hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
クロマチンインスレーターによるエピゲノム制御機構

クロマチンインスレーターは、制御配列が働く遺伝子と働かない遺伝子を区分し、組織・時期特異的な遺伝子発現パターンを可能にする。哺乳類ではCTCFタンパク質がインスレーターに結合し、その機能を担っている。ゲノム上には数万のCTCF結合領域が存在するが、その一部だけが細胞・時期特異的に働いている。本研究ではHOXA遺伝子を研究対象とし、ゲノム編集によるインスレーター配列の欠損細胞の作成と解析を行い、インスレーターがクロマチン高次構造形成と正常な遺伝子発現に必要であることを明らかにした。さらに、機能的インスレーターに特異的に結合する因子の候補の同定と解析を行った。本研究はHOXA遺伝子領域を研究対象とし、インスレーターの選択によるクロマチン高次構造変換を介したエピゲノム制御の詳細を明らかにすることを目的とする。そこで、ヒストンH3リジン27のトリメチル化を(H3K27me3)を指標とする転写抑制ドメインの境界に存在するインスレーターに結合する新規タンパク質の同定と、インスレーター配列の欠損によるクロマチン高次構造の変化と遺伝子発現変化を調べるため、以下の実験を行った。1. CTCF複合体のプロテオーム解析:前年度までにFLAGエピトープタグのノックイン細胞を作成していたが、さらにジンクフィンガーヌクレアーゼを用いてHaloタグのノックイン細胞を作成した。現在、タンパク質精製の条件検討を行っている。2.細胞核内のDNA上のタンパク質複合体のプロテオーム解析:前年度までにiChIP法を行うために、インスレーター配列近傍にLexA配列を挿入した細胞を作成している。さらに、この細胞を用いてLexA結合タンパク質を安定に発現する細胞株の樹立に成功した。現在、クロマチン精製の条件検討を行っている。3.インスレーター欠損細胞の解析:前年度までにHepG2細胞のHOXA遺伝子座におけるクロマチン境界に存在するインスレーター配列をジンクフィンガーヌクレアーゼを用いて片側アレルだけ欠損させていたが、、さらにもう一方のアレルのインスレーターの欠損にも成功した。この両アレルのインスレーター欠損細胞を用いてHOXA遺伝子群の発現解析を行ったところ、インスレーター近傍の遺伝子の発現に変化が見られた。本研究はHOXA遺伝子領域を研究対象とし、インスレーターの選択によるクロマチン高次構造変換を介したエピゲノム制御の詳細を明らかにすることを目的する。そこで、機能的に異なるインスレーターに結合する特異的タンパク質を同定するため、以下の研究を行った。1、CTCF複合体のプロテオーム解析FLAGエピトープタグのノックイン細胞の作成: CTCFに対するジンクフィンガーヌクレアーゼを作製し、これを用いてHeLa細胞のCTCF遺伝子のN末にFLAGエピトープタグの挿入を行った。PCR法でノックイン細胞を選別し、さらにウエスタンブロット法でCTCFタンパク質にFLAGタグが付加されたことを確認した。2、細胞核内のDNA上のタンパク質複合体のプロテオーム解析人工ジンクフィンガータンパク質を用いたクロマチン解析法の確立:これまでに作製しているインスレーター配列近傍に結合する人工ジンクフィンガータンパク質にHaloタグ(プロメガ社)を付加しHepG2細胞に導入した。現在安定発現細胞株を選択している。また、iChIP法を用いたインスレーター制御因子の同定を計画した。これはジンクフィンガーヌクレアーゼを用いてインスレーター配列近傍に8XLexA配列を挿入し、LexA結合タンパク質を用いて配列近傍のタンパク質を回収する方法である。HeLa細胞でLexA配列の挿入に成功した。3、インスレーター欠損細胞の作製: HepG2細胞のHOXA遺伝子座におけるクロマチン境界に存在するインスレーター配列をジンクフィンガーヌクレアーゼを用いて欠損させた。これまでに片側アレルでのみインスレーター配列が欠損した細胞株が得られ、さらにもう一方のアレルの欠損細胞を作成中である。片側アレル欠損細胞のHOXA遺伝子の発現解析を行った結果、クロマチンの境界が無くなることで遺伝子発現に影響を与える可能性が示唆された。本研究はHOXA遺伝子領域を研究対象とし、クロマチンインスレーターによるエピゲノム制御の詳細を明らかにすることを目的とする。以下の研究を最終年度に行った。1)インスレーター欠損細胞の解析:前年度までに作製した片アレルでのみインスレーター配列を欠損したNT2細胞を用いて、アレル特異的なChromosomeconformation capture (3C)解析を行った。その結果、インスレーター配列の欠損により抑制性の凝集したクロマチン高次構造が消失し、レチノイン酸処理による遺伝子発現の異常な上昇が観察された。2)ドメインの境界に存在する新規タンパク質の同定:HepG2細胞において、HOXA遺伝子領域内の転写活性化ドメインと転写抑制ドメインの境界に存在するCTCFと共局在するタンパク質を同定するため、公開されているChIP-seqデータのin silico解析を行った結果、ARID3Aが同定された。ARID3Aをノックダウンすると転写抑制ドメイン内のHOXA7遺伝子の発現の上昇が観察された。

この結果はARID3Aがドメインの境界形成に働き、その機能が失われるとにより転写活性化ドメインが拡張したことを示唆する。研究期間全体を通じ、NT2細胞のレチノイン酸処理によるHOX遺伝子発現誘導とインスレーターによるクロマチン高次構造変化が関与することが明らかになった。また、HOXA遺伝子領域内のドメインの境界に位置するインスレーターをゲノム編集により欠失させたHepG2細胞の解析を行い、インスレーターが遺伝子発現制御、境界形成に重要であることを明らかにした。また、ドメインの境界に位置するインスレーターにARID3AがCTCFと共局在することを見出し、境界形成に関与することが示唆された。インスレーターを介したクロマチン高次構造が遺伝子制御、エピゲノム制御に重要な役割を持つことが示された。分子生物学CTCF遺伝子へのFLAGタグおよびHaloタグのノックイン細胞とiChIP用の細胞が準備でき、プロテオーム解析を開始できた。インスレーターの両アレル欠損細胞もでき、解析を始めている。CTCF遺伝子へのFLAGエピトープタグのノックイン細胞、Haloタグを付加した人工ジンクフィンガータンパク質の安定発現細胞、iChIP用の8XLexA配列挿入細胞は、ほぼ計画通りに作製に成功した。また、インスレーター欠損細胞の作製にも成功した。作製した細胞を用いたプロテオーム解析まで出来ていないが、プロテオーム解析は次年度も計画に入れているので大きな変更は無い。1. CTCF複合体のプロテオーム解析:今年度までに作製したFLAGタグおよびHaloタグのノックイン細胞を用いてCTCF複合体の精製と質量分析によるタンパク質の同定を行う。2.細胞核内のDNA上のタンパク質複合体のプロテオーム解析:今年度までに作成した細胞を用いてiChIP法を行い、インスレーター近傍のクロマチン構成タンパク質の精製と同定を試みる。3.新規複合体タンパク質の機能解析:同定したタンパク質のクロマチン高次構造形成における役割を明らかにするため、siRNAによる遺伝子ノックダウンを行う。クロマチンの境界形成が行われるかクロマチン免疫沈降でヒストン修飾を調べ、遺伝子発現への影響もRT-PCR法で確認する。さらにクロマチンループ形成への関与をChromosome conformation capture (3C)法を用いて調べる。4.インスレーター欠損細胞の解析:今年度までに作製したインスレーター欠損細胞を用いて、ChIP-seq法によるクロマチン解析、3C/4C法によるクロマチン高次構造解析を行う。1、CTCF複合体のプロテオーム解析:今年度までに作製したCTCF遺伝子へのFLAGエピトープタグのノックイン細胞を用いてCTCF
ブレベトキシンAの合成研究

1.赤潮ブレベトキシンAは,59員環を含む10個(AJ環)の環上エーテルが梯子状に連なったポリエーテル系化合物である。この複雑で巨大な天然物は,8および9員環が連続しているため合成が非常に困難であり,未だに全合成が達成されておらず,有機合成化学者にとって非常にチャレンジングなターゲットである。私はこれまで,同様なポリエーテル化合物であるシガトキシン(シガテラ中毒の原因毒)の全合成研究の過程で,新規な環拡大反応による中員環エーテルの効率的な構築法の開発に成功している。そこで,この手法をブレベトキシンAの合成に応用する事を目的として研究を行った。2.環化反応を利用して中員環エーテル合成することは一般に困難であるため,私は環拡大反応を徹底的に利用する独自の方法論を開発し,共通の合成中間体からそれぞれ7, 8, 9員環エーテルを合成することに成功した。また,これらのメソ体を,酵素反応を利用した不斉アセチル化により非常に高い選択性で光学活性体に誘導することにも成功した(発表済)。また,ブレベトキシンAのBCDE環部分とシガトキシンのIHGF環部分が非常に類似しているため,シガトキシンの合成手法をそのままブレベトキシンAに応用する事にした。即ち,8員環エーテル(B環部)を出発原料とし,当研究室で開発した,パラジウム触媒を用いる光立体選択的環化反応を利用してC環部モデルの構築に成功した(投稿準備中)。次に,E環部(9員環エーテル)とのカップリング反応を検討するため,まずモデル実験として6員環を用い,ケタール化法により2つのフラグメントを連結した。更にオレフィンメタセシス反応を利用して閉環し,7員環(D環部)を構築することに成功した(投稿準備中)。
情報量最大化による競合学習の実現とその応用

競合学習を実現する情報量最大化法を提案し、各種の応用を通して、人間・生体系の情報処理過程の多くが情報量最大化のプロセスであるということを実証しようとした。研究では、情報量最大化学習の高速化の研究をおこない大規模問題への応用可能性を示した。さらに、個別特徴の抽出の方法を提案し、入力パターンの詳細な特徴を抽出することに成功した。競合学習を実現する情報量最大化法を提案し、各種の応用を通して、人間・生体系の情報処理過程の多くが情報量最大化のプロセスであるということを実証しようとする研究を行った。情報量最大化法は通常の競合学習と比較するとソフトな競合学習であり、より生体系の競合現象に近いものである。そこで、生体系の自己組織化を情報量最大化法の枠組みで行う研究を行った。また、情報最大化法は、計算時間が長く、通常の競合学習にくらべてまだ実用的なものであると言えない。これを克服するための研究も開始した。さらに、得られたネットワークの動きを理解するための方法の開発にも着手した。まず第1に、自己組織化マップの生成の問題である。情報量最大化法は、通常の競合学習を含むより一般的な方法である。したがって、競合学習の応用である自己組織化マップは情報量最大化法によって実現できることが期待できる。そこで、情報量最大化法の中に、ユニットとユニットの関係を取り入れた。ユニットが近ければ近いほど同じような振る舞いをするという条件の導入である。この条件の中で、情報量最大化をおこなうと伝統的な方法による自己組織化マップとほぼ同等のものが生成できるということを確かめた。情報量最大化は通常のWinner-takes-allを用いた方法と比較するとよりソフトであり生体系に近いものと考えられる。したがって、より生体系の自己組織化に近い現象を実現できる可能性が出てきた。第2に、計算法の加速化である。情報量最大化法は、ソフトでより自然に近いものであるが、通常の方法と比較するとその計算時間が長いのが欠陥である。そこで、この計算時間を早くする方法の開発にも着手した。開発中の計算法の一つは、強制情報(forced information)と言う方法である。これは、情報量最大化をおこなう前にすでに最大化は達成されているとして計算を行う方法である。すなわち、強制的に情報量を最大化しようとする方法である。この方法を利用すると問題によっては、数百倍も計算時間が早くなることが確かめられた。第3に、ネットワークの動きの理解の研究である。ニューラルネットワークの欠陥は、得られたネットワークの動きがほとんど理解できないことにある。そこで、ネットワークの動きにどの要素がもっとも貢献しているかを抽出する方法を提案した。これは情報損失法(information loss)と呼び、目的とする要素を削除したときの情報量とそうでない場合の情報量の差で測定できる。この方法を競合学習等で得られたネットワークに適用し、重要な要素が抽出できることを確かめた。学習は情報量最大化で実現することはこれまでの研究で実証してきた。しかし、情報量最大化にいくつかの問題点があることもわかってきた。すなわち、特徴抽出のための方法の不在、さらに計算の複雑さと入力パターンへの忠実性の問題である。特徴抽出のための方法の不在というのは、情報量最大化は主に競合現象を実現させるためだけに用いられており、競合を実現するために必要な要素、特徴は何であるかについてこれまで研究は行われて来なかった。そこで、ネットワークの要素を取り外し、この時の情報量の損失(informationloss)を計測することによって、特徴抽出のプロセスを理解できるための研究をおこなった。特に自己組織化マップにこの方法を応用すれば、従来の方法よりわかりやすく特徴を抽出できることがわかった。情報量最大化によって競合学習は実現できるとしても、情報量最大化をおこなうためにかなりの計算時間が必要となってくる。これは、情報量の計算が複雑であるからである。これらの問題を解決するために、簡単な方法で情報量を最大化するために自由エネルギーを導入した。自由エネルギーの導入によって、複雑な相互情報量の計算を行う必要がなくなり、より単純な分配関数を計算すればよいことになった。かならずしも、相互情報量最大化と自由エネルギー最小化は同じものではないが、多くの実験によって、この自由エネルギーを最小化することによって情報量最大化をおこなうことができるということが実証できた。競合学習は、情報量最大化によって実現されることを実証してきた。本年度は、次の二つの点について集中的に研究を行った。すなわち、学習の高速化と特徴抽出である。まず、情報競合学習の加速化である。競合学習は相互情報量を最大化することによって実現できることは研究の過程でほぼ証明できたと考える。しかし、相互情報量最大化は従来の競合学習と比較するとかなりの計算時間が必要であり、実用的な問題に応用することが困難であることがわかってきている。そこで、昨年度に続き、相互情報量の最大化を簡単にするために、自由エネルギーを用いた。自由エネルギーを用いることによって相互情報量の計算は非常に簡単になることがわかった。また、自由エネルギーによる学習をさらに安定化させる方法を提案した。

特徴抽出では、情報量損失と情報エンハンスメントの二つの方法を開発した。情報損失法は、ある特定の部分を削除し、その時の失われる情報量を測定することによって、特定部位の機能を推定する方法である。この方法は、パラメータの調整に問題があったが、パラメータ調整を簡単にする方法を開発し、現在は大規模のデータの特徴抽出にも適用できる段階に達した。さらに、ある特定の部位を用い、ネットワークをエンハンスする方法も情報エンハンスメント法として提案した。エンハンスメントによって、ネットワークは、入力パターンについて明確に反応することができる。この方法によって、情報損失法と同じように、特定部位の機能を明確にすることができえるようになった。この方法は、昨年度おこなった情報損失法法の拡張版であり、より一般的な方法となり、より多くの問題に適用できる可能性が高いことを実証した。
発達期視覚野可塑性における皮質神経回路変化

臨界期での経験依存的可塑性の固定化プロセスにおいて、皮質神経回路レベルでどの部分の神経結合がどのように変化するのかは明らではない。緑色蛍光蛋白質(EGFP)とNMDA受容体サブユニットを共発現するプラスミドを作成し、マウス胎児脳に電気穿孔法による遺伝子導入を行った。EGFP発現による層特異的神経回路標識とともにNMDA受容体の過剰発現を免疫染色法で確認した。このような層特異的な可塑性関連分子・受容体の操作手法を用いることで皮質神経回路レベルでの可塑性固定化プロセスの解明につながると考えられる。臨界期での経験依存的塑性の固だ化か進む渦程で視覚野の皮質神経回路レベルでどの部分の神経結がどのように変化するのかは明らではない。本年度は各種トレーサーやウイルスベクターによる遣伝子導入により、特定の皮質神経回路の効率的・特異的な標識を行うことを目的に研究を進めた。順行性、逆行性レーサーを皮質の上層、(2/3層)あるいは下層(5/6層)にのみ投与することによって左右視覚野間をつなぐ脳梁結合の層特異的な神経結合を明らかにし、学会報告を行った。また緑色蛍光タンパク(GFP)遺伝子を組み込んだレンチウイルスベクターを一次視覚野に投与し、様々な種類のプロモーター(CaMkIIやCWV、CAG)で比較検討した結果、CAGプロモーターを用いる場合が最も強く標識され、GFPの免疫組織染色を行わずとも細胞の樹上突起形態を可視化することができた。さらに遣伝子導入装置を用いて子宮膜内のマウス胎児脳に雷気穽孔法により遣伝手導入を行い、皮質2/3の層奮性細胞を特翼的に標識した。GFPの免疫組織染色を行わずとも樹状突起、軸索形態が明瞭に観察することができ、順行性トレーサーを用いて得られた脳梁投射軸索の層特異的な分布パターンと同様の結果を確認することができた。これまで良く用いられてきたトレーサーではなく、ウイルスベクターを用いて特定の皮質神経回路を標識することにより、ウイルスベクターに可塑性関連分子のノックダウン機能を付与するなどの新たな可能性が生じ、皮質神経回路レベルでの可塑性の固定化プロセスを明らかにする上で形態変化とともに可塑性の分子基盤の解明につながると考えられる。臨界期における経験依存的可塑性の固定化が進む過程で、視覚野の皮質神経回路レベルでどの部分の神経結合がどのように変化するのかは明らではない。この過程を解明するために、本年度は大脳皮質の層特異的な神経回路標識とともに層特異的な可塑性関連分子・受容体の過剰発現あるいはRNA干渉にまる機能低下を施すことを計画し研究を行った。皮質の層特異的な神経回路標識のために、遺伝子導入装置を用いて子宮膜内のマウス胎児脳に電気穿孔法による遺伝子導入を行った。皮質2/3層あるいは4層のニューロンに緑色蛍光物質(GFP)を発現させ、皮質の層特異的な神経回路標識を行うことができた。また、CAGプロモーターを持つプラスミドにGFPとNMDA受容体を共発現する過剰発現プラスミドを作成した。このプラスミドを培養細胞(COS-7)にトランスフェクションし、蛍光免疫染色およびウエスタンブロット法にてNMDA受容体の過剰発現を確認した。作成したプラスミドをマウス胎児脳に電気穿孔法による遺伝子導入し、皮質の層特異的にGFP発現による神経回路標識とともにNMDA受容体の過剰発現を行った。NMDA受容体の過剰発現は免疫染色法で確認した。また、NMDA受容体の機能低下を行うために、NMDA受容体のRNA干渉機能を有するプラスミドを作成した。これまで神経回路標識法としてトレーサーが良く用いられてきたが、トレーサーの代わりにウイルスベクターや電気穿孔法による遺伝子導入を用いることによって新たな可能性が生じる。本研究で作成したような可塑性関連分子・受容体の機能付加や機能低下の機能を有するプラスミドを用いることによって、層特定な神経回路標識とともに可塑性関連分子・受容体の機能付加・低下を行うことができる。皮質神経回路レベルでの可塑性の固定化プロセスを明らかにする上で形態変化とともに可塑性の分子基盤の解明につながると考えられる。
整数論の密度定理における第二主要項の研究

代数体を判別式の順序で数える関数のいくつかについて,第二主要項を詳しく調べることができた.例えば,非可換な6次ガロア拡大を数える関数について,第二主要項に加え第三主要項が存在する可能性を指摘した.また相対3次拡大を数える関数について,基礎体が二次体の場合に第二主要項を決定した.一般の基礎体上でも平滑化した関数で第二主要項を決定した.この他数点の成果がある.またこの問題に関連して,概均質ベクトル空間の指数和を計算する単純な方法を見出した.整数論の密度定理における第二主要項の研究を行った.概均質ベクトル空間のゼータ関数を主要な道具として研究した.本年度の成果は以下の通りである.なお,これはManjul Bhargava氏(プリンストン大)及びFrank Thorne氏(サウスカロライナ大)との共同研究である.2次体のイデアル類群の3等分点を数える関数について,これまでの研究で主要項を二つ決定し,誤差項の指数を17/22としていた.この誤差項の評価を改良した.「Nakagawaの恒等式」によって合同条件を簡易化し,さらに解析数論のテクニックを融合して指数を11/16にまで下げることができ,特に3/4より小さくできた.二つの主要項が実際の数え関数を精密に近似している証拠である.このような密度定理を得る方法にはゼータ関数を使う以外に数の幾何によるアプローチが知られているが,今回のケースでは数の幾何のアプローチでは,指数を3/4より小さくすることは困難なようであり,ゼータ関数を使ってこれより小さな11/16が得られたことは意義深いと考えられる.この成果について,現在論文を執筆中である.整数論の密度定理における第二主要項の研究を行った.主要な道具は概均質ベクトル空間のゼータ関数である.本年度の成果は以下の通り.なお,(A), (B)はManjul Bhargava氏(プリンストン大), Frank Thorne氏(南カロライナ大)との共同研究,また(C)はGutam Chinta氏(ニューヨーク市立大)との共同研究である.(A)3次体を数える関数と,2次体のイデアル類群の3等分点を数える関数について,誤差項の改良を得た.具体的には,第二主要項の指数5/6に対し,誤差項の指数がそれぞれ以前に7/9と18/23であったものを2/3と17/22にまで改良できた.「数の幾何」を使う方法では誤差項の指数を3/4より小さくすることはできないため,ゼータ関数を使ってこれより小さな2/3が得られたのは意義深いと考えられる.(B)一般の代数体K上での相対3次拡大を数える関数について,誤差項の評価を得た.今回得られた誤差項の指数は,Kの拡大次数をdとして,(4d-1)/(4d+1)である.一方,ゼータ関数の極から得られる可能な第二主要項は指数が5/6である.Kが2次体の場合は誤差項の指数は7/9であって5/6より小さいため,実際に第二主要項の存在が証明できた.(C)ある可約な10次元の概均質ベクトル空間に付随する,2変数のゼータ関数について研究した.第二主要項に対応する極の留数を計算した.整数論的にはこのゼータ関数も3次体を何らかの重みで数えており,最終的には3次体の密度定理に結びつくと考えられる.本年度の主要な成果は,概均質ベクトル空間に伴って定まる多次元のガウス和を計算する単純な方法を見出したことである.この方法を適用して,いくつもの概均質ベクトル空間に対し,ガウス和を計算することができた.本研究課題において第二主要項の導出のためにもっとも重視する道具は,概均質ベクトル空間のゼータ関数である.上述のガウス和は,概均質ベクトル空間のゼータ関数の関数等式に現れる係数である.第二主要項の導出のために,この係数の一様評価は重要な問題になる.実際に研究代表者は,概均質ベクトル空間が2変数3次形式の空間の場合のガウス和の計算結果から,3次体の密度定理の第二主要項を導出していた.このときはベクトル空間が4次元と小さく,ガウス和を定義に基づいて直接計算することができたが,ベクトル空間が大きく複雑になると,直接計算することはできなくなる.今回開発した手法によって,効率が大幅によくなり,より複雑な空間に対しても計算ができるようになった.そして,複数の場合において,通常のガウス和の理論で期待される「平方根キャンセル」よりもよい評価が成立していることが分かった.これはあまり予期されていなかったことなので,興味深いと考えられる.また,値の評価にとどまらず具体的な値が計算できたことで,概均質ベクトル空間のより精密な構造を把握できた可能性がある.少なくとも,ゼータ関数の関数等式を具体的に記述したり,その量の関係を考察したりすることができるようになった.これも意味のある成果だと考えられる.概均質ベクトル空間を使って密度定理の第二主要項を計算するためには,概均質ベクトル空間に伴う指数和の大きさを評価する必要がある.昨年度に,この指数和を計算する単純で効果的な方法を見出し,次元の小さないくつかの概均質ベクトル空間の対して指数和の計算を実行した.本年度はこの研究を推し進め,より複雑な概均質ベクトル空間に対して指数和を計算した.特に(a)三変数二次形式の対のなす12次元の概均質ベクトル空間について,この指数和を計算した.また,

(b)古典型と呼ばれる5系列の概均質ベクトル空間のうち3系列について指数和を考察し,この計算方法がやはり有効であることを確かめた.(a)は第二主要項の導出にも有用であると見込まれる成果だが,直接的な応用として,概素数判別式をもつ三次体と四次体の個数を下から評価することに成功した.また概均質ベクトル空間のゼータ関数の関数等式にこの指数和が現れることから,副産物として,いくつかの概均質ベクトル空間について関数等式の明示式を得た.特に二元三次形式の空間のゼータ関数については,自己双対的な関数等式を新たに見い出すこともできた.この成果については,現在論文を執筆中である.(b)は,指数和の一般論を構築する上で有用な成果であると考えられる.この方面についても今後さらに研究を進めていく予定である.代数体を判別式の順序で数える関数のいくつかについて,第二主要項を詳しく調べることができた.例えば,非可換な6次ガロア拡大を数える関数について,第二主要項に加え第三主要項が存在する可能性を指摘した.また相対3次拡大を数える関数について,基礎体が二次体の場合に第二主要項を決定した.一般の基礎体上でも平滑化した関数で第二主要項を決定した.この他数点の成果がある.またこの問題に関連して,概均質ベクトル空間の指数和を計算する単純な方法を見出した.第二主要項の導出のために必要な概均質ベクトル空間のガウス和について,新しい計算方法を見出すことにより,これまでは難しかった場合の計算が系統的にできるようになったため.整数論現在10個程度の概均質ベクトル空間に対してガウス和の計算ができているが,今後さらに複雑な空間に対しても研究を押し広げていく.また,第二主要項の導出に必要な評価が得られたので,第二主要項の研究も進める.「研究実績の概要」欄に述べたように,数の幾何を使う方法では困難な成果を得たので,これは概均質ベクトル空間のゼータ関数独自の効果的な応用を提示したと考えられる.3次体を数える関数については,前年度の研究で誤差項の指数を2/3としていた.本年度の研究とあわせ,2つの密度定理いずれにおいても誤差項の指数を3/4より小さくできたのは,2元3次形式のなす概均質ベクトル空間から得られる密度定理について,当初の計画以上の成果を挙げたと言える.「研究実績の概要」欄に述べた(A),(B)は,いずれも数の幾何を使う方法では困難な成果であり,概均質ベクトル空間のゼータ関数独自の効果的な応用を提示したと考えられるから.研究費を効率的に使用し,残額が発生した.これまでは主に2元3次形式の空間についてゼータ関数を用いて調べてきたが,この研究はかなり満足のいく段階に到達した.今後は,4以上の自然数nについての,2元n次形式の空間について第二主要項を研究する.nが4以上のときは今のところゼータ関数は見出されていないが,数の幾何を使ったアプローチは依然として有効であることが明らかになっている.これまでの知見を踏まえ,特にArul Shankar氏(ハーバード大)と緊密に研究連絡を取り,研究を進める.同氏を夏季に招聘する予定である.(a) 2次体のイデアル類群の3等分点を数える関数について,誤差項の評価を改良する.「Nakagawaの恒等式」によって合同条件を簡易化し,さらに解析数論のテクニックを融合して指数を3/4より小さくすることを目指す.達成された場合には,代数体上の相対2次拡大についても同様の問題に取り組む.Manjul Bhargava氏(プリンストン大), Frank Throne氏(南カロライナ大)と研究連絡を取りながら研究を進める.
背景ダイナミクスを重視する非線形時系列解析と金融工学への応用

自然現象を生み出す背景ダイナミクスをできるだけ破壊しないように時系列データを観測し,このデータよりダイナミクス(法則性)を学習することで予測力の高い時系列予測モデルの構築を目指した.しかし予測誤差を完全には排除できないため,これを予測リスクとみなし,事前の推定方法や緩和方法を検討した.このように将来予測およびリスク管理を両輪とするアプローチは金融工学に応用できるため,決定論的予測モデルに基づく新しい非線形金融工学を提案した.各企業の資金源として株式発行による直接金融の役割は,資本主義社会において非常に重要である.しかし特に日本においてはリスクを恐れるあまり,投資家人口は低い.リスクを推定する手立ては統計学であり,その制御や低減法は,金融工学におけるポートフォリオ理論が代表的である.しかしこれまでのポートフォリオ理論は,ヒストリカルデータに基づく移動平均,標準偏差,相関関数といった線形統計量の枠組みに終始するため,非線形な複雑システムたる金融市場への実用について疑問の余地があった.そこで本研究では,非線形予測モデルを導入することで,既存のポートフォリオ理論の予測能力を向上させ,さらに予測誤差をリスクととらえることで,新しい非線形ポートフォリオモデルを構築した.なおこの予測誤差には,2乗収益率(ボラティリティ)と同様の時間構造を有することを発見し,多変量GARCHモデルをも融合することで,非線形予測によってリターンのみならずリスクも予測できるポートフォリオモデルを実現した.これらの予測精度が高まるほど,各投資銘柄のアロケーションを正しく最適化できるため,リスク分散効果を向上させることができる.さらに,金融分析手法としてテクニカル分析も代表的である.これは世界に先駆けて江戸時代の米相場から誕生した日本文化にも関わらず,特に日本の金融業界ではファンダメンタルズ分析の方が主流である.これは金融業界が文系傾向にあることに起因する.そこでテクニカル分析において,理系のセンスを強化すべく予測理論や集団学習などデータマイニング技法を取り入れることで,新しいテクニカル分析を開発している.さらにその妥当性を科学的に検証できることが極めて重要であるため,その一連の研究テーマを「Evidence Based Technical Analysis」と称し,次年度も継続・発展させていく.各企業の資金源として株式発行による直接金融の役割は,資本主義経済において重要であるが,我が国はリスクを恐れる国民性からか,投資家人口は欧米に比べて低い.リスク推定や制御に役立つ手立てとして,これまで統計学をベースとした金融工学やポートフォリオ理論が開発されてきた.しかし従来の理論モデルでは,直近のヒストリカルデータに基づく移動平均,標準偏差,共分散(または相関関数)といった線形統計量の枠組みに終始するため,非線形な複雑システムである金融市場への実用について疑問の余地があった.そこで本研究では,非線形予測モデルを導入することで,既存理論の予測能力を向上させ,さらに予測誤差をリスクと捉えることで,新しい非線形ポートフォリオモデルを構築した.なおこの予測誤差には,2乗収益率(ボラティリティ)と同様の時間記憶構造を持つ事を発見し,多変量GARCHモデルをも融合することで,非線形予測によってリターンのみならずリスクも予測できるポートフォリオモデルを構築した.これらの予測精度が向上するほど各投資資産の分配を適切に最適化できるため,リスク分散効果の向上も期待できる.さらに,金融分析手法としてテクニカル分析も代表的である.これは世界に先駆けて江戸時代の米相場から誕生した日本発祥文化にも関わらず,現在の日本の金融業界ではファンダメンタルズ分析が主流である.これは金融業界が未だ文系傾向にあることに起因している.そこで本研究では,テクニカル分析において理系のセンスを強化すべく,予測理論や集団学習などデータマイニング技法を取り入れることで,新しいテクニカル分析を開発している.さらに分析手法の妥当性を科学的に検証することが本分野のアカデミック化にとって極めて重要であるため,この一連の研究テーマを「Evidence Based Technical Analysis」と称し,次年度も継続・発展させていく.各企業の資金源として株式発行による直接金融の役割は,資本主義社会において非常に重要である.しかし特に日本においてはリスクを恐れるあまり,投資家人口は低い.リスクを推定する手立ては統計学であり,その制御や低減法は,金融工学におけるポートフォリオ理論が代表的である.しかしこれまでのポートフォリオ理論は,ヒストリカルデータに基づく移動平均や標準偏差といった線形統計量の枠組みに終始するため,非線形な複雑システムたる金融市場への実用について疑問の余地があった.そこで本研究では,非線形予測モデルを導入することで,既存のポートフォリオ理論の予測能力を向上させ,予測誤差をリスクと捉えることで,新しい非線形ポートフォリオモデルを構築した.なおこの予測誤差には,2乗収益率(ボラティリティ)と同様の時間記憶構造を持つ事を発見し,多変量GARCHモデルも融合することで,非線形予測によってリターンのみならずリスクも予測できるポートフォリオモデルを実現した.これらの予測精度が高まるほど,投資銘柄を適切にアロケーションできるため,リスク分散効果を向上させることができた.さらに,金融分析手法としてテクニカル分析も代表的である.これは世界に先駆けて江戸時代の米相場から誕生した日本文化にも関わらず,特に日本の金融業界ではファンダメンタルズ分析の方が主流である.これは金融業界が文系傾向にあることに起因する.そこでテクニカル分析において,理系のセンスを強化すべく予測理論や集団学習など機械学習技法を導入することで,新しいテクニカル分析を開発している.さらにその妥当性を科学的に検証できることが極めて重要であるため,その一連の研究テーマを「Evidence Based Technical Analysis」と称し,次年度からの新規採択課題「機械学習を駆使した金融テクニカル分析の科学的妥当性の検証」へと発展させる.

自然現象を生み出す背景ダイナミクスをできるだけ破壊しないように時系列データを観測し,このデータよりダイナミクス(法則性)を学習することで予測力の高い時系列予測モデルの構築を目指した.しかし予測誤差を完全には排除できないため,これを予測リスクとみなし,事前の推定方法や緩和方法を検討した.このように将来予測およびリスク管理を両輪とするアプローチは金融工学に応用できるため,決定論的予測モデルに基づく新しい非線形金融工学を提案した.H26年度の研究計画は,本研究のアイデアの発展課題(1-2),(2-2),(3-2)に取り組み,学会発表や学術論文に掲載することで先行性を確保することであった.なおそれぞれの発展課題の詳細は次のとおりである.(1-2)多変量ジャンプ過程のサンプリング手法の検討,(2-2)予測リスクをヘッジした非線形時系列解析forサロゲート検定,(3-2)集団学習によって予測リスクをヘッジするポートフォリオ理論.いずれも交付申請書の研究目的を要約したタイトルになっている.さらに,昨年度(H25年度)に実施した基礎課題(1-1),(2-1),(3-1)についてはおおむね学術誌論文に掲載され,こちらも研究スケジュール通りに進展した.その結果,今年度は学術誌論文5編,国際会議論文7編の成果を得ている.以上により,研究目的および研究計画はおおむね順調に進展している.ソフトコンピューティング現在の研究ペースを維持しつつ,研究計画を予定どおりに遂行することを目指す.研究計画や課題の変更については,特に見当たらない.なお今後の研究計画として,H27年度では残りの発展(1-3),(2-3),(3-3)に取り組む.詳細は次のとおりである.(1-3)非定常ジャンプ過程のサンプリング手法の検討,(2-3)予測リスクをヘッジした非線形時系列解析for非線形指標の推定,(3-3)多数銘柄によるポートフォリオの組合せ比率の最適化.これらの研究テーマを推進し,学会発表や学術誌論文への投稿を通じて,研究成果を世間に公開する.H25年度の研究計画は,本研究のアイデアの要である基礎課題(1-1),(2-1),(3-1)を学会発表や学術論文に掲載させることで先行性を確保することであった.なお基礎課題の詳細は次のとおりである.(1-1)定常ジャンプ過程のサンプリング手法の検討, (2-1)少数データによる非線形予測のリスク推定と予測精度の向上,(3-1)非線形予測リスクをヘッジするポートフォリオ理論の提案.いずれも交付申請書の研究目的を要約したタイトルになっている.
組合せ最適化に基づく電力割当制御システムのボトムアップによる広域化と高機能化

本研究の目的は,組合せ最適化に基づく電力割当制御を複数家庭・コミュニティレベルに広域化し,さまざまな分散型電源の活用や家庭間・地域コミュニティ間の電力融通による高機能な電力割当制御を実現するシステムを構築することであり、個々の家庭の利便性や電力消費の効率化と,複数家庭・コミュニティ全体の高機能化・効率化を両立することを目指す。本研究課題では下記の三つのトピックを扱う。1)電力割当スケジューリングの組合せ最適化問題としての定式化とアルゴリズム構築、2)電力需給の変動への動的対応の組合せ最適化問題としての定式化とアルゴリズム構築、3)集約・階層化のスケールに応じた電力消費効率化と計算効率とのトレードオフの明確化。初年度である2018年度は、主に1)と2)について予備的な検討を行った。特に、現実の電力消費機器を用いて測定した消費電力データを活用し、電力を消費するタスクの開始時刻・終了時刻や、時間帯ごとに動的に変化する利用可能な電力の上限などといった制約下での最適スケジューリング問題をモデル化し、線形計画ソルバーSCIPを用いた試験的な評価を行った。また、電力割当制御システムを集合住宅やコミュニティのレベルへと今後拡張するにはスケーラビリティが重要となるため、ローカルの計算機だけでなくクラウド計算資源の活用についても予備的な検討を行った。加えて情報処理学会の関連学会などにおいて、本研究と関連するスマート家電プロトコルや家電制御システムの最新の技術動向を調査した。次年度以降に本格的な評価実験を行うためには、システム構築にあたって実用的な計算時間でスケジューリングが完了することが重要であり、モデル化の改良や実装の工夫などのさまざまな改善が必要であるため、2年目の早い時期に取り組む予定である。「研究実績の概要」で述べたように、初年度は電力割当スケジューリングの組合せ最適化問題としての定式化とアルゴリズム構築、および電力需給の変動への動的対応の組合せ最適化問題としての定式化とアルゴリズム構築について予備的な検討を行ったが、実際の評価実験を行うには定式化や実装のさらなる工夫が必要であることが判明し、当初の計画よりはやや遅れている。2年目の早い時期に取り組む予定である。当初の計画通り、本研究課題では下記の三つのトピックを扱う:1)電力割当スケジューリングの組合せ最適化問題としての定式化とアルゴリズム構築、2)電力需給の変動への動的対応の組合せ最適化問題としての定式化とアルゴリズム構築、3)集約・階層化のスケールに応じた電力消費効率化と計算効率とのトレードオフの明確化。これらの課題設定やアプローチについて当初計画からの変更はなく、2年目は国際会議や論文誌での論文発表などの成果発信を目指す。当初の計画では情報収集または成果発表のための海外出張旅費を計上していたが、研究の進捗状況および国際会議の開催スケジュールを考慮して、初年度は海外出張を行わず2年目以降に変更する方が適切であると判断した。したがって、次年度使用額は主に対外発表の充実のために使用する予定である。
卵成熟における減数分裂再開の分子機構

卵成熟における減数分裂再開の分子機構を明らかにすることを目的に、以下の2点について調べた。1)キンギョサイクリンBmRNAの翻訳開始機構ポリA鎖の伸長を阻害するコルジセピンが、ホルモン刺激によるキンギョ卵成熟を阻害することを発見した。このことはポリA鎖伸長がサイクリンBmRNAの翻訳開始に関わることを示唆する。ポリA鎖伸長の調節機構を探るため、キンギョのcytoplasmic polyadenylation element binding protein (CPEB)、ポリAポリメラーゼ、ポリA結合蛋白質のcDNAクローニングを行い、大腸菌で作製したそれぞれのリコンビナント蛋白質に対する単クローン抗体を作製した。現在、これら抗体を用いた解析を進めている。2)アカガエル卵成熟過程における卵成熟促進因子(MPF)の形成.活性化機構アカガエルサイクリンB1とB2の全長cDNAをクローニングし、リコンビナント蛋白質に対する抗体を作製し、サイクリンB1、B2蛋白質の卵成熟過程での変化を追った。両者ともに未成熟卵には存在せず、卵成熟過程で出現し、cdc2と結合してMPFになることが示され、pre-MPFの不在が確認された。バナデ-トがアカガエルMPFの活性化を阻害することからcdc25の関与が示唆されていたが、バナデ-ト存在下でcdc2のチロシンリン酸化は認められず、スレオニンリン酸化が阻害された。すなわち、バナデ-トによるMPFの活性化阻害はcdc25を介したものではなく、cdk7/サイクリンHを介したものと推定された。以上のことから、アカガエル卵成熟におけるMPFの形成.活性化機構はキンギョのそれとほぼ同様と結論される。
共働き夫婦家族における父性機能の変容に関する実証的研究

共働き夫婦家族のおける父性機能の変容に関する実証的研究を進めるために、当該課題がもっとも明確に表われる看護婦の夫婦・家族関係を調査、分析した。調査対象は、長崎県内において入院病棟をもつ比較的大きな病院15か所、およびそれらの病院に勤務する既婚の看護婦約1500人である。調査の方法は、面接調査、郵送調査および配布調査によって実施した。調査の規模が予定より大きくなったこと、そして、この課題の複雑さから、分析はまだ中間的なものにならざるを得ないが、いくつかの成果をまとめておこう。【.encircled1.】父性機能を変容させる客観的条件は生活時間の確保、確立であるが、同時に、夫婦関係のあり方と父性(夫・父親)のあり方、すなわち主体的条件の格差が大きいといえる。この主体的条件の格差は、夫・父親の生育歴・大学での学習内容・社会的・文化的環境などと夫婦間葛藤の解決の「あり方」に規定されている。【.encircled2.】父性機能の変容は、外的変容過程の内的変容過程という2つの側面から進んでいるが、これらはそれぞれ独立しており相互構造をもっていない。外的変容過程とは育児や子育てにおける父親の参加であり、内的変容過程とは家事労働への父親の参加のことであるが、父性機能の変容はまずもって育児や子育てへの参加拡大、外的変容過程を特徴としている。これにたいして、【.encircled3.】内的変容過程、家事労働への父親の参加は部分的かつ補完的であり、かつ家族間に大きな格差すなわち「総合的に関わっている夫・父親」と「ほとんど関わりをもたない夫・父親」が存在する。分析の重要な課題はこのメカニズムの解明であるが、夫・父親への面接調査(100人)を継続して実施し、父性機能変容の今日的特徴をさらに明らかにしていきたい。
庄内沿岸極浅海域において嫌気的メタン代謝を担う未知微生物群に関する研究

本研究では山形県酒田市沿岸河口域堆積物に生息するメタン代謝古細菌および関連古細菌の生理生態解析を行った。分子系統解析の結果、当該環境からメタン生成古細菌や嫌気的メタン酸化古細菌ANME古細菌に近縁なクローンが検出された。これらのクローンの分布は堆積物深度により異なる傾向があったことから、クローンに対応する古細菌細胞は堆積物深度に依存して棲み分けを行っている可能性が推察された。本研究は山形県最上川支流河口域の極浅部水深領域の汽水堆積物に生息するメタン代謝古細菌の生理生態を明らかにすることを目的とした。半円推型試料採取器により垂直方向に取得した堆積物を10 cmごとに分画し、これをゲノムDNA抽出用試料とした。各々の試料をビーズ破砕に供し、試料に含まれるゲノムDNAの抽出・精製を行った。これを鋳型としてPCR法により古細菌16S rRNA遺伝子の増幅を行い、大腸菌を用いて増幅遺伝子産物のクローニングを行った。塩基配列決定後、相同性検索、分子系統解析を行う事により、各々の堆積物中の古細菌の菌叢解析を行った。解析の結果、堆積物深度4050 cmおよび8090 cm区画において、水素依存性メタン生成能を有するMethanomicrobiales目メタン生成古細菌および酢酸依存性メタン生成能を有するMethanosarcinales目メタン生成古細菌のクローンが検出された。堆積物深度010 cm区画においてはメタン生成古細菌のクローンは検出されなかった。これらから、当該堆積物は中深度から高深度において上記の古細菌グループが主要なメタン生成を担っている可能性が示唆された。また、4050 cmにおいて、嫌気的メタン酸化反応を担っていると推定されている古細菌(ANME古細菌)のクローンが多く検出された。当該深度域堆積物(深度4454 cm)においては、13C標識メタンを用いた嫌気的メタン酸化活性が認められた。同活性は硫酸還元細菌阻害剤(Molybdate)存在下あるいはメタン代謝阻害剤(2-bromoethanesulfonate)存在下では活性が認められなかった。以上の結果から、当該深度領域においては、硫酸塩依存型嫌気的メタン酸化反応を起こし得るような絶対嫌気性共生微生物(硫酸還元細菌およびANME古細菌)が生息している可能性が示唆された。本研究は山形県最上川支流河口域の極浅部水深領域の汽水堆積物に生息するメタン代謝古細菌の生理生態を明らかにすることを目的としている。堆積物試料の採取は半円錐型試料採取器を用いた。これにより深度情報を維持しつつ堆積物の取得を行った。採取後の試料は現場にて深度ごとに約10 cm間隔で切り出し、脱酸素処理後ただちに研究室に持ち帰った。また、堆積物を飽和NaCl溶液に密封保存したものを溶存メタン濃度測定用試料とした。各々の深度の堆積物試料は無菌嫌気環境にてスラリー調製用、酸化還元電位測定用、水分含量測定用、培養用に一部を取り分けた。残りの試料は高速遠心分離処理により間隙水を取得し、各種イオン、pH、電気伝導度の測定に供した。また、間隙水の一部をバイアル瓶に分注、アルゴンガスで脱酸素処理後密封し、スラリー用溶媒を作成した。これに各々の深度に対応する堆積物を添加し、25度でインキュベート、経時的に気層部成分を分析することでメタン生成活性の評価を行った。別途安定同位体標識メタンガスおよび硫酸イオン存在下でのインキュベートも行った。酸化還元電位はアルゴンガス下で堆積物に電極を挿入することにより測定した。実験の結果、当該堆積物はいずれの深度においても-300 mV以下と極めて嫌気的な環境にあることが明らかとなった。間隙水の成分分析においては、堆積物表層部から深層部に向けて各種イオン濃度の段階的な減少が見られた。一方、溶存メタン濃度およびメタン生成活性は堆積物深層部が最も高く、表層に向けて低下した。これらの情報に基づき、硫酸イオンとメタンの共存する堆積物深度領域のイオン組成を模した培養用絶対嫌気培地を作成し、各種基質存在下で同深度の堆積物を希釈添加して25度で培養を行った。現在、当該深度由来のメタン生成古細菌および硫酸還元細菌の集積培養を行っているところである。垂直情報に基づく堆積物の取得および、それらの性状解析やメタン代謝微生物の活性評価、関連微生物の分離培養など、実施年度における計画目標に概ね到達していると考えられるため。研究計画に基づき、クローンライブラリー法による嫌気的メタン代謝関連微生物群の菌叢解析を行う。また、当該微生物の純粋分離および共生系再構築を行う。各々の深度の堆積物に含まれる嫌気的メタン代謝関連微生物群の菌叢解析、嫌気的メタン代謝微生物の培養・分析のために使用する。
マイクロサテライト多型解析を応用したマラリア薬剤耐性アレル頻度の将来予測

マラリアはエイズ、結核と並ぶ世界3大感染症の一つである。グローバルな対策における最大の障壁は薬剤耐性マラリア原虫の出現と拡大である。本研究により、一点サンプリングによって得られたデータから薬剤耐性原虫の適応度が推定でき、将来耐性原虫の頻度が変化していく軌跡を予測することができるモデルを作成することができた。本解析モデルは様々な流行地に応用でき、頻回のサンプリングを必要とせずに耐性遺伝子頻度の未来予測を可能とする。本研究は、熱帯熱マラリア原虫の薬剤耐性が今後どのように変化していくのかを予測することができる解析モデルの開発を行う。本年度の成果として、1アジア、アフリカ、南米のマラリア調査から得た熱帯熱マラリア原虫検体のうち、薬剤耐性関連遺伝子dhfr、dhpsの近傍6-11箇所のマイクロサテライトのタイピングをおこなった。この結果を用いてネットワーク解析を行い、耐性原虫の起源と地理的な拡がりを検討した。その結果、これまで使用されてきたすべての抗マラリア薬(クロロキン、ピリメサミン、サルファドキシン)において、東南アジアから出現した耐性原虫がアフリカへと広がっていくことがわかった。以上から、東南アジアの特定の地域を除けば、耐性原虫がde novoに出現する可能性は低く、耐性原虫頻度の未来予測を可能とする解析モデルの作成にあたっては、地域に出現する耐性原虫は移入のみによって起こると仮定できることが明らかになった。2中立マイクロサテライトマーカーを用いた集団遺伝学的パラメータの推定ヒッチハイキングを受けていない中立マイクロサテライトマーカー11座位を決定し、原虫集団の有効な大きさを推定した。3エクセルを用いた前向きシミュレーションによる解析モデルの作成2で求めたパラメータおよび既知のマイクロサテライト突然変異率を用いてエクセルを用いた前向きシミュレーションによる解析モデルを作成した。組換え率は17kb/cM(どの染色体でもほぼ一定であり、hot spotも明らかになってきている)を用いた。このモデルでは、相対適応度を1-sとし、sを0から1まで変化させ各sに対して、シミュレーションをおこない耐性遺伝子頻度が実際のデータと最も一致するsを最尤値として決定することができる。今後実際のデータとの妥当性を検討する。本年度の成果として、1昨年度終了した薬剤耐性関連遺伝子dhfr、dhpsに引き続いて、クロロキン、メフロキン、アルテミシニン耐性に関連するpfmdr1遺伝子の近傍6箇所のマイクロサテライトのタイピングをアジア、アフリカ、南米のマラリア調査から得た熱帯熱マラリア原虫検体を用いておこなった。2昨年度に決定した遺伝的ヒッチハイキングを受けていない中立マイクロサテライトマーカー11座位におけるタイピングを1と同様の検体を用いておこなった。ベイズ法による集団構造解析ソフトSTRUCTUREを用いた検討により、全流行地におけるマラリア集団の遺伝的構造が明らかになってきた。3マラリアは非常に高い頻度で自殖をおこなっている。自殖の程度は耐性遺伝子変異の経年変化に大きな影響を与える。本年度は、パプアニューギニアの検体を用いて自殖率を推定するシミュレーションモデルを作成した。本モデルから、PNGにおける自殖率の推定値は0.72と高い値を示していた。4薬剤耐性遺伝子の近傍に存在するマイクロサテライト多型度の経時的な上昇速度から感受性原虫に対する耐性原虫の相対適応度(有利度)を最尤推定するシミュレーションプログラムを作成した。ただし、その精度については、さらに改善する必要がある。初年度の成果として、マラリア疫学の異なる地域から得られた約400株の遺伝解析をおこない、流行地域に固有な遺伝変数を定量評価することができた。具体的な解析項目及び結果は以下の通りである。(1)我々はこれまで薬剤耐性はアジア、オセアニア、アフリカ、南米の4地域で固有に進化してきていることを見出してきた。本年はそれぞれの地域(カンボジア、パプアニューギニア、ガーナ、ブラジル)からすでに得られている熱帯熱マラリア原虫におけるクロロキン、ファンシダール耐性と関連する薬剤耐性遺伝子(pfcrt、dhfr、dhps)の塩基配列決定をおこなった。対象地域における原虫遺伝子レベルで見た薬剤耐性はアジア、南米>アフリカ>オセアニアとなった。(2)さらに耐性型においては、各遺伝子6-11箇所の薬剤耐性遺伝子周囲マイクロサテライトのタイピング、ハプロタイプ解析をおこい、原虫の耐性進化系統への属性解明を試みた。解析は進行中であるが、当初の推定通り地理的な分布と耐性系統に強い関連が見られたほか、耐性原虫の他地域への移入を定性的なレベルで評価することができた。本検討は次年度も継続し、地理学的な(水平方向)耐性原虫のダイナミズムを決定していく。(3)一部の地域では12座位の中立的なマイクロサテライトマーカーを決定し、解析に不安定性を供与する多重感染(一人の患者に異なる遺伝子型の原虫が感染)を示す検体を除外した。

また、これら各座位における中立進化を仮定したSTRUCTURE解析によって、地域における原虫集団構造の推定をおこなった。本研究は、熱帯熱マラリア原虫の薬剤耐性が今後どのように変化していくのかを予測することができる解析モデルの開発を行う。本年度は最終年度に達成できなかった重要な2つの課題、すなわち「自殖率のより良い推定」及び「マイクロサテライト座位間の組換え率の推定」に取り組んだ。得られた成果は以下である。実証データとの比較をおこないながら、自殖率推定モデルの改良を行った。実証データとして、パプアニューギニアでおこなった調査により得られた検体を用いた。薬剤耐性遺伝子として、熱帯熱マラリア感染原虫のdhfr遺伝子型および周囲11座位のマイクロサテライト(MS)多型を決定した。得られたマイクロサテライトデータの主成分分析、系統解析により,2つの系統に分類された。さらに解析に適した2座位を選び,組換えを考慮したcoalescenceシミュレーションにより、MSの突然変異率および原虫集団の有効な大きさを推定することができた。マイクロサテライト座位間の組換え率の推定は4番および12番染色体の網羅的ゲノム解析は達成されず、組換え率の最大値および最小値を用いたシミュレーションをおこなった。以上の値を用いてピリメタミンによる自然選択を仮定したシミュレーションを行い耐性が出現してからの経過世代数を推定した.耐性型は1.099の適応度(野生型比)を示し,耐性原虫が出現してから100世代程度で実証値と一致することを明らかにすることができた。熱帯医学2年目にしてエクセルを用いた前向きシミュレーションによる解析モデルの作成を行うことができた。このモデルによって熱帯熱マラリア原虫の薬剤耐性が今後どのように変化していくのかを予測することが可能になることが期待される。3年目の課題として,モデルの妥当性および頑強性をしっかり評価、必要に応じて修正する必要がある。本研究課題は、いまだあきらかになっていないマラリア原虫集団における各種集団遺伝学的パラメーターを明らかにし、その結果を用いて熱帯熱マラリア原虫の薬剤耐性が今後どのように変化していくのかを予測することができる解析モデルを開発することにある。最終目標としてのシミュレーションモデルの開発は達成することができ、3年間の研究計画はおおむね順調に進んだと言える。しかし、実際の流行現場で用いられるモデルにするためには、さらなる改良が必要と考える。3年間の研究で達成できなかった点とその理由としては以下の二つの理由があげられる。1)研究申請時に想定した以上に、マラリア流行度が多重感染率に影響することが2013年に報告されたことによる(Mol Eco, 2013)。多重感染率はシミュレーションモデルに大きな影響を与えるため、当初血中の原虫多重感染率のみから単純に推定していた自殖率を実証データを用いたシミュレーションによる推定する方法へと変更した。