hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
遺伝子発現制御におけるDECODE複合体の分子作用機構の解析

特異的転写は、高次転写因子タンパク質-DNA複合体によって制御を受ける。本研究では、Ets1-Runx1-CBFβ-DNA複合体の分子構造を解析し、複合体の安定化機構が、DNAを介したアロステリック制御であることを見いだした。この制御様式は、様々な転写因子-DNA複合体においても適用可能であり、ある程度の一般性を持つと考えられた。さらに、転写因子-DNA複合体形成に与える転写因子の化学修飾の役割が、複合体を構成する他の転写因子タンパク質によって調節を受けていることを、その分子機構とともに明らかにした。1.転写制御因子間の会合によるエンハンセオソーム形成とその制御機構の解析Runx1-DNA複合体およびRunx1-CBFβ-DNA複合体におけるRunx1の揺らぎの制御の解析と生化学的機能解析を行い、CBFβによるアロステリックなRunx1のDNA結合活性制御機構がRunx1の揺らぎの安定化であることを明かにしつつある。また、TCRαエンハンサー配列上で形成される,Runx1とEts1を含んだ高次複合体の結晶化条件の検討を行い、結晶化に成功した。MeCP2による抑制系のリプレッソソームの形成機構の解明、およびポリヌクレオソームの構造変換の機構を解析するため、MeCP2の結合DNAであるメチル化CpG配列との複合体の結晶化条件の検討を行い、いくつかの条件で結晶を得た。2.ヒストンシャペロン、クロマチンリモデリング因子およびピストン修飾酵素によるヌクレオソームの変換機構を解析ヒストンシャペロンの一つであるNap-1とヒストンとの複合体、ATP依存性クロマチンリモデリング因子ACF(ISWI-Acf-1複合体)およびACF-ヒストン複合体、および転写のコアクチベータであるCBP/p300の構造解析を開始した。これらのさまざまな領域を含むタンパク質を調製し、結晶化条件の検討を行った。Nap-1とヒストン複合体については、一部の条件で微小結晶を得た。3.転写制御因子の化学修飾による活性制御機構の解Ets1のリン酸化を例として解析を進めた。Ets1のリン酸化方法とリン酸化タンパク質の精製法とともに、リン酸化状態を評価するための2次元電気泳動および質量分析計を用いた実験系を確立した。1.転写制御因子間の会合によるエンハンセオソーム形成とその制御機構の解析Runx1-DNA複合体およびRunx1-CBFβ-DNA複合体におけるRunx1の揺らぎの制御の解析と生化学的機能解析を継続して行った。CBFβによるアロステリックなRunx1のDNA結合活性制御機構と分子の揺らぎの制御との関連をさらに詳細に調べるため、機能的に重要なアミノ酸残基に変異を導入し、NMRによる揺らぎの解析を行っている。また、TCRαエンハンサー配列上で形成されるRunx1とEts1を含んだ高次複合体の結晶化条件の検討を行い、得られた結晶を用いて回折データを得た。さらに高分解能データを得るための条件検討を行っている。2.ヒストンシャペロン、クロマチンリモデリング因子およびヒストン修飾酵素によるヌクレオソームの変換機構を解析ヒストンシャペロンの一つであるNap-1とヒストンとの複合体、ATP依存性クロマチンリモデリング因子ACF(ISWI-Acf-1複合体)およびACF-ヒストン複合体、および転写のコアクチベータであるCBP/p300の構造解析に着手した。機能ドメインを含む様々な分子長のタンパク質を調製し、結晶化条件の検討を行った。Nap-1、およびNap-1ヒストン複合体は結晶化に成功して、X線回折データの収集を行った。3.制御因子の化学修飾による活性制御機構の解析様々な分子長のタンパク質およびDNAを用いた検討により、リン酸化Ets1,Runx1,CBFβおよびTCRαエンハンサー配列を含むDNAの複合体を調製し、結晶化条件のスクリーニングを行った。その結果、リン酸化Ets1-Runx1-CBFβ-DNA複合体の結晶化条件を見出すことができた。1)転写制御因子間の会合によるエンハンセオソーム形成とその制御機構の解析白血病発症に関与する転写制御因子Runx1のDNA結合活性が,制御因子CBFβによって制御される分子機構を解析した。無細胞合成系を用いたアミノ酸特異的安定同位体標識実験を立ち上げアミノ酸残基のNMRシグナルの帰属を完了した。また,変異型Runx1の揺らぎを測定した。T細胞受容体遺伝子のエンハンサーに形成される転写制御因子複合体Runx1-Ets1-CBFβ-DNA複合体を,様々なタンパク質長のRunx1,Ets1について作成し,X線結晶構造解析によりいくつかの分子構造を得た。これらの構造を基に,Runx1,Ets1等の変異体を作製し機能解析を行った。

2)ヒストンシャペロン,ヒストンリモデリング因子およびヒストン修飾酵素によるヌクレオソーム構造の変換機構の解析ACF(ISWIとACF-1のヘテロダイマー),ACF-モノヌクレオソーム複合体,およびNAP-1-H2A-H2B複合体,NAP-1-H3-H4複合体について結晶化用の試料調製を行い,結晶化条件の探索を行っている。ヒストンアセチル化酵素P300については,HAT活性の制御領域の同定を目指して,機能解析,構造解析を進めている。3)転写制御因子の化学修飾による活性制御機構の解析転写制御因子Ets1のリン酸化の影響について調べるため,リン酸化Ets1-Runx1-CBFβ-DNA複合体のX線構造解析を行い,分子構造を得た。1)転写制御因子間の会合によるエンハンセオソーム形成とその制御機構の解析T細胞受容体遺伝子のエンハンサーに形成される転写制御因子複合体(エンハンソソーム)、Ets1-Runx1-CBFbeta-DNA複合体の分子構造をX線結晶構造解析によって、明らかにした。さらにEts1がリン酸化された状態の同複合体の分子構造を明らかにした。これらの構造を基に、Runx1, Ets1等の変異体を作製し機能解析を行い、エンハンソソームの安定化機構と、リン酸化の影響について分子レベルで調べ、リン酸化によるターゲット遺伝子の選択機構を明らかにした。2)ヒストンシャペロン、ヒストンリモデリング因子およびヒストン修飾酵素によるヌクレオソーム構造の変換機構の解析ACF(ISWIとACF-1のヘテロダイマー)、ACF-モノヌクレオソーム複合体、およびNAP-1-H2A-H2B複合体、NAP-1-H3-H4複合体について結晶化用の試料調製を行い、結晶化条件の探索を行っている。ヒストンアセチル化酵素P300については、HAT活性の制御領域の同定を目指して、機能解析、構造解析を進めている。3)転写制御因子の化学修飾による活性制御機構の解析Ets1のリン酸化が転写に与える影響を、いくつかの異なるエンハンサーを用いて、ゲルシフトアッセイおよび転写活性化実験によって調べた。Ets1のリン酸化が与える影響が、Etslと協調する転写制御因子によって異なることを明らかにした。1)転写制御因子間の会合によるエンハンセオソーム形成とその制御機構の解析T細胞受容体遺伝子のエンハンサーに形成される転写制御因子複合体(エンハンソソーム)、Ets1-Runx1-CBFβ-Runx1-CBFβ-DNA六者複合体の結晶化に成功し、放射光実験により、分解能4.0A程度の回折像を得た。現在、さらに高分解能データを得るために条件検討を行っている。Runx1, Ets1等の変異体を作製し機能解析を行い、エンハンソソームの安定化機構と、リン酸化の影響について分子レベルで調べ、リン酸化によるターゲット遺伝子の選択機構を明らかにした。2)ヒストンシャペロン、ヒストンリモデリング因子およびヒストン修飾酵素によるヌクレオソーム構造の変換機構の解析ACF (ISWIとACF-1のヘテロダイマー)、ACF-モノヌクレオソーム複合体、およびNAP-1-H2A-H2B複合体、NAP-1-H3-H4複合体について結晶化用の試料調製を行い、結晶化条件の探索を行った。ヒストンアセチル化酵素P300については、これまでに報告されていない、新規HAT活性制御領域を同定した。
タンパク質のフォールディング理論、立体構造予測、及び分子設計

水の中でタンパク質が自発的に立体構造を形成するフォールディング過程に関して、幾つかの観点から研究した。アミノ酸配列からの蛋白質立体構造予測において主要な方法であるフラグメントアセンブリ法の大きな問題は、ある程度大きな蛋白質の場合にシミュレーション途中にいったんコンパクトな構造ができると、そこから大きな構造変化を起こすことが困難になる点である。これを克服するアイデアとして、細胞内で分子シャペロンが行っていることを模倣することが考えられる。シャペロニンの繰り返し強制アンフォールディング機構に着目し、これを模したシミュレーションプロトコルを、フラグメントアセンブリ法の中に組み込んだ。38個のテスト蛋白質についてフラグメントアセンブリ法の枠内で、シャペロニンを模したプロトコルと、従来のアニーリングプロトコルとによって、構造予測計算を行い、結果を比較した。標準的な基準で予測の成否を定義すると、従来法が10個の蛋白質で成功したのに対して、シャペロニン法は14個の蛋白質で成功することがわかった。とくに、βシートを含む蛋白質で、新しい方法は従来法より優れていることが、統計的な検定から明らかになった。昨年度行ってきた、蛋白質Gとランダム配列のポリペプチドとに加えて、今年度はsrc SH3ドメインについても網羅的構造サンプリングを行い、そこで得られた多様な構造集団を、種々の統計的手法によって2次元上に縮約し、エネルギーランドスケープ解析を行った。フォールディング反応を、コンタクトマップを表現とする距離空間上で記述し、クラスタリング、主成分解析、ネットワーク理論による最短経路探索、ネットワークトポロジー解析などを行った。また構造間遷移率を定義し、マスター方程式を立てて、その時間発展を記述した。そのほか、蛋白質立体構造予測の一環として、膜蛋白質の立体構造予測法の開発、解析も進めた。水の中で蛋白質が自発的に立体構造を形成するフォールディング過程を、幾つかの観点から研究した。1.60残基程度の小型蛋白質ドメインフォールディングの物理化学的シミュレーション(コアプロジェクト)へむけて進む途中段階として、物理化学的なモデルに弱い天然構造へのバイアス(いわゆる郷ポテンシャル)を加えて、protein GおよびSH3のフォールディングを研究した(論文1)。protein Gの場合、その天然構造は擬対称性をもっているが、フォールディング経路はその対称性を破っている。本研究によって、この対称性の破れは疎水性相互作用の偏りによって起こることがわかった。SH3については、相互作用の詳細に依らず、その天然立体構造によってフォールディング経路は概ね決まっている。2.水溶性蛋白質のシミュレーションによる立体構造予測問題の解決へむけて、独自の粗視化エネルギー関数(力場)の改良(論文2)、高速構造探索アルゴリズムの開発(論文4)を行った。この両方の寄与によって、protein G程度の長さ、および簡単な構造をもつ蛋白質については、フラグメントで表現される離散的構造空間内において、天然フォールドをもつ構造のエネルギーが最安定になり、かつランダム構造から始めて比較的短時間で天然フォールドが見出せるようになった。本研究によって、非常に小型の蛋白質ドメインに関する限り、粗い精度での構造予測成功の確率はある程度高まってきたといえる。来年度以降、予測精度・確度をより高めることおよび、大きなドメインの構造予測へむけて挑戦する。3.天然のアミノ酸配列情報を一切使わないで、完全に理論的に人工蛋白質をデザインする手法の確立へむけて、幾つかの研究・開発を行った.とくに、ランダム配列から、アミノ酸のランダム変異、各変異株のフォールディング、機能による選択を繰り返して、高機能蛋白質を得るin silico進化工学シミュレーションが進行中である。とりわけ、高機能を得る過程のある段階で、構造秩序が自発的に発生することを見出した。水の中で蛋白質が自発的に立体構造を形成するフォールディング過程を、幾つかの観点から研究している。60残基程度の小型蛋白質フォールディングの物理化学的シミュレーション(コアプロジェクト)へむけて、フラグメント組合せ法によるフォールディングエネルギーランドスケープの網羅的解析を行っている.物理化学的な相互作用だけで、βシートで出来ているsrc SH3 domainの場合、天然構造に近い構造が最安定構造として見出され、変性状態アンサンブルとの間に状態ギャップが見られる.計算から得られたフォールディングの遷移状態アンサンブルの構造的特長は、実験とよく一致した.シミュレーションによる蛋白質立体構造予測問題の解決へむけて、独自の粗視化エネルギー関数(SimFold)の改良、高速構造探索アルゴリズムの開発を行った。この両方の寄与によって、proteinG程度の長さ、および簡単な構造をもつ蛋白質については、フラグメントで表現される離散的構造空間内において、天然フォールドをもつ構造のエネルギーが最安定になり、かつランダム構造から始めて比較的短時間で天然フォールドが見出せるようになった。蛋白質立体構造予測コンテストCASPの第6回に参戦した.シミュレーションによる構造予測を行うNF部門において、200チーム以上が参加するなか、我々のグループROKKOは、評価者によって"エリートクラブ"(トップ12グループ)と評価された。またサーバーROKKYは同部門でサーバー2位の成績であった。世界の中で,本研究の方法はトップレベルであることが確認できた。天然のアミノ酸配列情報を一切使わないで、完全に理論的に人工蛋白質をデザインする手法の確立へむけて、全く新たなデザインプログラムを作成中である.全原子力場を使用して配列とその側鎖構造をモンテカルロ法によって探索するプログラムを完成させた。現在テストを行っている段階である。水の中でタンパク質が自発的に立体構造を形成するフォールディング過程に関して、研究した。1)擬似フォールディング過程をシミュレーションすることにより、アミノ酸配列情報からタンパク質の立体構造を予測するために、独自の粗視化エネルギー関数SimFoldの精密化を行った。

物理化学的な考察に基づき従来よりも高精度のエネルギー相互作用項を書き下し、そのパラメータを、既知立体構造情報をもとに最適化する戦略を用いた。2)上記エネルギー関数と、フラグメントアセンブリ法による構造サンプリングによって、38種類のタンパク質についてのデノボ構造予測ベンチマークを行った。われわれの方法と、BakerらによるRosettaとのパフォーマンスを比較したところ、12/38タンパク質でフォールドを予測できるという意味において、両者は互角であった。3)立体構造予測研究の試行錯誤からフォールディング問題への基礎的理解を深めることを目的とした研究を行った。これまでの構造予測結果を観察してまず、FA法のパフォーマンスは、用いるエネルギー関数にロバストであるという考えに至った。これは、局所相互作用の重要性を示唆している。これをもとに、以下のようなキメラ構造予測実験をデザインした。すなわち、FA法における、局所フラグメント候補は対象とするタンパク質用のものを用いる反面、フラグメントをアセンブリする段階では配列に依存しないコンパクト化力だけを導入し、それを用いて構造サンプリングを行った。その結果、3つの小型タンパク質のすべてにおいて、このキメラ実験で、天然フォールドを見つけ出せることが分かった。これは、各部位の局所相互作用を満足させて、かつコンパクトな全体構造をとろうとすると、小型タンパク質の構造はもはやごく限られたものに規定されてしまう。4)SimFoldに全原子版のエネルギー関数を構築し、それを用いてフラグメントアセンブリ法による構造予測シミュレーションを行った。水の中でタンパク質が自発的に立体構造を形成するフォールディング過程に関して、幾つかの視点から研究した。1)立体構造予測研究の試行錯誤からフォールディング問題への基礎的理解を深めることを目的とした研究を行った。まず、フラグメントアセンブリ法(FA法)によると、相当異なるエネルギー関数でも、予測された構造が似ていることが多いことに気づいた。これらから、FA法のパフォーマンスは、用いるエネルギー関数にロバストであるという考えに至った。これをもとに、キメラ構造予測実験をデザインした:FA法における、局所フラグメント候補は対象とするタンパク質用のものを用いる反面、フラグメントをアセンブリする段階では配列に依存しないコンパクト化力だけを導入し、それを用いて構造サンプリングを行った。結果、3つの小型タンパク質のすべてにおいて、このキメラ実験で、天然フォールドを見つけ出せることが分かった。
PETによる気分障害患の病態と治療法の作用機序に関する研究

無けいれん性電気けいれん療法(mECT)は難治性うつ病等に非常に有効な治療であり臨床的に確立した治療法であるが、その機序は不明な点が多い上研究も遅れている。本研究ではmECTの適応となったうつ病患者9名を対象にmECT治療前後でのセロトニン1A受容体の変化を[^<11>C]WAY100635を用いて検討した。mECT開始前日、1クール終了1日後にPET検査および精神症状評価を行った。mECT後に9名全例で精神症状の改善を認めた。ECT前後での海馬の結合能(BP)は一部上昇傾向は認めたが統計学的には有意な変化とは認められなかった。今後は海馬5HTIA受容体以外の受容体変化を検討していく必要があると考えられた。抗うつ薬などの向精神薬は脳内の受容体やトランスポーターなどに結合し、その薬理作用を発揮している。そのような結合部位での動態を生体内で検討することは薬物の作用機序の解明や用量用法を決定する際に重要である。本研究では健常男性6名を対象とし、SSR1の一つ、フルボキサミンによるセロトニントランスポーター(5HTT)占有率の経時的変化を[^<11>C]DASBを用い、PET測定を行った。また、5HTT占有率の経時的変化を5HTT親和性特性(ED50値;占有率が50%を呈する値)と血中濃度の経時変化をパラメーターとしてシミュレーションし、実測値との相関を検討した。フルボキサミンによる5HTTの平均占有率は5時間後で約73%、26時間後で約50%、53時間後で約25%であった。また、シミュレーション結果は実測値と良く相関した。抗うつ薬の用量用法の決定の際には血中濃度のみならず、脳内セロトニントランスポーター占有率の経時的変化の検討が重要な指標を与えると考えられた。無けいれん性電気けいれん療法(m-ECT)は、難治性うつ病等に非常に有効な治療であり臨床的に確立した治療法であるが、その機序には不明な点が多い上研究も遅れている。本研究ではm-ECTの適応となった大うつ病性障害患者4名を対象に、ヒトの脳でm-ECTの前後でのドーパミンD2(D_2)受容体とセロトニン1A(5HT_<1A>)受容体の変化の有無を選択的リガンドである[^<11>C]FLB457と[^<11>C]WAY 100635を用いてpositron emission tomography(PET)によって評価した。受容体結合の評価は小脳を参照部位にしたreference tissue modelによって結合能を求め比較した。さらに5HT_<1A>受容体に関しては9名の健常者の測定も行い、健常者との比較も行った。測定はm-ECTの前日、さらに1クール終了1日後、4週間後にPET検査、精神症状評価を行った。矩形波によるm-ECTの1クールは症状改善までで、週23回の間隔で行った。5HT_<1A>受容体に関しては、(1)ECT施行前、(2)ECT施行後1日目、(3)ECT施行後4週間目の患者群と正常被検者の結合能を領域ごとに比較した。D_2受容体に関しては治療の前後で結合能に有意な差は認められなかった。一方5HT_<1A>受容体については、m-ECT施行後1日目にほぼすべての皮質領域で20パーセント以上の結合能の増加が認められた。

さらにECT施行前の患者群と健常者の比較では、前部帯状回、側頭葉内側部、島で患者群に有意な低値を認めた。しかしこの差はm-ECT施行後1日目には認められなくなった。これらの結果はm-ECTが5HT_<1A>受容体の機能変化を引き起こし、その変が抗うつ効果と関連している可能性があることを示唆するものと考えられた。うつ病の薬物治療はSSRI(選択的セロトニン再取り込み阻害薬)などの選択的薬物の登場にもかかわらず、実際の臨床場面ではその服薬量や服薬回数に関しては経験に基づくことが多く、科学的根拠に乏しいのが現状である。向精神薬の多くは脳内の受容体やトランスポーターなどに高い親和性を持ち、その受容体やトランスポーターに結合し、その薬理作用を発揮している。そのような向精神薬の受容体やトランスポーターでの動態を生体内で検討することは薬物の作用機序の解明や用量用法を決定する際に重要である。本研究ではSSRIの一つであるフルボキサミンによるセロトニントランスポーター占有率の経時的変化に関してPETそ用いて検討を行った。本研究では健常男性5名を対象とし,[^<11>C]DASBを用いたPET検査を施行した。PET検査はフルボキサミン服用前およびフルボキサミン50mg単回服薬後5時間後、26時間後、53時間後に施行した。服薬後のPET検査前にフルボキサミン血中濃度の測定を施行した。視床に関心領域を設定し、小脳を参照領域としてsimplified reference tissue法を用いて結合能を算出した。服薬前後の結合能の差を用いてセロトニントランスポーター占有率を算出した。フルボキサミンによるセロトニントランスポーターの平均占有率は5時間後で75%、26時間後で52%、53時間後で28%であった。血中濃度の平均半減期は14時間、セロトニントランスポーター占有率の半減期は42時間であった。フルボキサミンによる脳内セロトニントランスポーター占有率の経時的変化は血中動態と解離していると考えられ、用量用法の決定の際には血中濃度のみならず脳内セロトニントランスポーター占有率の検討も重要であると考えられた。抗うつ薬をはじめ、多くの向精神薬は脳内の受容体やトランスポーターなどに高い親和性を持ち、その受容体やトランスポーターに結合し、その薬理作用を発揮している。本研究ではうつ病の薬物治療に主に用いられるSSRIの一つであるフルボキサミンによるセロトニントランスポーター占有率の経時的変化に関してPETを用いて検討を行った。また、セロトニントランスポーター占有率の経時的変化をセロトニントランスポーター親和性特性(ED50値;占有率が50%を呈する値)と血中濃度の経時変化をパラメーターとしてセロトニントランスポーター占有率の経時的変化をシミュレーションし、実測値との相関を検討した。本研究では健常男性6名を対象とし、セロトニントランスポーターのリガンドである[^<11>C]DASBを用いてフルボキサミン服用前およびフルボキサミン50mg単回服薬後5時間後、26時間後、53時間後にPET検査を施行した。視床などに関心領域を設定し、小脳を参照領域としてMultilinear reference tissue model 2法を用いて結合能を算出した。
計算困難な問題への混成アプローチ:近似,並列化,Randomization

近似・並列化・randomizationという3つのアプローチを融合してNP困難な最適化問題の解決に適用した。研究対象となった問題と得た結果は下記のとおりである。まず、「最大巡回セールスマン問題(MaxTSP)」について研究を行った。得た成果は3つの論文にまとめられている。最初の論文では、MaxTSPに対して近似率61/81を達成するO(n^3)時間限定の近似アルゴリズムおよびMaxTSPのメトリックな場合に対して近似率17/20を達成するO(n^3)時間限定の近似アルゴリズムを提案している。2番目の論文では、MaxTSP対して近似率251/331を達成するO(n^3)時間限定の乱択近似アルゴリズムを提案している。3番目の論文では、MaxTSPの対称的でメトリックな場合に対して近似率27/35を達成する多項式時間限定の近似アルゴリズムおよびMaxTSPの非対称的でメトリックな場合に対して近似率7/8-o(1)を達成する多項式時間限定の近似アルゴリズムを提案している。次に、「単純グラフにおける最大辺2-彩色問題」について研究を行った。得た成果は1つの論文にまとめられている。その論文では、この問題に対して近似率468/575を達成する乱択近似アルゴリズムを設計して、さらにそれを脱乱択化した。さらに、「k・最近系統史問題」について研究を行った。その論文では、この問題のいくつかの特別な場合に対して定数近似率を達成する乱択近似アルゴリズムを設計して、さらにそれらを脱乱択化した。最後に、「Tandem複製歴再構築問題」について研究を行った。その論文では、この問題の2つの特別な場合に対して定数近似率を達成する近似アルゴリズムを設計した。最大巡回セールスマン問題のための近似アルゴリズムを3つ設計した。1つ目は入力グラフが有向グラフで,かつ,辺の重みが三角不等式を満たす場合に対する近似アルゴリズムである。このアルゴリズムは近似率27/35を達成し,Kaplanらの近似アルゴリズムの近似率10/13を改善している。2つ目は入力グラフが無向グラフで,かつ,辺の重みが三角不等式を満たす場合に対する近似アルゴリズムである。このアルゴリズムは近似率7/8を達成し,以前の近似アルゴリズムの最高近似率17/20を改善している。このアルゴリズムはHassin&Rubinsteinの確率近似アルゴリズムをderandomizeしたものである。そのderandomizationの過程で,よく知られている完全グラフの完全マッチングへの分解が非常に有用な性質を持っていることを示した。3つ目は入力グラフが無向グラフである場合に対する確率近似アルゴリズムである。この確率近似アルゴリズムは期待近似率251/331を達成し,Hassin&Rubinsteinの確率近似アルゴリズムの近似率25/331を改善している。まず,k-定数次数生物系統木再構築問題のための近似アルゴリズムを3つ設計した.1つ目は2-定数次数生物系統木再構築問題のための多項式時間限定近似アルゴリズムである.このアルゴリズムは近似率8を達成する.その設計の過程で,まずこの問題を整数計画問題として定式化したが,その定式化は自明なものではない.自明な整数計画問題を線形計画問題に緩和して多項式時間内で解き,得た実数解をさらに整数に丸めると,よい近似解を得ることができない.本研究で提案した定式化は自明な整数計画問題にさらに一組の非自明な不等式を加えることによって得られている.2つ目は3-3次生物系統木再構築問題のための二次時間限定近似アルゴリズムである.このアルゴリズムは近似率12を達成する.このアルゴリズムの中で最大b-マッチング問題をうまく使っている.また,そのアルゴリズムの解析で最適解の構造をいくつか明らかにしている.

3つ目はk-定数次数生物系統木再構築問題の最大化バージョンに対する多項式時間近似スキームである.その設計の過程で,まずこの問題の最大化バージョンに対する確率的多項式時間近似スキームを設計して,次に条件付き期待値法を使って確率的多項式時間近似スキームを脱確率化した。特に,確率的多項式時間近似スキームの設計で,random samplingという手法と動的計画法を有効に組み合わせている.次に,最大三角形パッキング問題のための確率近似アルゴリズムをを設計した.この問題に対して,HassinとRubinsteinは確率近似アルゴリズムを提案して,それが期待近似率89/169を達成すると主張した.しかし,本研究者は彼らのアルゴリズムの解析に間違いがあったことを指摘して,彼らは彼らのアルゴリズムの期待近似率が43/83しかないと修正した.本研究で,彼らのアルゴリズムを根本的に改良して,期待近似率88.85/169の確率近似アルゴリズムを設計できた.まず、tandem複製歴再構築問題の多項式時間近似アルゴリズムを2つ設計した。その1つはすべての複製ブロックのサイズが1であるスペシャルケースに対する多項式時間近似スキーマである。そのスキーマは以前のものより效率が良い。たとえば、近似率5/3を達成するのに、以前の多項式時間近似スキーマは時間量O(n^7+mn^3)を要したが、新しい多項式時間近似スキーマは時間量O(n^4+mn^3)を要する。ここで、nは入力の文字列数で、mは各文字列の長さである。設計したもう1つのアルゴリズムはすべての複製ブロックのサイズが2以下であるスペシャルケースに対する多項式時間近似アルゴリズムである。そのアルゴリズムは時間量O(n^<11>m)と近似率6を達成する。本研究より以前、このスペシャルケースに対する多項式時間近似アルゴリズムで定数の近似率を達成するものが知られていなかった。本研究で提案した新しい近似アルゴリズムはtandem複製歴を表すモデルの深い構造に基づいており、更なる改善の可能性を潜めている。また、単純グラフにおける最大2-辺彩色問題の多項式時間近似アルゴリズムを1つ設計した。そのアルゴリズムは時間量O(n^2m^2)を要し、近似率0.814を達成する。以前の研究で多項式時間近似アルゴリズムによって達成される最高の近似率が0.8であった。近似率の改善が小さく見えるかもしれないが、この問題がAPX困難であるため近似率がいくらでも1に近づけるというわけではない。また、Kosowskiらはこの問題の応用例として最小[1,Δ]-因子2-パッキング問題の近似アルゴリズムを設計した。彼らのアルゴリズムは近似率(42Δ-30)/(35Δ-21)を達成する。その近似率はΔが大きいとき1.2になる。
1の分割の拡張問題への集合的アプローチ

1の分割の拡張問題に関して前年度に得ていた結果を発展させ、次の定理を得た.「位相空間Xの部分空間Aに対して,次は同値である.(1)A上の点有界な実数値同程度連続関数族をX上の点有界な実数値同程度連続関数族に拡張できる.(2)任意のフレッシェ空間Y対して,点有界なYへの同程度連続関数族をX上の点有界な同程度連続関数族に拡張できる.(3)AはXにP-embeddedである.」Hausdorff空間XがHausdorff空間Zに埋め込まれるとき,X上の任意の実数値連続関数がXの各点で連続であるようなZ上の実数値関数に拡張できるためのXに関する必要十分条件を与えた.これは,A.V.Arhangel'ski1の2002年の問題を解決するものである.本研究成果を学術論文としてまとめ,10月に行われた京都大学数理解析研究所の研究集会「一般および幾何学的トポロジーにおける諸問題と応用」にて講演を行った.さらに,積空間における連続関数の拡張問題に関して,K-解析空間と弱P-空間の積空間についていくつかの結果を得た.これらは,奥山の1991年の積空間のパラコンパクト性に関する結果を発展させるものであり,このタイプの積空間は1の分割の拡張への応用が期待できるものである.さらに,位相空間Xとその部分空間Aに関して,任意の完備距離空間Yの対しA×Y上の実数値有界連続関数をX×Y上の連続関数に拡張できることの必要十分条件を与えた.これらの成果を学術論文としてまとめ,6月に行われた松江位相数学国際会議にて本研究内容の講演を行った.位相空間の部分空間上の1の分割(及び、1の分割の概念を一般化した良い性質を持つ連続関数族)を全空間上の1の分割(及び、同様な関数族)に拡張できるという性質に関して研究を行った。本研究の主目的であった積空間に関するDydakの問題の解決には至らなかったが、Dydakの別の問題の解決を含む基本的な性質を明らかにする次の結果を得ることができた。1.位相空間とその部分空間から構成されるマイケルタイプの位相を導入した空間において、ある部分空間上の可算濃度な点有限な1の分割を全空間上の点有限な1の分割に拡張できるとき、その部分空間と全空間はあるカテゴリーの条件をもつということを示した。これにより、「有理数全体の集合における点有限な1の分割をマイケル直線上の点有限な1の分割に拡張できるか」というDydakの問題に否定解を与えることに成功した。この結果を論文としてまとめ、日本数学会秋季総合分科会においてその成果を発表した。2.1の分割を一般化する概念である、点別有界な同程度連続関数族の拡張性に関して以下の結果を与えた。点別有界な実数値同程度連続関数族の拡張性は、P-埋蔵性(すなわち、フレッシェ空間への連続写像の拡張性)で特徴づけられ、さらに、フレッシェ空間への写像の点別有界な同程度連続写像族の拡張もP-埋蔵性として特徴づけられるという結果を得た。これらの結果は、コンパクト開位相をもつ関数空間および写像空間のコンパクト集合の拡張性を直ちに与える一方、Heath-Lutzer-Zenorによる族正規性に関する古典的な定理の一般化でもあり、広い応用を与えた。これらの結果を論文としてまとめ、12月のジェネラルトポロジーシンポジウムにおいて口頭発表を行った。1の分割の拡張問題に関して前年度に得ていた結果を発展させ、次の定理を得た.「位相空間Xの部分空間Aに対して,次は同値である.(1)A上の点有界な実数値同程度連続関数族をX上の点有界な実数値同程度連続関数族に拡張できる.(2)任意のフレッシェ空間Y対して,点有界なYへの同程度連続関数族をX上の点有界な同程度連続関数族に拡張できる.(3)AはXにP-embeddedである.」Hausdorff空間XがHausdorff空間Zに埋め込まれるとき,X上の任意の実数値連続関数がXの各点で連続であるようなZ上の実数値関数に拡張できるためのXに関する必要十分条件を与えた.これは,A.V.Arhangel'ski1の2002年の問題を解決するものである.本研究成果を学術論文としてまとめ,10月に行われた京都大学数理解析研究所の研究集会「一般および幾何学的トポロジーにおける諸問題と応用」にて講演を行った.さらに,積空間における連続関数の拡張問題に関して,K-解析空間と弱P-空間の積空間についていくつかの結果を得た.これらは,奥山の1991年の積空間のパラコンパクト性に関する結果を発展させるものであり,このタイプの積空間は1の分割の拡張への応用が期待できるものである.さらに,位相空間Xとその部分空間Aに関して,任意の完備距離空間Yの対しA×Y上の実数値有界連続関数をX×Y上の連続関数に拡張できることの必要十分条件を与えた.これらの成果を学術論文としてまとめ,6月に行われた松江位相数学国際会議にて本研究内容の講演を行った.
地理情報システム支援による中山間地域農村の再構成に関する基礎的研究

本研究は、様々な環境条件(物理的環境条件・社会経済的環境条件等)となる定量的及び定性的要因を加味した中山間地域農村の分析から、地理情報システムを援用した農村地域の再構成化の手法を検討すること、さらに将来の直接所得補償政策(デカップリング政策)の具体的な実施において、その条件、方法、及び対象範囲等を面的に把握するための基礎的資料を得ることも併せて検討することを目的としている。ここでは、代表的中山間地域の現況調査と住民の意向調査、及び集落を単位とした空間分析のためのデータベースの構築を行い、集落のもつ物理的な定量的要因と住民の意向などの定性的要因を加味した中山間地域農村の評価と将来のあり方を検討した。具体的には、(1)中間農業地域として島根県大東町を、山間農業地域として島根県弥栄村を調査対象地域とし、各集落の現況と農林業による地域資源の維持管理状況等の現地調査を実施した。これに基づき、各地域の集落構造・農林業構造等の定量的及び定性的データを収集・整理した。(2)農林業センサスの集落カードに基づき、農林業による集落維持管理の程度を把握した。(3)調査対象地域の地形及び地質、土壌及び植生構造、土地利用等のデータを収集し、50mメッシュのラスター型データベースを作成した。(4)このデータベースを利用して、中山間地域における国土保全機能(土砂崩壊防止機能・洪水防止機能・土壌侵食防止機能)を面的に定量的評価を行い、農林地における環境保全機能の重要性を把握した。(5)この農林業による集落維持管理の程度と国土保全機能の定量的評価から、中山間地域農村における集落保全のあり方を検討・考察した。一般的には、中山間地域の農林業生産を維持することで、経済的効果、環境保全的効果、定住促進効果等の効果があるといわれているが、これは集落レベルで考慮すべき問題であると考えられる。従って、中山間地域農村の評価と将来のあり方を検討する場合、本研究は一つのモデルになると考えられる。歴史的な過程や様々な環境条件(物理的・生態学的・社会的・経済的・経営的等)となる定量的及び定性的要因を加味した中山間地域農村の分析から、地理情報システムを援用した農村の再構成化の手法を検討すること、さらに将来の直接的所得補償政策の可能性において、その対象範囲や負担の程度を面的に把握するための基礎的資料を得ることも併せて検討することを目的として、本年度は代表的地域の現地調査と空間分析のためのデータベースの構築を行った。(1)中山間地域として東北地方(岩手県山形村・岩泉町)、四国地方(高知県大豊町・十和村)、中国地方(島根県大東町・仁多町・弥栄村)、九州地方(宮崎県西郷村・諸塚村・椎葉村)の代表的な集落に対して農林業生産・集落の現況と歴史的過程・地域資源の維持管理状況等の現地調査を実施した。これに基づき、各地域の集落構造・農林業構造の変化、農林業生産の推移、農山村環境の変化、土地利用形態等の定量的及び定性的データを収集・整理した。(2)特に中国地方を中心に地形及び地質、土壌及び植生構造、土地利用等のデータを収集し、50mメッシュのラスター型データベースを作成した。(3)このデータベースを利用して、中山間地域における環境保全機能(土砂崩壊防止機能・洪水防止機能・土壌侵食防止機能)を面的に定量的評価を行った。その結果、森林や水田における環境保全機能の重要性が把握できた。

一般的には、中山間地域の農林業生産を維持することで、経済的効果、環境保全的効果、定住促進効果等の効果があるといわれているが、これは集落レベルで考慮すべき問題であると考えられる。従って、今後、集落を単位として、集落のもつ物理的な定量的要因と住民の意向などの定性的要因を加味した中山間地域農村の評価と将来のあり方を検討し、政策的な基準を含めた中山間地域の評価モデルを検討する予定である。本研究は、様々な環境条件(物理的環境条件・社会経済的環境条件等)となる定量的及び定性的要因を加味した中山間地域農村の分析から、地理情報システムを援用した農村地域の再構成化の手法を検討すること、さらに将来の直接所得補償政策(デカップリング政策)の具体的な実施において、その条件、方法、及び対象範囲等を面的に把握するための基礎的資料を得ることも併せて検討することを目的としている。ここでは、代表的中山間地域の現況調査と住民の意向調査、及び集落を単位とした空間分析のためのデータベースの構築を行い、集落のもつ物理的な定量的要因と住民の意向などの定性的要因を加味した中山間地域農村の評価と将来のあり方を検討した。具体的には、(1)中間農業地域として島根県大東町を、山間農業地域として島根県弥栄村を調査対象地域とし、各集落の現況と農林業による地域資源の維持管理状況等の現地調査を実施した。これに基づき、各地域の集落構造・農林業構造等の定量的及び定性的データを収集・整理した。(2)農林業センサスの集落カードに基づき、農林業による集落維持管理の程度を把握した。(3)調査対象地域の地形及び地質、土壌及び植生構造、土地利用等のデータを収集し、50mメッシュのラスター型データベースを作成した。(4)このデータベースを利用して、中山間地域における国土保全機能(土砂崩壊防止機能・洪水防止機能・土壌侵食防止機能)を面的に定量的評価を行い、農林地における環境保全機能の重要性を把握した。(5)この農林業による集落維持管理の程度と国土保全機能の定量的評価から、中山間地域農村における集落保全のあり方を検討・考察した。
短期高等教育学歴の機能とその変容に関する社会学的実証研究

本研究では、1990年頃以前とそれ以降に時期を分けたうえで、専門学校が制度化された1976年以降の短大と専門学校がもつ学歴としての機能を実証的に検討する。より具体的には、性別(専門学校のみ)と時代による違いに着目しながら、(1)短大・専門学校学歴と出身階層および到達階層との関連の検討、(2)短大・専門学校の分野別検討による関連メカニズムの解明という2ステップに分けて分析をおこなう。
同位体化学的アプローチによる二重ベータ崩壊半減期決定

過去2年間の予備実験を踏まえ,本年度はモリブデナイト試料のRu分析を行った。形成年代が古いと思われる,西オーストラリアMt.Mulgine鉱床,およびオーストラリア・クイーンズランド州Osbourne鉱床から採取された二種類のモリブデナイトを試料として用いた。まず二つのモリブデナイトについてRe-Os年代測定法を適用したところ,Mt.Mulgineから(2.902±0.004)×10^9年,Osbourneから(1.051±0.001)×10^9年の形成年代が求められた。次に,Ru分析を行ったところ,両モリブデナイト試料中のRu含有量は極端に低く,Mt.Mulgineにおいては50ppt, Osbourneにおいては22pptであった。モリブデナイト中の初生Ru含有量の低さゆえに,そのRu同位体組成には顕著に^<100>Ru過剰が確認され,特にOsbourneのRu同位体組成に至っては^<100>Ruのみしか検出されず,その他のRu同位体は検出限界以下のレベルであった。以上のデータをもとに,^<100>Mo-^<100>Ru二重ベータ崩壊の半減期を見積もると,Mt.Mulgineから(2.3±0.7)×10^<18>年,Osbourneから(1.9±0.7)×10^<18>年が得られた。異なる2つのモリブデナイトから見積もられたこれら半減期の値は非常に整合性のとれたものである。本研究によって^<100>Moの二重ベータ壊変生成物が地球化学的手法により初めて検出された。本研究結果の詳細はPhysical Review Cにて報告された。モリブデン鉱床試料(モリブデナイト)のRe-Os年代測定およびRu同位体測定をおこなうことを目的とし,初年度である今年度はそれらの測定方法の確立を目指した。予備実験を行った結果,Os, Ruを地球化学的試料から効率良く化学分離する手法として,強酸雰囲気下での蒸留法が妥当であることがわかった。取り扱う試料の重量は110mgであるため,用いる酸試薬等も少量にすることを考えたマイクロ蒸留器具を設計し,標準試薬を用いて蒸留効率の確認を行ったところ,Os, Ruともに90%以上の回収率が得られた。さらに蒸留成分に対して陰イオン交換を併用することにより,同位体干渉のないOs, Ru成分の精製が行えることが期待される。現在,本方法の地球化学試料への応用を検討している段階である。上記の化学操作法の確立と並行して,Re-Os年代測定のためのOs同位体測定およびRu同位体測定法の基礎検討のために京都大学附属地球熱学研究施設に設置してある表面電離型質量分析計を用いて標準試薬Os, Ruの同位体比測定を行った。その結果,数十-数百pg量のOs, Ruにおいても0.1%以下の測定精度で同位体比測定が行えることを確認した。現状では1pg以下の試料量でも検出は可能であることを確認した。測定時の分析装置内におけるイオン化効率を高める方法についてさらに検討している。以上の結果を踏まえ,標準岩石試料JP,一般のかんらん石試料,モリブデナイト試料について化学処理を手がけている段階である。Mt.Mulgine鉱床産モリブデナイト(形成年代約28億年),Osbourne鉱床産モリブデナイト(形成年代約16億年)を用いた予備実験をおこなった結果,(1)Re-Os年代は問題なく測定可能であり,28.1士0.1億年,16.2士0.2億年の形成年代を示す,(2)モリブデナイト試料中のRu含有量は1ppb以下と極めて低い,ことが確認できた。したがって蒸留法とイオン交換法の併用によりRuをMoから完壁に化学分離することが要求される。昨年度までの段階で地球化学的試料を前処理した後,Ruを化学的に分離し,その同位体比測定を行う分析手法を確立した。本年度は,上記手法の応用として,Mt.Mulgine(西オーストラリア),Osbourne(クィーンズランド)産の二種類のモリブデン鉱物について,(1)Re-Os壊変系を用いて各試料の形成年代を正確に求める,(2)試料中のRu含有量を正確に求める,(3)モリブデン鉱物から化学分離したRuの同位体比分析を行う,ことを試みた。Mt.Mulgineからは(2.902±0.004)x10^9年,Osbourneからは(1.051±0.001)x10^9年のRe-Os年代が得られた。さらに,両モリブデン試料中のRu含有量を安定同位体希釈法により求めたところ,Mt.Mulgineは91ppt,Osbourneは28pptとかなり低い値を示した。Mt.Mulgine試料のRu同位体においては,標準値に対して90%の^<100>Ruの過剰分が検出された。Osbourne試料においては元来,含まれているRu量が少ないために^<100>Ru同位体のみが強調されており,他同位体は検出限界以下であった。両試料のRu同位体組成に見られる^<100>Ru同位体過剰は明らかに^<100>Moからの壊変によるものと断定できた。

以上のデータをもとに各々の試料について^<100>Moの半減期を見積もると,Mt.Mulgineより(1.7±0.5)x10^<18>年,Osbourneより(1.5±0.5)x10^<18>年が導かれ,両者のデータは誤差範囲内でよい一致を示した。これまで,^<100>Moの半減期についてはカウンティング法により求められていたが,この値は6.7x10^<18>1.16x10^<19>の間で大きくばらつくなど,その絶対値に関しては未だ議論の余地があるため,本研究によってもたらされた結果は意義のあるものである。過去2年間の予備実験を踏まえ,本年度はモリブデナイト試料のRu分析を行った。形成年代が古いと思われる,西オーストラリアMt.Mulgine鉱床,およびオーストラリア・クイーンズランド州Osbourne鉱床から採取された二種類のモリブデナイトを試料として用いた。まず二つのモリブデナイトについてRe-Os年代測定法を適用したところ,Mt.Mulgineから(2.902±0.004)×10^9年,Osbourneから(1.051±0.001)×10^9年の形成年代が求められた。次に,Ru分析を行ったところ,両モリブデナイト試料中のRu含有量は極端に低く,Mt.Mulgineにおいては50ppt, Osbourneにおいては22pptであった。モリブデナイト中の初生Ru含有量の低さゆえに,そのRu同位体組成には顕著に^<100>Ru過剰が確認され,特にOsbourneのRu同位体組成に至っては^<100>Ruのみしか検出されず,その他のRu同位体は検出限界以下のレベルであった。以上のデータをもとに,^<100>Mo-^<100>Ru二重ベータ崩壊の半減期を見積もると,Mt.Mulgineから(2.3±0.7)×10^<18>年,Osbourneから(1.9±0.7)×10^<18>年が得られた。異なる2つのモリブデナイトから見積もられたこれら半減期の値は非常に整合性のとれたものである。本研究によって^<100>Moの二重ベータ壊変生成物が地球化学的手法により初めて検出された。本研究結果の詳細はPhysical Review Cにて報告された。
悪性脳腫瘍の抗血管新生および抗腫瘍遺伝子併用療法開発に関する研究

悪性脳腫瘍における血管新生をターゲットとした遺伝子療法の研究を行う上で、我々は以下の4項目を柱においた。すなわち、増殖因子の発現制御、転写因子の制御、ブロテアーゼの制御、および内因性抗血管新生因子の発現誘導である.これらの中で、転写因子制御による血管新生、脳腫瘍病理標本におけるVEGF発現を検討した.転写因子制御による血管新生においてはwildt type(W)およびdominant negative(ΔN)IκBα遺伝子導入glioma細胞の樹立を試みた.周知のようにIκBはNFκBのp65サブユニツトと結合してそのDNA結合を阻害し、NFκBのダウンレギュレーションに関与している可能性が示唆されている。まず、Dr.Barrardより寄贈されたWおよびΔNIκBα遺伝子をpcDNAplasmid(Invitrogen)のCMV promoterの下流に挿入した.このIκBα遺伝子の挿入されたplasmidをリポフェクチン法にてglioma細胞株に遺伝子導入した。使用した細胞株はIN157と、このIN157のvincristinおよびVP-16耐性株、さらにU251細胞株である。遺伝子導入後、ampicillin selectionにて耐性クローンを拾い上げた。今後これらの細胞を用い、我々の開発したin vitro血管新生モデルにて血管新生能のスクリーニングを行う予定である。脳腫瘍標本におけるVEGF発現は、悪性脳腫瘍患者のパラフィン包埋切片を免疫組織学的に検討したが、ごく少数例の悪性腫瘍患者においてVEGF陽性細胞が見られたのみであった。この件については今後症例の選択、抗体の選択等課題があるものと考えられた。さらにアンギオスタチン,Tie1,2の抗血管新生因子の発現も検討した。すなわち、増殖因子の発現制御、転写因子の制御、プロテアーゼの制御、および内因性抗血管新生因子の発現誘導である。これらの中で、本年度は転写因子制御による血管新生、脳腫瘍病理標本におけるVEGF発現を検討した。転写因子制御による血管新生においてはwild type(W)およびdominant negative(ΔN)IκBα遺伝子導入glioma細胞の樹立を試みた。周知のようにIκBはNFκBのp65サブユニットと結合してそのDNA結合を阻害し、NFκBのダウンレギュレーションに関与している可能性が示唆されている。まず、Dr.Barrardより寄贈されたWおよびΔNIκBα遺伝子をpcDNAplasmid(Invitrogen)のCMVpromoterの下流に挿入した。このIκBα遺伝子の挿入されたplasmidをリポフェクチン法にてglioma細胞株に遺伝子導入した。さらにアンギオスタチン、エンドスタチン等の抗血管新生因子の発現も検討予定である。悪性脳腫瘍は予後不良な疾患で、未だ決定的な治療法がないのが現実である。そこで近年悪性脳腫瘍に対する遺伝子療法の開発が盛んに研究されるようになってきた。Folkman博士らが、悪性固形腫瘍の増殖は血管新生に依存するとの概念を提唱して以来、血管新生に関する研究が盛んに行われるようになった。そこで我々は血管新生をターゲットとする遺伝子治療法の開発を、転写因子制御の観点から行ってきた。

NFkappa Bはあらゆる遺伝子の転写に関与するとされ、この核内移行を細胞質内で制御しているI kappa Bαを制御することで血管新生を抑制しようと試みた。まず、gliomacell lineであるU251にwild typeとmutantのI kappa Bαをプラスミドを用いて遺伝子導入し、形質転換されたU251クローンを樹立した。これらの細胞において、NFKappa Bの核内への移行をゲルシフト法にて比較検討した。また、これらの細胞をラット脳内に移植し、その生存期間、血管新生能等を免疫染色にて比較検討した。また、アルキル化剤を用いた化学療法を有効に行うべく、これら形質転換されたU251細胞のアルキル化剤への感受性も検討した。確定的な結果、結論は見いだせていないものの、mutant I kappa Bαを用いた転写因子制御による遺伝子治療は血管新生抑制、化学療法において有効であることが示唆された。