロイドーシス合併でのアポAII濃度低下の機序を調べるため、マウスアミロイドーシスモデルにおけるアポリポ蛋白の挙動を検討する実験系の準備にとりかかった。マウスのAIとAIIに対する抗体を自家作製するため、免疫抗原の調整をした。AIは量的に豊富なためマウス血清より精製した。AIIは血清より得られず、マウス肝臓のcDNAよりコンビナント蛋白の作製をおこなった。既に血清アミロイドAの系で成功しているpET21発現システムはマウスAIIでは十分な発現量が得られなかったため、fusion蛋白を発現するpET32のシステムで抗原を調整できた。ウサギに免疫することで抗マウスAI抗体,抗マウスAII抗体を得て、血清濃度を測定するための酵素免疫測定法の系を確立した。現在、マウスに炎症刺激を与えることにより、アミロイドーシスを作製し、アミロイド沈着の有無、程度と血清アポAI,AII濃度の関係を調べている。またAI,AIIが組織内のアミロイド線維と相互作用するかどうかを免疫組織化学的に調べるつもである。
リン酸化プロテオミクスによるmTORの細胞機能の解明

細胞内のシグナル伝達因子のリン酸化をリン酸化特異的抗体とフローサイトメトリーを組み合わせて検出する方法(Phospho-flow)がスタンフォード大学のGary Nolan博士らにより開発されている。この手法は従来のwestern blot法に比べ以下のような利点を有している。すなわち、1.細胞を溶解する必要が無いため解析に要する時間が短い2.検出に蛍光を用いるため定量性に優れる3.各種細胞マーカーの染色と組み合わせることにより、ヘテロな細胞集団においても細胞特異的なリン酸化を検出できることである。また、Nolan博士のグループはPhospho-flow法をよりハイスループットにするためFluorescent cell barcoding (FCB)法を開発した。この方法では細胞を異なる種類/濃度のアミノ基反応型蛍光色素によりバーコード化することで、異なる実験群の細胞を同一チューブ内で染色・データの取得を行えるようにしたものである。私はFCB法を96穴プレート上で効率良く行うプラットフォームを開発し、また、新たなバーコード色素を検討することで、理論上1000を超える条件の実験群の同時検出が可能にした。BIIRでは生体内の樹状細胞に対して特定のペプチドをデリバリーするためのシステムとして、樹状細胞に特異的に発現するレセプター分子に対する特異的な抗体を作成し、これにペプチドを結合させるというシステムを開発していた。これらの検討の中で、ある種の抗体がレセプターに対してアゴニスティックに働くことが示唆されていた。私は12種類のアゴニスト抗体と各5点の刺激時間の合計60の実験群に対し、50種のシグナル伝達因子のリン酸化を解析したが、上記の方法により、わずか半日でデータを取得することができた。各種アゴニスト抗体は異なるシグナル伝達のプロファイルを示すことがわかり、これらの抗体の特徴づけに大きく寄与することができた。海外渡航先にてリン酸化解析のための手法の取得に専念したため。海外渡航先に習得したPhospho-Flow法を用い、よりハイスループットかつ網羅的に細胞内のリン酸化の解析が可能になっており、この技術をリン酸化プロテオミクスと組み合わせることで、mTORが制御するシグナル伝達経路や分子の機能について明らかにしていく。また、Nolan博士のグループはPhospho-flow法をよりハイスループットにするためFluorescent cell barcoding(FCB)法を開発した。

各種アゴニスト抗体は異なるシグナル伝達のプロファイルを示すことがわかり、これらの抗体の特徴づけに大きく寄与することができた。本年度は海外渡航先にてリン酸化解析のための手法の取得に専念したため。海外渡航先にてリン酸化解析のための手法の取得に専念したため。CANDファミリータンパク質のmTORによるリン酸化の解析に関して、本年度に習得した手法を用いることで実験の迅速化を行う。海外渡航先に習得したPhospho-Flow法を用い、よりハイスループットかつ網羅的に細胞内のリン酸化の解析が可能になっており、この技術をリン酸化プロテオミクスと組み合わせることで、mTORが制御するシグナル伝達経路や分子の機能について明らかにしていく。
移植片対宿主病の組織障害責任分子の同定とその病理学的機構に関する基礎的研究

造血幹細胞移植は血液悪性腫瘍など多くの致死的難治性疾患の根本治療法である。独自に確立したCCL8欠損マウスを検討したところGVHDによる早期死亡の劇的な改善が認められた。そこからGVHDの組織障害にCCL8が決定的な役割を果たすことが判明し、組織障害エフェクターの調節因子であることが示唆された。そこで本研究で多重染色FACS、転写プロファイリングと情報科学を融合しGVHDの分子標的医療への橋渡しを目指した基礎的研究を実施する。
細菌キチナーゼによるプロセッシブな結晶性キチン分解機構解明の新展開

本研究は、より普遍的で進化した結晶性キチン分解機構モデルの提案を究極的な目標としている。そのため、「キチン分解促進蛋白質(CBP21)の結晶性キチン分解利用における役割の検証」、「キチン分解細菌の生物機能におけるCBP21の重要性の解明」、「自然界に圧倒的に多く存在するα-キチンの分解機構の解明」などの研究を行った。その結果、天然状態に近いキチンの分解利用にCBP21が特に重要であること、1つのキチナーゼ分子が配向方向の異なるキチン鎖に移動して逆方向に分解を開始すること、結晶化度の高い基質分解には触媒クレフト入り口に大きな共鳴構造の芳香環が重要であること、などの重要な結果を得ることができた。本研究は、「自然界に圧倒的に多く存在するα-キチンの分解機構の解明」、「細菌のキチン分解酵素系の主要メンバーとして認知されつつあるキチン分解促進蛋白質(AA10蛋白質・CBP21)の結晶性キチン分解利用における役割の検証」、「キチン分解細菌の生物機能におけるAA10蛋白質の重要性の解明と補助因子の探索」、などの研究によって、“より普遍的で進化した結晶性キチン分解機構モデルの提案"を目指している。平成27年度は、Serratia marcescensのキチナーゼであるSmChiA, SmChiBとPhaeocystis由来高結晶性α-キチン微小繊維を用いてα-キチン分解機構を解明するため、SmChiAによるα-キチン分解の高速原子間力顕微鏡によるリアルタイム観察の条件の検討をまずおこなった。その結果、β-キチン微小繊維を用いた場合と類似の条件での観察が可能であることがわかり、予備的な観察に成功した。また、細菌によるキチン分解利用におけるCBP21の役割の検証のために、CBP21をコードする遺伝子の欠損変異株の構築を試み、その取得に成功した。その変異株を用いて、CBP21が細菌のキチン分解利用に非常に重要であることを明らかにすることに成功するとともに、S. marcescensの培養上清中にCBP21の補助因子が存在する可能性を強く示唆する結果が得られた。さらに、これまで結晶性キチン分解への重要性がわかっているSmChiB分子表面に存在する4つの芳香族アミノ酸残基のうち、特に触媒クレフト入り口に存在するTyrに着目し、各種のアミノ酸残基への置換を行った。その結果、結晶化度の高い基質分解には、触媒クレフト入り口に大きな共鳴構造の芳香環が重要であり、水溶性高分子基質の分解には逆に芳香環がない方が有利であることが明らかとなった。Phaeocystis由来の高結晶性α-キチン微小繊維を用いたS. marcescensのキチナーゼによるα-キチン分解機構の解明の実験に関しては、当初は生化学的分析から取り掛かる予定であった。しかし、試料であるα-キチン微小繊維の量が微量であることから、まず高速原子間力顕微鏡観察を優先することとし、そのために最も重要な高結晶性α-キチン微小繊維の観察条件の検討を試み、その確立に成功した。そして、予備的な観察によって、高結晶性α-キチン微小繊維上のSmChiA分子の観察が可能であることを示す結果がすでに得られている。キチン分解促進蛋白質CBP21の結晶性キチン分解利用における役割の検証に関しては、すでにCBP21の遺伝子欠損変異株の取得に成功し、細菌自身にとってのCBP21の重要性を初めて明らかにできた。また、本研究を構成する幾つかの研究項目の中でCBP21を中心とした研究項目の重要な目的の一つである補助因子の探索の前提となる、培養上清画分のキチン分解促進効果を示す実験データを得ることに成功した。さらに、α-キチン分解機構解明や、キチナーゼによるキチン分解に対するCBP21の促進機構解明の前提となる、SmChiBの分子表面の芳香族アミノ酸残基に関しても、結晶性キチン分解に最も重要な残基と考えているTyr-240の機能に関する詳細な知見を得ることに成功した。以上のように、当初の実験計画の軌道修正や、実験の順番を変更した点はいくつかあるが、変更後の実験全てにおいて重要な知見が得られており、順調に進行しているということができる。本研究は、「自然界に圧倒的に多く存在するα-キチンの分解機構の解明」、「キチン分解促進蛋白質CBP21(AA10蛋白質・LPMO)の結晶性キチン分解利用における役割の検証」、「キチン分解細菌の生物機能におけるCBP21の重要性の解明と補助因子の探索」などによって、“より普遍的で進化した結晶性キチン分解機構モデルの提案"を目指している。平成27年度に、α-キチン分解機構の解明の一環として、Phaeocystis由来高結晶性α-キチン微小繊維を基質とし、原子間力顕微鏡を用いてSerratia marcescensのキチナーゼA(SmChiA)の分解挙動を観察するための条件検討を行った。その結果に基づいて平成28年度には原子間力顕微鏡による観察を開始し、不鮮明でかつ限られた分子数ではあるが、α-キチン微小繊維上を分解移動していたSmChiA分子が途中で折り返し、反対方向に移動するような様子を観察することができた。また、細菌のキチン分解利用におけるCBP21の役割を検証するために、平成27年度にCBP21の欠損変異株を構築し、CBP21がキチン分解利用に非常に重要であることを明らかにした。

平成28年度は、CBP21欠損の影響を異なる形状のキチンを用いて様々な角度から分析し、CBP21の欠損が微粉末化したキチンに比べて、フレーク状のキチンの分解利用を顕著に低下させることを明らかにした。このことから、CBP21はより天然に近い分解しにくいキチンの分解利用に特に重要な役割を果たしていることが強く示唆された。また、SmChiAの結晶性キチン分解に必要な局所構造解明の一環として、分子表面に存在する4つの芳香族アミノ酸残基のうち、触媒クレフトに最も近いTyr240と最も遠いTyr481に着目し、その変異体構築と変異の影響の解析を開始し、Tyr240の重要性を示す結果を得た。Phaeocystis由来の高結晶性α-キチン微小繊維を用いたS. marcescensのキチナーゼによるα-キチン分解機構の解明の実験に関しては、もともと入手出来る高結晶性α-キチン微小繊維の量が微量であるため、高速原子間力顕微鏡による観察は困難が予想されていた。しかし、不鮮明ではあるが高結晶性α-キチン微小繊維上のSmChiAの分解挙動と、その特殊な動きを観察することができた。微量の試料を用いてこのような結果が得られた意義は大きい。また、入手が容易でない高結晶性α-キチン微小繊維を用いての今後の実験に限界がある可能性も考えられることから、酵素側の結晶性キチン分解に必要な構造と機能の詳細な理解を進める必要があり、SmChiAの結晶性キチン分解に必要な局所構造として、分子表面及び触媒クレフト内部の芳香族アミノ酸残基の、プロセッシブ(連続的)なキチン分解における役割を解明する実験を開始し、すでに幾つかの重要な知見が得られている。さらに、細菌のキチン分解利用におけるCBP21の役割を検証するための実験においては、S. marcescensのCBP21の欠損変異株の構築に成功し、この変異株を用いて、単純に一般論としてのキチン分解利用における重要性から一歩踏み込んで、天然に近いより分解しにくいキチンの分解利用に特に重要であることが示唆された点は、生態系におけるキチン分解細菌の役割とメカニズムの理解において特に重要で、今後の新たな展開が期待できる本研究ならではの成果として強調しておきたい。以上のことから、おおむね順調に進展していると判断した。S. marcescens 2170株の、キチン分解利用と昆虫病原性に対するCBP21蛋白質の重要性の解明を試みた。Allelic Exchangeにより染色体上のcbp遺伝子を破壊し、CBP21蛋白質の欠損株(Δcbp)を取得した。また、低コピープラスミドと構成的プロモーターを用いて、Δcbpの相補株Δcbp/pcbpを構築した。これらの欠損株及び相補株と野生株のキチン分解利用と昆虫病原性を比較した。高結晶性β-キチン微小線維またはコロイダルキチンを分散させた寒天平板培地上でこれらの株を培養したところ、Δcbp株はいずれの基質でも野生株に比べ小さく不明瞭なクリアゾーンを形成した。cbp相補株はβ-キチン微小繊維を含む培地で野生株よりも大きく明瞭なクリアゾーンを形成し、コロイダルキチンでは小さく不明瞭なクリアゾーンを形成した。さらにフレーク状キチンとコロイダルキチンを炭素源として液体培養したところ、cbp相補株が最もよく生育し速やかにフレーク状キチンを分解し、Δcbp株は生育も分解も顕著に遅かった。コロイダルキチン培養ではΔcbp株と野生株の生育速度はほぼ同等で、相補株の生育が最も悪かった。
火山噴火様式の分岐を支配する火道浅部脱ガス機構の研究

新燃岳2011年噴火を例に、噴火の爆発性の違い(サブプリニー式噴火とブルカノ式噴火・溶岩ドーム噴火)により、火道浅部でのマグマ滞留時間が異なることを石基の微細な結晶が記録していることを見出した。また、安山岩質軽石を出発物質として、火道浅部条件における、発泡組織の表面張力による形状緩和実験を行った。気泡の形状緩和・合体速度とその水蒸気圧依存性を明らかにするとともに、圧密が進行し、ガスポケットの形成を促す可能性があることがわかった。活火山の典型的噴火事例においてマグマの上昇・脱ガス履歴を明らかにするため,浅間火山および桜島火山噴出物の岩石学的研究を行った.まず,浅間火山の天仁噴火において,軽石とともに多量に噴出する本質物質の石質岩片の含水量や結晶度を調べ,(1)その両者が,火道のごく浅部に上昇してくるまでは,同じ減圧履歴をたどったこと(2)斑晶を除いた部分の発泡度が60%に達した時点で,気泡の連結度が急激に上昇し,軽石として破砕をするか,圧密を起こして石質岩片となるかの分岐が発生したこと(3)このことから,浅間火山においては天仁噴火時のマグマ上昇速度が,ちようど爆発的な噴火と非爆発的な噴火の分岐点付近にあり,このときの減圧速度をマイクロライト結晶化実験などによって決定することにすることにより,将来の噴火活動において,噴火様式の半経験的な予測ができる可能性があることが明らかとなった.また,桜島火山のもっとも最近の爆発的噴火である大正噴火において,メルト包有物の揮発性成分量の分析を顕微赤外分光法で行った.その結果,珪長質端成分マグマ由来の斑晶に含まれるメルト包有物は,含水量が最大で約2.4%であり,珪長質端成分マグマ溜まりは桜島直下数kmの浅部に存在すると予想された.また,まだデータ数は少ないものの,高温端成分マグマ由来の斑晶に含まれるメルト包有物は,相対的にCO2に富む傾向にあり,より深部のマグマ溜まりから供給されたことが示唆された.さらに,斜長石に含まれる磁鉄鉱の包有物および磁鉄鉱斑晶の化学組成から,大正噴火の準備過程では,マグマ溜まりに苦鉄質マグマが繰り返し注入されて継続的に温度が上昇していったことが明かとなった.以上から,桜島火山下のマグマ供給系は二段階のマグマ溜まりからなり,噴火の根本的な駆動力は苦鉄質端成分マグマが持っていることが明らかとなった火山噴火の様式(爆発性)の多様性は、しばしば火動浅部での過剰圧の蓄積と放出によって支配される。過剰圧はマグマの上昇減圧による揮発性成分の析出や供給によって発生し、放出は脱ガスによって行われる。本年度は、天然の噴出物の解析と高圧実験によってこれらの素過程を明らかにした。(1)桜島火山の大正噴火噴出物のメルト包有物には、単純な脱水作用で予想されるよりも高い二酸化炭素が含まれており、近年世界各地の火山で見いだされているCO2-fluxingが起こっていることがわかった。(2)移流拡散モデルによって、CO2-fluxingによるマグマの揮発性成分濃度、および火山ガス組成変化の基本的な性質を明らかにした。(3)高温高圧実験によって、CO2-fluxingによりマグマ溜りでの気泡の成長が起こり、噴火が誘発される程度のマグマの密度低下がもたらされ得ることがわかった。(4)桜島大正噴火噴出物には、磁鉄鉱とともに硫化鉱物包有物が含まれ、それが噴火直前の酸化作用によって不安定化していることが明らかとなった。(5)火道浅部で脱水が進んだ珪長質マグマでは、メルトの脆性破壊が起こることが知られており、その破砕面が脱ガスの通路となる。流紋岩質メルトの破断面のヒーリング実験を行い、その速度が、メルトの粘性流動によって基本的に支配されていることが明らかとなった。破断面のヒーリングの時間ヌケールは、マグマが拡散脱水して黒曜岩などにみられる縞状構造を作るのに十分な時間であり、また火山性地震の発生間隔と矛盾しないことがわかった。(6)桜島昭和火口から噴出した火山灰・軽石の石基には、長さ数ミクロン、幅数百nm以下のナノライトが含まれることを見出した。ナノライトの結晶量や形状、数密度、化学組成は噴出物によって異なり、ブルカノ式噴火直前の火道浅部に形成される"ガスだまり"の物理化学条件を反映している可能性があることがわかった。安山岩質マグマに特徴的な、ブルカノ式噴火の活動の推移を理解するためには、爆発の駆動力を担っているとされる火口直下の"ガス溜まり"の実態を理解する必要がある。

今年度は、ガス溜り条件(水蒸気圧60気圧・温度1000°Cまで、酸素分圧はNNO緩衝)を発生する独自の実験方法により、マグマからの極微細な鉱物(ナノライト)の晶出実験を行った。その過程で、メルトの結晶化のみならず、発泡組織の迅速な緩和が発見された。これはメルトの表面張力が粘性力に勝って気泡形状が球形に近づく現象であり、マグマ中の空隙が孤立化して浸透率の大幅な低下を起こすことが予測される。すなわち、ガス溜りに過剰圧が蓄積される主要な素過程を突き止めた可能性がある。そのため、結晶作用とともに、新たに気泡形状の変化について、重点的に調べた。実験は、爆発直後の火道内マグマの条件を模擬する物質として、より深部で破砕・急冷したプリニー式(桜島大正噴火)軽石を用い、シリカガラスチューブにステンレスジャケットを被せて耐圧限界を上げた独自のセルによって行った。発泡組織の緩和については、空隙の球状化(真円度の上昇)・気泡の合体・空隙連結度の低下・外部に繋がった空隙の組織緩和による見かけ密度の低下(自己圧密)が、1000°Cで30分以内に進行し、一方900°Cでは36時間でも有意な進行を見せずに脱水結晶化による粘性上昇が起こってそれ以上の形状緩和が妨げられてしまうことがわかった。これらのことから、活発でマグマが高温なブルカノ式の活動では、噴火間隔が最短で15-20分程度であることを説明できる可能性がある。一方、ナノライトの結晶作用については、桜島昭和火口や霧島火山新燃岳の噴出物の一部に見られる、鉱物の組み合わせや数密度・結晶形状を再現することができ、これらの火山の活動におけるマグマの定置深度や滞留時間を、実験的に再現できることがわかった。1.新燃岳2011年のサブプリニー式・ブルカノ式噴火で噴出した軽石・本質石質岩片試料の石基結晶について、鉱物相の種類(輝石・斜長石)ごとに結晶サイズ分布(CSD)を測定した。その結果、サブプリニー式噴火軽石の斜長石を除き、幅1.5ミクロン程度でCSDに明確な傾きの変化が見られ、マグマ溜りから火道浅部までの上昇過程を記録しているマイクロライトと、火道浅部での定置深度や滞留時間を記録しているナノライトに区別されることがわかった。2.桜島大正噴火のプリニー式軽石層に含まれる石質岩片を採取して全岩化学組成分析を行った。その結果、初期中期に噴出した軽石と組成の類似する本質岩片が多く発見された。よって、プリニー式噴火の最中から一部のマグマは火道中でfoam collapseを起こし、ブルカノ式噴火や溶岩噴火へと遷移する準備過程が進行している可能性があることがわかった。3.桜島大正噴火軽石を出発物質として、火道浅部深部条件(高温,低水蒸気圧高水蒸気圧)での加熱実験を行い、表面張力を駆動力とする気泡の形状緩和・合体実験、および石基ガラスの結晶化実験を行った。実験には、シリカガラスチューブ法、それを応用したボルトナットセルを用いた。気泡の形状緩和・合体速度とその水蒸気圧依存性を明らかにするとともに、外界に接した気泡(即ち湾入部分)の形状緩和によって、効果的に見かけ密度の減少が起こることが明らかとなった。水蒸気圧が高いほど、石基結晶の晶出と、メルトの粘性増加が抑制されるので、形状緩和と合体が高速に進行することが明らかとなった。試料サイズを大きくすると実効的な表面積が小さくなり、表面張力による等方的な収縮が起こることにより、試料内部に亀裂が形成されることが見いだされた。これにより巨視的な浸透率が増加し、より大きな火道スケール(m数十m)でのマグマの脱ガスと圧密が進行することが予想される。火口直下のガス溜り条件でのメルトの結晶化実験に成功し、順調に実験結果が得られている。
生物進化を表すマルコフ過程モデルの揺らぎの数理解析

生物進化をあらわすマルコフ過程として、集団遺伝学でよく用いられるWrightの島モデルを出発点とし、そこに島内の相互作用があるモデルを提案した。このモデルでは、島サイズnが有限であることから、確率的な揺らぎが生まれる。島サイズは有限のままに、島の数が無限に存在する状況を考えると、ある島に発生した1個体の突然変異個体は、永遠にその島にいることはできないため、最終的にその島からは絶滅する。絶滅するまでに、何個体の子孫を残すことができるかを計算することで、n個という有限性が生み出す揺らぎが、島の数が無限個あることによって、ある意味で平均化され、最終的に進化がどのような方向に進むのかを解析している。これまでの研究では、島サイズnはすべての島において共通であることを仮定してきたが、本年度はサイズの異なる複数の島サイズが存在するモデルを解析した。前年度までに開発した数理的手法を応用することにより、非一様な有限島サイズがもたらす影響を考慮したうえで、進化的に安定な戦略を解析的に求めることに成功した。従来の進化生物学において直感的に議論されていた解析手法を、精緻化することで、これまでに知られていなかった解析解の導出に成功した。これは、本研究計画が目指す進化生物学分野と応用数学分野の融合の一つの成果であり、今後も積極的に継続する。異なる島サイズが分散によって結ばれているとき、進化する形質値を明らかとする一般式を求めたが、分散率そのものが進化する場合にも、類似の手法が適用できると考えられるため、これを解析する。また平行して、2016年度の研究成果からの発展、すなわちReplicatorーMutator方程式を導くようなスケール極限が証明できるのに、この方程式の解は生物学的に妥当でないふるまいを見せるのは、いったいどこに問題があるのかを探る研究も続ける。生物進化を表すマルコフ過程として、集団遺伝学でよく用いられるWright-Fisher過程に、頻度依存淘汰を組み込んだモデルをまずは厳密に定義した。このモデルは、Wakano & Iwasa (2013)やWakano & Lehmann (2014)で記述されたモデルの数学的な記述となっている。確率過程であるので、個体数Nの大きさによって決まる揺らぎが存在している。その揺らぎを考慮した上で、個体数無限大の適切なスケール極限のもとで、このモデルの特徴量(生物学的には形質値の平均値や分散など)が従う決定論的な偏微分方程式を導出した。この偏微分方程式は、従来Replicator-Mutator方程式として知られてきたものであったが、これが適切なスケール極限のもとでは、自然選択つきWright-Fisher過程を数学的に近似する正しい方程式であることが明らかとなった。確率論の数学者との共同研究により、進化ゲーム理論を表す自然選択つきWright-Fisher過程の数学解析に成功した。これは、本研究計画が目指す進化生物学分野と応用数学分野の融合の一つの成果であり、今後も積極的継続する。絶滅するまでに、何個体の子孫を残すことができるかを計算することで、n個という有限性が生み出す揺らぎが、島の数が無限個あることによって、ある意味で平均化され、最終的に進化がどのような方向に進むのかを解析した。このことにより、従来の進化生物学において直感的に議論されていた解析手法を、精緻化することに成功した。従来の進化生物学において直感的に議論されていた解析手法を、精緻化することに成功した。

適切なスケール極限のもとでは、Replicator-Mutator方程式は自然選択つきWright-Fisher過程を数学的に近似する正しい方程式であることが明らかとなった。しかし一方で、生物学的に妥当なパラメータのもとでは、Replicator-Mutator方程式は個体ベースシミュレーションとは異なる振る舞いを示すことがある。この乖離は、Replicator-Mutator方程式を導くようなスケール極限が、生物学的に常に合理的ではないことを意味している。その理由について、検討していく。島のサイズが有限で一定の場合について解析したが、異なる島サイズが分散によって結ばれているとき、その揺らぎの程度・効果は必ずしも明らかでない。これを解析する。また平行して、2016年度の研究成果からの発展、すなわちReplicatorーMutator方程式を導くようなスケール極限が証明できるのに、この方程式の解は生物学的に妥当でないふるまいを見せるのは、いったいどこに問題があるのかを探る研究も続ける。異なる島サイズが分散によって結ばれているとき、進化する形質値を明らかとする一般式を求めたが、分散率そのものが進化する場合にも、類似の手法が適用できると考えられるため、これを解析する。既存の計算機環境を継続利用したため。(理由)既存の計算機環境を継続利用したため(使用計画)計算機環境を購入する。(使用計画)計算機環境を購入するほか、これまでの成果を国際学会にて発表する。計算機環境を購入する。
個別化医療に向けた抗がん剤感受性試験法の確立と臨床的有用性に関する研究

【目的】口腔癌患者由来の生検腫瘍組織を用いた抗がん剤感受性試験法(以下、感受性試験)の確立と、感受性試験の結果と治療後の手術摘出標本の組織学的判定に基づく治療効果の比較により臨床的有用性について検討する。【方法】口腔癌患者由来の生検組織を用い、コハク酸脱水酵素活性(SDI)法によりドセタキセル、フルオロウラシル、シスプラチンおよびカルボプラチンに対する感受性を検討し、術前化学放射線療法の治療効果を大星・下里分類に基づき組織学的に判定後、感受性試験の結果と比較した。【結果】5症例についてSDI法により感受性試験を行った結果、成功率は60%であった。さらに、感受性試験で無効と判定された症例では、手術摘出標本の組織学的手術前治療効果判定はGrade II以下であり、感受性試験の結果と手術摘出標本の組織学的手術前治療効果判定に高い相関が認められた。また、カルボプラチンに対しては感受性が高く判定される傾向が認められた。【考察】SDI法による感受性の判定および手術摘出標本の組織学的手術前治療効果判定に相関が認められたことから、口腔癌治療における感受性試験の方法としてSDI法が適切であること、および感受性試験の臨床的有用性が示唆された。しかしながら、臨床応用のためには、時間依存性、または濃度依存性などの抗がん剤の特徴を考慮した検討と、さらなる症例の蓄積が必要である。本研究で得られた成果は、病院薬剤師が科学的根拠に基づいた個別化医療の促進に寄与できる可能性を示唆している。
燃焼生成物の発生・消滅機構の解明

拡散火炎では、火炎面近くで物質および熱移動と同時に化学反応が進行し、それらが複雑にからみながら発熱が進んでいる。本研究はその様な場での燃焼生成物の発生・消滅機構を速度論的立場から解明し、効率的な燃焼制御ならびに汚染物質の低減のための基礎学の構築を目指すもので、本年度は主に次の事項について研究を実施した。1.クラスター動力学を考慮に入れた均一核生成理論を提案し、この理論によって、すす生成量が影響を受けなくなるクラスター階級が存在すること、すすの生成は低温では燃料の熱分解によって律速されるのに対し、高温ではクラスター成長の逆反応が増すため、その生成量は2,000K近くで極大となることなどを明らかにした。2.炭素質ラジカル種の熱化学的性質や反応性を速度論的に解明することを目的として、炭素ロッドをレーザ照射することによって炭素質ラジカルを作成し、リフレクトロン飛行時間型質量分析計によって検出するシステムを試作した。これにより、光イオン化の手法を用いてC_3ラジカルが生成していることを示し、その安定性が高いことを明らかにした。3.火炎中のすすの酸化機構を解明するために、放電プラズマにより一定の濃度のOHラジカルを発生させる新しい実験手法を用いて気相析出型すすの酸化速度を調べた。その結果、高周波2重円筒形無声放電反応装置により、すすを室温で75mg/Nm^3まで再燃焼でき、さらに共鳴吸収法により放電プラズマ内におけるOHラジカルを定量測定した。4.高温壁面上を流れる可燃性気体の燃焼過程の数値モデルを作成し、着火の機構および火炎と伝播とともに生成・消滅するNO,NO_2の挙動を調べた。燃料はメタンとし、34成分の燃焼生成物、および107式の燃焼素反応を考慮した。計算結果より、火炎内に生成するPrompt NOは火炎前面でNO_2に酸化され、高温になると再びNOに還元されることを示した。
形容詞の項構造からの形容詞主要構文の分析-tough構文とW類形容詞構文

W類構文では、なぜwise類のみがof NPをとるのかというイシューがある。これは、これらの形容詞がある行為に関してその様態の評価を含むことから帰結することを明らかにした。従って、slowのような形容詞には*It is slow of John to finish thejob.は不可能となる。Ofは行為者でかつ被評価者を実現する言語形式であると分析した。以上のごとく、本研究では、形容詞の意味構造およびそこから導かれる項構造から、形容詞構文の統語的側面が明らかにされた。本計画では、二つの形容詞特殊構文-tough構文(1a)とW類形容詞(wiseなど)構文(1b)-構文を取り上げ、これらの構文の構造を、既存の文法原理に基づき、係わる形容詞の語彙意味論から単純明快にかつ、新たな説明装置の導入なしに説明しようとするものである。特にtough構文の派生は、40年来のパズルで未だに決定的な説明が提出されていない現状である。これらの構文について本年度は、(1)関連形容詞の項構造を明らかにするべくそれらの詳細な意味分析を行った、(2)項構造の統語構造への実現-すなわちリンキング規則の定式化、(3)リンキング規則による構文交替の説明、(4)義務的コントロールの語彙意味的説明、について一定の進展を見た。Tough構文については、(1a)と(2)は基本的に叙述構造が異なることを明らかにした。W類形容詞構文(1b)の二つの形容詞も根本的に異なる叙述機能を持つことを明らかにした。したがってこれらのwise文は統語的には無関係の構文となる。以上のような形容詞の精密意味論から、これらの形容詞構文の諸特徴が説き明かされた。従ってslowのような形容詞には*It is slow of John to finish thejob.は不可能となる。
自己エネルギー汎関数理論に基づく種々の低次元強相関系の数値的研究

1.電子の分散関係が線形となるディラックコーンに電子相関効果が加わったときの一粒子励起ギャップおよび反強磁性転移の振る舞いを、ハニカム格子ハバード模型に変分クラスター近似(VCA)を適用して解析した。本研究では任意の大きさの電子間相互作用で一粒子励起ギャップが開くという結果を得た。この問題はグラフェンで実現しているとされる線形分散が電子相関効果に対してどの程度強固に存在し続けるかということにつながる重要な問題である。一方でグラフェンでは電子ーホール対称性を持つハニカム格子ババード模型が実現しているとは言えず、本研究の結果とグラフェンでの線形分散の存在を直ちに結びつけることは出来ないことにも留意すべきである。2.擬一次元構造を持つTa2NiSe5は、強く束縛された電子ーホール対(励起子)が自発的に形成しボース凝縮することで絶縁体となる励起子ボース凝縮絶縁体の候補物質である。このことを理論的に検証するには、有限温度における励起子の形成による擬ギャップの存在等、転移温度以上の電子状態を検証する必要がある。そこでVCAを有限温度に拡張し、擬一次拡張Falicov-Kimball模型の一粒子励起スペクトルや秩序変数の温度依存性を詳細に解析した。その結果、励起子の形成により転移温度以上でもギャップが開き、価電子帯トップの分散がフラットになることを計算により再現した。この結果はTa2NiSe5における励起子ボース凝縮絶縁体の実現を支持している。3.二次元スピン非対称Hubbard模型の強相関領域を対象として、スピン液体相に対する幾何学的フラストレーション及びスピン空間における量子揺らぎの抑制(スピン空間におけるIsing異方性)効果を研究し、二次元非対称Hubbard模型の磁気相図を完成させた。量子揺らぎの強い領域から、量子揺らぎの無い古典Ising模型までの磁気相図の繋がりを明らかにした点で意義がある。本年度は、主に以下に示す2つの低次元強相関系の研究を行った。第1は、銅酸化物高温超伝導体におけるWaterfall現象に対する理論的研究である。Waterfall現象とは、銅酸化物高温超伝導体に対する角度分解光電子分光実験において、20eV程度のエネルギーの入射光子に対して波数(0,0)付近のスペクトルが消失するため、そのスペクトルが滝のように見える現象のことを指している。この現象の起源を解明するため、銅酸化物高温超伝導体の銅-酸素面をモデル化した2次元d-p模型に対して理論的考察及び数値的解析を行った。銅-酸素軌道に生じるZhang-Rice一重項状態の対称性と光電子分光における選択則、および入射光子のエネルギーに対する銅d軌道または酸素p軌道の散乱断面積の違いにより、この現象を説明し、実際にこれらを考慮した厳密対角化計算と変分クラスター近似(VCA)計算により一粒子励起スペクトルを計算することで、waterfall現象を再現した。第2は、2次元Hubbard模型の自己エネルギーとフェルミ面に関する研究である。2次元Hubbard模型のフェルミ面の形状は、理論的にも実験的にも興味が持たれている。本研究では数値計算を用いて自己エネルギーを注意深く考察することで、フェルミ面の形状を議論した。数値的厳密対角化法による計算の結果、自己エネルギーは波数に強く依存していることを示した。さらに有限サイズ計算の結果得た自己エネルギーを、簡単な関数を仮定してフィットしたものを無限系の自己エネルギーとし、これを用いてスペクトル関数を計算した。この結果、低ドープ域ではホールポケット型のフェルミ面を得た。さらにLuttingerの定理との整合性を議論し、ホールポケット型のフェルミ面がLuttingerの定理と矛盾しないことを説明した。自己エネルギー汎関数理論に基づく変分クラスター近似(VCA)計算を主な研究手段として用い、理論模型における励起子絶縁体のBCS-BECクロスオーバーに関する理論的研究を行った。励起子絶縁体はクーロン力が遮蔽されにくい半金属あるいは半導体で実現し得るものであり、近年注目される鉄系超伝導体においても半金属的なバンド分散が実現しているため、その理論的理解を進める意義は大きい。一方で、励起子は電荷を持たないため、励起子絶縁体状態が実際の物質で実現しているかどうかを確認することは難しい。本研究では、励起子絶縁体を再現する理論模型である拡張Falicov-Kimball模型に対し、初めてVCA計算を適用した研究を行った。特にこの模型に関して、短距離相関を厳密に取り入れた異常グリーン関数は先行研究では計算されたことがなく、励起子絶縁体におけるBCS-BECクロスオーバーの理解を進める上で重要な結果であった。また、この模型については平均場近似が有効になる場合があることが先行研究の結果から知られていたが、その理由を自己エネルギーの解析的性質の観点から明らかにした。さらに実験への示唆として、(角度分解)光電子分光実験により、価電子帯軌道と伝導帯軌道の混成の温度変化を観測することで、励起子絶縁体状態が現実の物質内で実現しているかどうかの判別が行える、という提案を行った。この研究成果は国内外の学術会議における講演及び論文として発表した。またハニカム格子上で定義された半充填ハバード模型において、クーロン相互作用Uの関数としての半金属-絶縁体転移および反強磁性転移についての研究を行った。ハニカム格子上の電子状態は、グラフェンとの関連から、またフェルミエネルギーにおける特異な線形分散関係により大きな興味の対象となっている。