hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
音声認識食事調査のための食物シソーラスの開発提言―食事記録コーパスの疫学的活用

具体的には,料理名にある食材名と調理方法を自動的に区分するルール,調理法を自動的にコード化するルールなどを作成した。今回の助成により,食事記録コーパス関連・プログラミング実装に関する情報学分野の文献を収集し,教育システム情報学会第41回全国大会の企画セッション「身体知・経験知に関わる学習支援技術」において口頭発表し,情報処理分野の研究者と論点整理をした。研究を遂行する上で,大量データを一括処理するプログラミング技術が必要になってきている。栄養疫学領域から提供できる生活習慣病予防のための食品・料理区分を,どのようにしてプログラムに実装するかが重点課題である。研究協力者に情報学分野で言語処理を専門にしている研究者(中京大学道満恵介先生)を加え,ミーティングを重ねることで,研究成果を実効性のある形にしつつある。本研究は,栄養疫学の食事調査法を改善する目的で,実施済の食事記録調査でコード化された料理・食品の電子データをコーパスとして活用し,食事調査の対象者が食事を思い出すときの支援ツールを作成する計画である。食事評価は予防医学の基礎であるが,従来の調査は食べた物をすべて計量し,筆記する必要があり,対象者に大きな負担がかかる。食事調査を簡便化する試みは,経済的貧困や教育水準の差を原因とする「健康格差」を緩和することに貢献できると考えている。なぜならば,面倒な食事記録作業を,スマートフォン等の音声認識ソフトに代えることができれば,書字能力に問題がある人や健康意識の低い人でも、食事アセスメントを受けられる,自分の食生活を振り返る機会が増えるためである。さらに,この研究で開発する「食物シソーラス」を活用することで,料理の具や調理方法を詳しく知らない人(食事調査で申告できない人)からも,より正確な食事摂取量が推定できるようになると考えられる。また,食物シソーラスの開発過程を文書化した成果物は、疾病と食物の関連,料理の組み合わせ,調理・食品分類学の解説資料として利用価値がある。本研究課題は,当初は,食事内容を音声入力するプロセスも考えていたが,最近の携帯アプリやPCの基盤ツールの発展はめざましくて,かなり精巧な音声入力を無料で提供するようになった。従って,本研究は音声認識を考える研究ではなくて,音声認識を“ユーザー"として使いこなす立場に転換した。この研究では,料理ごとに食品の出現頻度など数値指標を算出し,料理・食品・栄養素と疾病の疫学的関係を整理し,食物のシソーラスの開発を目指す。これらによって,食事調査の精度を保ちながらも,簡便な食事調査システムが開発できると考えている。これまでに,言語情報処理学と疫学の両面から理論設計・課題の構造化を中心に取り組んだ。まず,一般の人が申告できる料理・食品を,管理栄養士等の専門家がどのような観点で日本食品標準成分表1800食品にカテゴリー化しているか,簡便化が許される再カテゴリーとしては何が根拠になるかを検討した。研究分担者(中村美詠子)は,45世帯分の食事記録調査原票を観察し,対象者が実際に書いた料理・食品名と,栄養士が整理した日本食品標準成分表の食品の差異を整理し,その過程で,食品の表記が一致しない状況(送り仮名や漢字の違い,長音符(ー)や「ウ」の有無,食品名に商品名が含まれる例,食品名の俗名・略称)などの原因を報告した。また今枝は,表記揺れに関しては404人の地域住民の料理名・食品名が平仮名で表記されたデータ4,799日分を,自動的に漢字にするプログラミングを試みた。その結果,情報処理領域の自然言語辞書(JUMAN,MeCab)でも集約できない例として,「酢(す)」,魚の名前「アジ(鯵)」「鯛(たい)」などの字数のが少ない語があることが判った。
職業性吸入インジウムの体内動態と多臓器障害に関する研究

ハムスターを用いて肺のインジウム量および肝臓、腎臓、脾臓のインジウム濃度の推移よりインジウムの体内動態について評価を行った。ハムスターは1回投与量ITOとして3 mg/kgおよびITO 6 mg/kgを気管内に反復投与を行った。最終投与後8週から78週目に肺、肝臓、腎臓、脾臓のインジウム濃度を測定した。各群とも肺中のインジウム濃度は8週から78週まで経時的に徐々に減少した一方、肝臓、腎臓、脾臓では臓器中インジウム量は経時的に増加した。ITOの経気道性吸入ではインジウムの肺クリアランスは非常に遅く、臓器蓄積性が高いことが明らかになった。【インジウム化合物の粒子径測定と溶解性試験】インジウム・スズ酸化物(indium-tin oxide : ITO)、インジウム・亜鉛酸化物(indium-zincoxide:IZO)や塗布型ITOナノインク各粒子の粒子径について走査型電子顕微鏡やBET法により測定した。その結果、ITO;0.6μM、IZO;0.9μm、ITOインク粒子0.03μmであった。また、各粒子を蒸留水中に40°Cで放置し、3か月までの各懸濁液上清中のインジウム濃度をICP-MSを用いて測定した。その結果、懸濁液上清中インジウム濃度はITOナノインク粒子では約10mg/Lであったが、ITOおよびIZOでは100ng/mLであった。【インジウム化合物の亜慢性毒性実験】ITO、IZO、ITOナノインク各粒子をラットの気管内に反復投与を行い、肺を中心とした生体影響について評価した。その結果、各インジウム群は対照群と同様の体重推移を示した。各時点の各インジウム群の相対肺重量は対照群と比べて有意に上昇した。血清インジウム濃度はITO群およびITOナノインク群では投与終了直後から12週まで経時的に増加した。IZO群では4週目まで増加したが、12週では減少した。肺インジウム量はITO群では0週から4週目までほとんど横ばいで推移し、12週目でわずかに減少した。ITOナノインク群、IZO群で0週から4週まで急激に減少したが、4週目かち12週目は徐々に減少した。肺の病理学的評価では、各インジウム群で肺の炎症性変化を主体とする病変が観察され、特にITOナノインク群で肺病変は強く発現した。同量のインジウム系粒子を投与したにもかかわらず、ITO群で肺障害が強く発現し、各インジウム粒子の体内の挙動が異なった。【目的】今までの動物実験や疫学研究よりインジウム-スズ酸化物(Indium-tin oxide:ITO)がヒトや実験動物に対して毒性を示すことが明らかになってきた。ITOの吸入によりヒトでは肺障害の発現は認められているが、肺以外の臓器におけるインジウムの動態や影響についての報告はほとんどない。今回、ハムスターを用いた慢性影響実験において肺のインジウム量および肝臓、腎臓、脾臓のインジウム濃度の推移よりインジウムの体内動態について評価を行った。【実験方法】ハムスターは1回投与量ITOとして3 mg/kg(2.2 mg In/kg、ITO 3 mg群)およびITO 6 mg/kg(4.5 mg In/kg、ITO 6 mg群)、対照群には滅菌蒸留水1ml/kgを週2回、16回、8週間にわたって気管内に反復投与を行った。最終投与後8週、16週、40週、78週目にハムスターを安楽死させた。肺、肝臓、腎臓、脾臓のインジウム濃度は各臓器の酸湿式灰化後ICP-MSを用いて測定した。【結果・まとめ】各群の総投与量はインジウムとして、ITO 3 mg群では4.8 mg±0.4 mg、ITO 6 mg群では9.5±0.9 mgであった。ITO 6 mg群の肺中のインジウム濃度は8週から40週では経時的に減少したが、40週から78週ではほぼ横ばいで推移した。ITO 3 mg群では8週から78週まで経時的に徐々に減少し、肺におけるインジウムの生物学的半減期は194.7週(3.7年)であった。一方、肝臓、腎臓、脾臓では臓器中インジウム量は経時的に増加した。【はじめに】水酸化インジウムはITOターゲット材のリサイクル工程で生成され、生体影響に関する知見は非常に乏しい。今回、難溶性である水酸化インジウムをラットの気管内に反復投与を行い、肺を中心とした長期生体影響について評価した。【方法】実験群は2群設定し水酸化インジウム(In(OH)3)群および対照群である。

実験動物として雄性Wistarラットを用いた。In(OH)3の1回投与量は1mg In/kgであり、対照群には蒸留水のみを1 ml/kg投与し、2週間の間に3回投与を行った。最終投与日から1、2、4、12、24、48、72週目の7時点でIn(OH)3群および対照群ともに各5匹ずつ(72週時ではIn(OH)3群11匹、対照群12匹)経時的に安楽死させ、評価を行った。体重変化、相対肺重量、血清インジウム濃度、肺の病理変化より生体影響について評価を行った。【結果および考察】体重推移に関し、In(OH)3群は対照群と同様の推移を示したが、各時点のIn(OH)3群の相対肺重量は対照群と比べて有意に上昇した。血清インジウム濃度はIn(OH)3群では1週目から4週目までほぼ横ばいで推移し、12週から48週まで経時的に増加したが、72週目では減少した。肝臓、腎臓、脾臓中のインジウム濃度は経時的に増加した。しかし、尿中のインジウム1日排泄量は経時的に低下した。肺の病理学的評価に関し、In(OH)3群では1週目より肺胞マクロファージの遊出、肺胞内のエオジン好性の浸出物の貯留、肺胞上皮細胞の増生等の炎症性変化を主体とする病変が観察され、これらの病変は72週まで経時的に進展した。一方、対照群では肺に著変は観察されなかった。難溶性であるIn(OH)3をラットの気管内に投与した場合、肺障害は長期にわたって持続し、In(OH)3の肺クリアランスは遅いことが示唆された。今年度実施計画で提示した(1)インジウム化合物の粒子径測定、(2)溶解性試験、(3)インジウム化合物の亜慢性毒性実験を実施し、各実験において、(1)各インジウム粒子の粒子径が求められた。(2)各インジウム粒子懸濁液上清中の濃度が求められ、溶解度が推定された。(3)各インジウム化合物で肺障害が発現したが、肺障害の程度、肺からのインジウムのクリアランス、血清中インジウム濃度の推移が異なることが明らかになり、当初の研究目的を達成することができた。25年度が最終年度であるため、記入しない。今年度実施計画で提示した水酸化インジウムの慢性実験を実施し、1肺障害の程度の評価、2肺、肝臓、腎臓、脾臓、血清、全血、尿中のインジウム濃度の測定によるインジウムの体内動態評価を行い、インジウムの臓器蓄積性が高いことが明らかになり、当初の研究目的を達成することができた。今年度はITO、IZO、ITOナノインク粒子の肺障害と肺クリアランス、血清インジウム濃度を評価したが、今後は肺以外の臓器中のインジウム濃度、尿、糞中のインジウム濃度を求め、体内動態と体外排泄についての評価を行う。さらに、今年度評価を実施していない他のインジウム化合物の生体影響を実施し、インジウム化合物の化学形態別の健康影響について評価を行う。今まで、インジウム化合物の気管内投与による肺障害とインジウムの体内動態について評価を行ってきた。肺障害の程度は病理学的に評価してきたが、今後はヒトでの職業性曝露による間質性肺炎マーカーであるサーファクタントプロテインD等との比較検討するために血清中の肺障害のマーカーについて検索する。さらに、投与部位である肺以外の遠隔臓器における臓器障害の程度を病理学的に評価し、多臓器障害について包括的に健康影響評価を行う。
光による分子間相互作用の変化を利用した結晶成長

タンパク質の高次構造を明らかにし、機能を理解する方法はX線結晶構造解析である。このためには結晶化は必須の作業である。しかし、この行程には定法がなく、熟練した研究者の経験と勘に頼っている。解析作業はSPring-8の稼働により飛躍的に進歩しているので、優れた結晶作成方法の出現が待ち望まれている。我々は弱いUV光をリゾチームの過飽和溶液に短時間照射すると結晶核の形成が促進されることを見いだした。この機構を理解し、タンパク質の結晶化手法として一般化することを目的とする。これまでに得られた成果を下記に示す。1.再現性の確立。光照射による結晶化の結果を安定して得るために、結晶出現の頻度に不確定さを与える因子を解明し、再現性の高い実験方法を確立した。光照射を行わない条件では結晶が出現しない溶液から、光照射により確実に結晶を出現させることが可能となった。2.分子間相互作用の測定。動的光散乱測定を行い、光照射によりリゾチーム分子間の相互作用が引力になることを見いだした。反応中間体の分子間相互作用を光で変化させることにより結晶化を引き起こすことが可能となることが判明した。3.過渡吸収測定を行い、トリプトファン残基が中性ラジカルとなった反応中間体が結晶核形成に関与していると推測した。4.Thaumatinでも光誘起結晶化が確認された。Thaumatinでは溶解度以下の濃度の溶液でも核形成が確認された。5.光誘起結晶化により適した結晶化処方の開発を検討した。その結果、ポリエチレングリコールなどの非電荷ポリマーを添加すると、結晶化の駆動力が同じ条件であっても、ポリマー添加を行った場合ではより結晶化が促進されることを見いだした。1.再現性の確立。1.再現性の確立。
インスリン受容体遺伝子の構造と発現およびその異常の解析

1、ヒトインスリン受容体の構造と機能およびその異常の解析我々はすでにヒトインスリンレセプター(IR)の一次構造を明らかにし、さらにIRのβサブユニットのチロシンキナーゼがインスリン作用伝達に必須であることを明らかにした。今回千葉大学医学部第二内科のグループと共同研究で、インスリン抵抗性の糖尿病患者の中にIR遺伝子のβサブユニットをコードする部位に大きな欠損のあるものを見出した。これは1対の遺伝子の一方に起っており、母親も同じ症状と遺伝子変異をもつことから、優性遺伝をするものと考えられ、今後、糖尿病患者の中に各種のIR遺伝子異常が見出されるものと予想される。いままで病因の不明であった糖尿病の中のインスリン非依存性糖尿病の原因究明に役立つものと思われる。2、ヒトインスリン受容体遺伝子の発現調節機構の解析我々はすでにヒトIRcDNAをプローブとして正常ヒトIR遺伝子のプロモーター領域を単離し、その構造を明らかにし、さらにIRN末端より上流600塩基対にあるGーCboxを欠損すると遺伝子発現活性が1/10以下になることを見出している。今回この部位に転写促進因子であるSp1タンパクが結合することをDNaseI footprintingにより証明した。今後さらに他の調節因子タンパクを見出し、IR遺伝子発現調節機構の全体像を明らかにしたい。インスリン作用におけるインスリン受容体βサブユニットチロシンキナーゼの役割の解析:インスリンがインスリン受容体αサブユニットに結合すると、直ちにβサブユニットのチロシンキナーゼが活性化される。このチロシンキナーゼ活性がインスリン作用を発現する上で重要であると予想されるが、それに対しての反論があった。すなわちいくつかのインスリン受容体に対する抗体が糖のとり込み促進というインスリン様作用を示すにもかかわらず、βサブユニットのチロシンキナーゼの活性化が認められない。そのためにβサブユニットのチロシンキナーゼ活性がインスリン作用に必須ではないという意見があった。今後のインスリン作用機構を解明する上で、βサブユニットのチロシンキナーゼが必須であるかどうか明らかにすることは、重要な問題であった。そこで我々はβサブユニットのチロシンキナーゼの活性に必須であるATP結合部位のリジン残基をsite directed mutagenesisの手法を用い他のアミノ酸に変えた人工変異インスリン受容体cDNAを作った。この受容体をチャイニーズハムスター細胞で発現させたところ、βサブユニットのチロシンキナーゼ活性は失っていた。βサブユニットの高次構造を認識して結合する各種モノクロナール抗体とこの変異受容体との結合は正常であったことから、1つのアミノ酸置換によりβサブユニットの高次構造は大きく変化していないと考えられる。しかしこの変異受容体を介してのインスリンによる糖の取り込み促進作用は見られなかった。以上の結果よりインスリン作用発現にはβサブユニットのチロシンキナーゼ活性が必須であることが明らかとなった。ヒトインスリンレセプター遺伝子の発現調節機構の解析我々はすでにヒトインスリンレセプター(IR)の一次構造を明らかにし,さらにIRのβサブユニットのチロシンキナーゼがインスリン作用伝達に必須であることを明らかにした.今回ヒトIRcDNAをプローブとして正常ヒトIR遺伝子のプロモーター領域を単離し,その構造と機能の解析を行った.ヒトIRのmRNAは長さの異なるものが数種存在するが,その転写開始点はIRのN末端上流203bpに1ヶ所存在する.プロモーター領域にはTATAboxやCAT・boxは見られず,非常にGCに富む配列が存在する.Inverted repeat配列の中にマウスヒポキサンチンホスホリボシルトランスフェレース,ヒトホスホグリセレートキナーゼ,ヒトアデノシンデアミネース各遺伝子プロモーター領域に見られる配列とホモロジーのある配列が見られた.これはこれらhouse Keeping遺伝子の転写が共通のタンパク因子により調節される可能性を示唆する.また3T3ーL1細胞がインスリンおよびデキサメサゾン投与により脂肪細胞に分化する際,IRmRNAの合成が10倍促進されるが,その時作用する転写因子が結合すると考えられる配列(FSE:fat specific elements)と類似の配列が-1000bp付近に存在する.GーCboxは7ヶ所存在するが-400bp付近に存在する4つのGーCboxがIR遺伝子の転写を10倍以上高めることがCAT assayを使った系により明らかとなった.

糖尿病患者60人におけるIR遺伝子プロモーター領域の大きな欠失および付加をサザン法にて検索したがサザン法で見られるような大きな変異は見出されなかった.1.ヒトインスリン受容体の構造と機能およびその異常の解析我々はすでにヒトインスリンレセプター(IR)の一次構造を明らかにし、さらにIRのβサブユニットのチロシンキナーゼがインスリン作用伝達に必須であることを明らかにした。今回千葉大学医学部第二内科のグループと共同研究で、インスリン抵抗性の糖尿病患者の中にIR遺伝子のβサブユニットをコードする部位に大きな欠損のあるものを見出した。これは1対の遺伝子の一方に起っており、母親も同じ症状と遺伝子変異をもつことから、優性遺伝をするものと考えられ、今後、糖尿病患者の中に各種のIR遺伝子異常が見出されるものと予想される。いままで病因の不明であった糖尿病の中のインスリン非依存性糖尿病の原因究明に役立つものと思われる。2.ヒトインスリン受容体遺伝子の発現調節機構の解析我々はすでにヒトIRcDNAをプローブとして正常ヒトIR遺伝子のプロモーター領域を単離し、その構造を明らかにし、さらにIR・N末端より上流600塩基対にあるGーCboxを欠損すると遺伝子発現活制が1/10以下になることを見出している。今回この部位に転写促進因子であるSp1タンパクが結合することをDNase1 footprintingにより証明した。今後さらに他の調節因子タンパクを見出し、IR遺伝子発現調節機構の全体像を明らかにしたい。
電界誘起電子スピン共鳴法による有機トランジスタ界面トラップ準位の微視的起源の同定

電界誘起電子スピン共鳴法を用いて、有機薄膜トランジスタの特性を決定づける微視的要因、特に多結晶薄膜を構成する微結晶内のトラップ状態密度分布、不純物準位、および微結晶間の障壁ポテンシャルを評価解析する手法を開発した。また解析に必要な孤立分子のg値測定を行うとともに、解析の結果得られた広く分布する浅い局在状態密度が、ゲート絶縁層内の極性基のランダム配向に起因したポテンシャル揺らぎに起源を持つことを明らかにした。本年度は、有機トランジスタ内でキャリアを局在化させる機構を明らかにするため、電界誘起ESR法を駆使した以下の研究に取り組んだ。第一に、電界誘起ESR法によりトラップ準位の数密度を評価・解析する手法を確立するため、薄膜トランジスタ(TFT)を10枚程度重ね合わせて電界誘起ESR信号強度を増強し、これにより従来に比べ35倍程度S/N比を向上させることに成功した。第二に、前記測定法を利用し、低温でペンタセンTFTの電界誘起ESRスペクトルを異なるゲート電圧(キャリヤ数)のもとで精密測定し、そのスペクトル解析によりトラップ状態密度分布を評価した。その結果、ペンタセンTFTのトラップ準位分布はいずれのゲート電圧においても離散的な深いトラップ準位(広がりは1.5分子程度と5分子程度の二種)と、連続的な浅いトラップ準位(620分子にわたる分布)からなっており、キャリア数増加とともに深い準位はそれほど変化しない一方で、連続的な浅いトラップ準位の密度増加と、より浅い準位の充填が見られることが分かった。以上の結果は理論的な予想と一致しており、電界誘起ESRスペクトルの解析に高い信頼性があることを確認することに成功した。第三に、同様の解析を別種の有機半導体であるDNTTからなる薄膜トランジスタに対して行い、ペンタセンTFTの場合と類似した離散的な深いトラップ準位(広がりは3.3分子程度と11分子程度の二種)と、連続的な準位(540分子に渡る分布)からなることを見出した。以上から、電界誘起ESR法による有機トランジスタの界面トラップ状態密度分布の評価・解析法の確立と、これを用いて有機トランジスタに共通して存在する弱く局在したトラップ準位の存在を明らかにすることに成功した。本年度は、前年度行った研究をさらに大きく展開し、有機トランジスタ内のキャリアを局在化させる各種の原因を、電界誘起ESR法を用いて解き明かす手法として確立するため、以下に列挙する研究に取り組んだ。第一に、電界誘起ESR法によるトラップ状態密度分布解析手法の信頼性を確証するため、トラップ状態の空間広がりと状態密度分布を確率的最適化法により求める際の解析の妥当性について検討を行った。その結果、測定データのノイズレベルがESRの主信号の数百分の1に止まるとき十分な精度の解析結果が得られることが明らかになった。第二に、電界誘起ESRの全ての解析の基礎となる孤立分子のESR解析を進め、典型的な9種の有機半導体材料について、分子が陽イオン状態にある場合のgテンソルを密度汎関数理論による数値計算によって得るとともに、溶液中の陽イオンラジカル分子を用いて計算により得られた結果の妥当性を確認した。第三に、多結晶性の有機半導体薄膜では、微結晶のある軸が基板上で一方向に揃った一軸配向性の薄膜が得られることに着目し、基板に対する印加磁場の角度依存性によって、微結晶内・微結晶間のキャリア輸送を分離して測定する手法を開発した。特に磁場が基板に対して垂直な場合に微結晶間のキャリア輸送が支配的となることから、この磁場方向の温度依存性の測定によって微結晶間の障壁ポテンシャルを評価することに成功した。第四に、高移動度低分子材料のDNTT薄膜において、DBTTF分子が微量不純物として混入しキャリアトラップとして作用する様子を電界誘起ESR測定によって観測することに成功した。本研究は、有機薄膜トランジスタにおいて、ゲート電圧により蓄積したキャリアが持つスピンを探針とする電界誘起電子スピン共鳴(FI-ESR)法を用いて、デバイス特性を劣化させる構造的・化学的要因を調べる評価解析法を確立することを目的とする。最終年度である本年度は、前年度までに得られた知見を総合し、デバイス内のキャリアを局在化する原因の理論的な解析、各種の新材料への適用による手法の一般化、および成果普及に取り組んだ。第一に、半導体とゲート絶縁層の界面近傍でキャリア輸送が生じるデバイス構造の特徴に着目し、絶縁層内の電荷分布の乱れがキャリア輸送に及ぼす影響を理論的なモデル解析により調べた。高分子によるゲート絶縁層を想定し、極性基のランダムな分布によって半導体界面に誘起されるポテンシャル揺らぎを見積もった結果、その揺らぎが数十meVに及び、これがFI-ESR法で観測された連続的な浅いトラップ準位を与えることが明らかになった。第二に、昨年度開発した微結晶内・微結晶間のキャリア輸送を分離する評価解析法を、近年開発が進むドナー・アクセプター型ポリマー半導体に適用し、輸送機構を精密に評価した。

プッシュコート法により高撥水基板上に製膜したPNDTBT薄膜について、FI-ESRスペクトルと伝達特性の温度依存性とその比較・解析から、微結晶内・微結晶間の運動頻度とともに、電極における障壁ポテンシャルが見積もられることを明らかにした。第三に、以上を含む研究成果を日本物理学会誌等に解説記事を寄稿し、本研究によって得られた研究成果の普及を図った。本研究において当初予定していた微結晶内のトラップ準位の評価・解析に関する手法の確立が順調に成果が得られつつあることに加えて、本年度は、多結晶薄膜内の微結晶間の障壁ポテンシャルを評価する手法を見い出すという画期的な成果を得ることができたため。24年度が最終年度であるため、記入しない。有機半導体の材料・プロセス・性能は現在日進月歩で進歩しており、これらのデバイスを本研究で開発する評価法の対象として幅広く活用することによって、有機半導体のエレクトロニクス応用を基礎づけるキャリア輸送の微視的理解をさらに進めていく計画である。
安定な持続ドパミン刺激を指向したパーキンソン病治療薬血中濃度個体間変動要因の解明

○研究目的:パーキンソン病治療薬の体内動態においては個人差が大きいことが報告されており、特に、L-dopa体内動態の差については、個体内変動のみで説明できない事象が多く見られる。L-ドパの吸収・代謝に関しては、トランスポーター・代謝酵素が関与しており、現在我々が進行中の検討において、それらの遺伝子多型との関連を明らかにしつつある。ただ、検討中の症例の中には、L-ドパの消化管からの吸収が悪くなり効果発現までに時間を要する症例や、薬効が見られない症例があり、このような問題点の出現により、患者の日常生活に重大な支障をきたしている。また、近年パーキンソン病薬物治療において、ドパミン受容体への持続的な刺激を目指す概念(CDS : continuous dopaminergic stimulation)が提唱されており、安定した血中濃度を維持する必要性が求められている。よって本研究ではパーキンソン病治療薬の体内動態の個体間変動メカニズムを明らかにし、更に安定したCDSを可能とすべく血中濃度を最適化し、治療効果を改善することを目的とした。○研究方法:パーキンソン病患者において、単独またはL-dopaとCOMT阻害薬を同時に服用し、服薬前と服薬後に経時的に静脈血を採取し、L-dopaおよび3-OMD血中濃度をHPLC-ECDにより測定した。同時に吸収・代謝に関与する酵素の遺伝子多型を調べた。本研究は旭川医科大学倫理委員会および京都大学医の倫理委員会の承認を得て行った。○研究成果:本年度は新たに4例の血中濃度測定および遺伝子多型判定を行った。その結果、L-ドパおよびCOMT阻害薬の投与によるL-ドパ血中濃度変化について、遺伝子型の違いによる影響等、重要な知見が得られた。現在は症例数をさらに蓄積しており、他の遺伝子多型と体内動態・治療効果との関連について検討を進めているところである。
無欠陥セラミックス実現のための昇温固化ゲルキャスティング成型とその界面化学的検討

本研究は、本申請者が発見した昇温によるスラリーの固化現象に着目し、独自の高性能評価手法を駆使して、固化条件と得られる成形体中の傷の関係を具体的に調べ、均一構造をもつ成形体実現のための新しい方法、すなわち昇温固化ゲルキャスティング法を開発するとともに、固化現象を生じる界面化学を解明し、さらにはそれらの成形体からは、無欠陥の高性能セラミックスが得られることを実証することを目的に行ったものである。昇温固化現象により、アルミナ成形体が作製可能なことが実証された。その成形体は、新規評価法による評価でも欠陥を殆ど含まず、従来になく均質な構造をもつことが明らかとなった。また、その焼結性は従来の加圧成形体より著しく高く、従来のものより100°C程度低い温度で、相対密度98%の緻密な焼結体が得られた。成形体の均質性をさらに高めることにより、焼結温度をさらに低下させる可能性がある。昇温固化現象は、分散剤として用いたポリアクリル酸とアルミナ粉体との相互作用が温度により変化するためであり、分散剤の表面への吸着が見掛け上、吸熱反応であり、その吸着量が温度とともに増すことに起因するものである。以上の成果は、現在投稿中の学術論文および国際学会における3報の報告に纏められた。本研究補助金ではホモジナイザーとマイクロスコープを購入し、昇温固化成形に関する基礎研究を行った。セラミックススラリーの流動特性に及ぼす固体含有率、分散剤の添加量、pH、温度などの影響を調べ、昇温固化成形の条件を検討した。以下は具体的な内容と得られた新たな知見である。1.スラリーの調製及び特性評価粉体にはアルミナ粉末、分散剤にはポリアクリル酸塩系分散剤を使用し、固体含有率2560Vol%、分散剤添加量0.5-3wt%、pH411の範囲でスラリーを調製した。得られたスラリーの粘度を回転粘度計により温度20°Cで測定した。本研究では低粘度かつ高い固体含有率(60Vol%)のスラリーが調整できた。以上のパラメータはスラリー粘度に著しい影響を与えることが明らかにされた。2.スラリー流動特性の温度依存性種々の条件で調製したスラリーを昇温させ、その粘度変化をその場測定した。粘度の温度敏感性は分散剤の添加量、正確には、吸着の被覆率で影響された。ある被覆率以下となる分散剤添加量では、スラリー粘度は温度の増加とともに急激に上がる。この臨界被覆率はスラリーの固体含有率の増加とともに高くなる。3.昇温固化成形以上の結果に基づいて、昇温固化成形に適切なスラリー条件を決定した。スラリーを本補助金で購入したホモジナイザーに入れ、攪拌しながら真空脱気を行った。脱気後のスラリーをプラスチック製容器に入れ、昇温固化させた。本補助金で購入したマイクロスコープを用いて脱型後の成形体の乾燥挙動を観察した。本方法によって高密度(64%)かつ亀裂なしの成形体が得られた。

昇温固化現象は、分散剤として用いたポリアクリル酸とアルミナ粉体との相互作用が温度により変化するためであり、分散剤の表面への吸着が見掛け上、吸熱反応であり、その吸着量が温度とともに増すことに起因するものである。以上の成果は、現在投稿中の学術論文および国際学会における3報の報告に纏められた。
LPSによる炎症性骨破壊における線維素溶解系因子uPARの重要性

我々は、uPARの遺伝子が欠損しているとLPSによって誘導される破骨細胞への分化は抑制され、結果として骨破壊が抑制されることを発見した。また、uPARの発現がLPSの誘導するNF-kBの活性化を制御し、破骨細胞への分化を制御していることを明らかにした。更に、uPARは、インテグリンを介してLPSが誘導する破骨細胞への分化に重要な役割を果たしていることが明らかになった。平成21年度研究成果2.炎症(LPS)によって誘導される破骨細胞分化能のおけるuPARの働きを明らかにすべく、1で作製した安定uPAR発現株にLPS、M-CSFを添加し、破骨細胞の分化能の違いを検討した。その結果、uPAR発現株では、LPSによって、破骨細胞の分化が顕著に誘導される事を発見し、破骨細胞におけるuPARの発現が分化に重要な役割を果たしている事が示唆された。3.In vivoにおいて、炎症によって引き起される骨破壊にuPARがどのように関与しているか明らかにするために、まず、マウスを用いたLPSによる炎症性骨吸収モデルの作製を行い、そのモデル作製に成功した。その際に、炎症が起こっている骨組織では、uPARの発現が顕著に増加する事を発見した。続いて、uPAR遺伝子欠損マウスを用いて、炎症によって、骨密度及び骨組織の形態がどのように変化するかを調べたところ、uPAR遺伝子欠損マウスでは、LPSによって誘導される骨吸収が野生型マウスと比較して抑制される事を発見した。4.3で発見した現象の詳細なメカニズムを解明すべく、野生型マウス及びuPAR遺伝子欠損マウスから採取した骨髄細胞を用いて、LPSによる破骨細胞への分化実験を行った。その結果、uPAR遺伝子欠損マウス由来の骨髄細胞からの破骨細胞への分化は、野生型マウスと比較して抑制されていた。また、siRNAによるuPARの遺伝子発現を抑制した細胞においてもLPSによって誘導される破骨細胞への分化は、コントロールと比較して抑制されていた。以上の点から炎症による骨破壊にuPARが重要な役割を果たしている可能性が高い事が示唆された。平成22年度研究成果1. LPSはNF-kBシグナルを活性化させることで破骨細胞の分化を誘導することが知られている。そのため平成21年度に作製した安定型uPAR発現株及びコントロール株にLPSを添加し、LPSが誘導するNF-kBシグナル伝達にuPARがどのように影響を及ぼすのか検討した。NF-kBの活性化は、I-kBの分解をウエスタンブロット法にて確認することによって行った。その結果、安定型uPAR発現株では、コントロール株と比較してLPSによって誘導されるNF-kBのシグナルが増強されることがわかった。また、siRNA法を用いてRaw264.7 cellsのuPARの遺伝子発現を抑制し、その細胞にLPSを添加し、LPSが誘導するNF-kBのシグナル伝達にuPARの遺伝子発現の減少はどのように影響を及ぼすかを調べた。その結果、LPSによって誘導されるNF-kBのシグナルは、コントロールと比較して抑制されていた。以上の点からuPARの発現変化が、LPSが誘導するNF-kBのシグナル伝達を制御していることが示唆された。2. uPARが誘導する破骨細胞への分化メカニズムを明らかにするために、まず代表的なuPAR結合蛋白質であるインテグリンに着目し、安定型uPAR発現株及びコントロール株にインテグリンの阻害ペプチドを前処理後、LPS及びM-CSFにより分化誘導を行い、破骨細胞への分化能を検討した。その結果、インテグリンの活性化を阻害することによってuPARが誘導する破骨細胞への分化は抑制された。以上の結果より、uPARがインテグリンの活性化を制御することで、LPSが誘導する破骨細胞への分化を調節していることが明らかになった。
PBLテュートリアル学習過程における学生のスタディスキルズ習得とテュータの役割

本研究は、スタディ・スキルズを、思考のスキル、表現スキル、自己評価のスキルと定義し、大学の初年次学生を対象とした議論を用いた授業、PBLテュートリアル(Problem-based Leaning tutorial,以下PBLテュートリアル)の過程で、どのようにスタディ・スキルズを習得するか、また、その過程のテュータの役割を明らかにすることを目的にした実証研究である。結果、スタディ・スキルズは、以下の3段階を経て段階的に習得されることを明らかにした。1)新たな学習方法に戸惑いつつ大学でのスキルを知る段階。2)スキルを使って議論し、スキルを自己評価し、スキルの効果を体験する段階3)学生自ら議論内容が吟味でき、議論内容の再構築ができ、スキル習得の成果と課題が評価できる段階。この過程におけるテュータの役割は、初期の段階で学生の外化を支援し思考、表現スキルの足場づくりを行い、スキルの自己評価の吟味を支援することであった。学生のスタディ・スキルズ習得は学習の質に影響すると言われている。しかし、大学生がどのようにスタディ・スキルズを習得するかの研究は少ない。本研究は、大学の授業PBLテュートリアル(問題解決型少人数教育)で、初年次学生がスタディ・スキルズを習得する過程とテュータの役割を明らかにする研究の一部である。本年度は、スタディ・スキルズのうち議論スキルと問題解決思考の習得の過程を明らかにした。方法は、7人を1グループとして編成し、グループごとに3クール11回のテュートリアルの授業を行った。全55グループの内4グループを抽出し、授業の全議論過程を録画録音しデータとした。また授業終了後、参加学生にインタビューを行いデータとした。収集したデータはテキスト化し、Berkowitz&JCGibbs(1983)の分析方法を用いて議論の内容分析をおこなった。また学生のインタビューデータから、スタディ・スキルズ習得の自己評価をクールごとに抽出した。結果、学生の発話分析から、議論の回を重ねるごとに議論進行に関する発話が増えた。また、インタビューでは、2・3クールと徐々に自分たちの力で議論が進められるようになったことを自己評価していた。これは、議論を重ねることで学生の議論進行のスキルが習得されることを示しているといえる。また、議論の初期で、情報交換といった表明的トランザクションの議論が、議論の回数が増すことで議論を深める操作的トランザクションの発話が増えた。インタビューでは、2・3クールでは自分たちで疑問を出して問題抽出ができるようになってきたこと、根拠を追及する、資料の吟味をするようになったと自己評価し、問題解決の思考を習得しつつあるといえる。しかし、この習得状況がグループ間で差が見られた。今後、グループの議論過程のサンプルを増やし、グループ間のスタディ・スキルズの習得過程を比較検討し、習得を促進する要因を明らかにする。学生のスタディ・スキルズ習得は学習の質に影響すると言われているが、大学生がどのようにスタディ・スキルズを習得するかの研究は少ない。本研究は、初年次学生がPBLテュートリアル(問題解決型少人数教育)の授業で、スタディ・スキルズを習得する過程とテュータの役割を明らかにする研究の一部である。本年度は昨年同様、スタディ・スキルズのうち議論スキルと問題解決思考の習得の過程のデータを収集した。方法は、学生の承諾を得られたグループ(7人1グループ)に授業全過程の議論のビデオ撮影を行った。全55グループの内3グループから承諾を得て、授業の全議論過程を録画録音しデータとした。また授業終了後、参加学生に対して、議論過程のスタディ・スキルズの習得状況についてインタビューを行い録音した。このデータはテキスト化し、Berkowitz&JCGibbs(1983)の議論の発話分析方法を用いて議論の内容分析をおこなった。議論の全発話分析をグループごとに行い発話の量と質を明らかにした。その結果、テュータの発話量が減少し、学生の発話の量が増加するグループは映像上、回を重ねるごとに進行、議論、自己学習が学生の主体で行われるようになっていた。発話分析においては学生が進行、議論を深める操作的トランザクションを発した議論が出来ていた。インタビューでは、学生は徐々に自分たちの力で議論が進められるようになったことを自己評価していた。一方テュータの発言が一貫して多いグループは、映像においてテュータの進行で議論がなされていた。

学生の発話には進行、操作的トランザクションの発話は見られず、情報を表出する表明的トランザクションのみの議論であった。学生の自己評価もグループで発言できるようになったことのみの自己評価で他の自己学習能力、議論進行等の自己評価はみられなかった。この結果は、議論を重ねることで学生の議論進行のスキルや学習能力が習得されることを示しているが、グループ間の学生の議論の発話の質が議論過程の能力修得の差につながるのではないかと予測した。今後、7グループの議論過程を比較検討し、スタディスキル習得と議論の関係を明らかにする。目的:初年次教育におけるPBLテュートリアルの議論の質とスタディ・スキルズ習得の過程,今回は議論過程のテュータとの関係も明らかにした。スタディ・キルズは,学生の聴く,読む,考えるといった思考のスキルと,調べる,伝える,書くといった表現スキル,および思考と行為を振り返る自己評価スキルを合わせたものと定義した。実施:研究者らは,Berkowitzのトランザクション分析(以後TDとする)を参考に,議論中の学生の発話,テュータの発話に注目し3クール910回の議論をTD分析した。その議論過程のTD分析を6グープ間で比較した。合わせて学生の議論の成果として提出されたレポートも比較した。結果:議論を深めるTDを学生自ら発したグループでは,事前にテュータの議論を深めるTDが多く発せられていた。学生が議論を深めるTDを発して議論したグループの学生のレポートは,議論内容について説明が構築されていた。一方,議論を深めるTDが学生から発せられずに終了した場合,レポートは項目の箇条書きであった。議論が深められたグループのテュータの介入は,議論場面で学生に聴く・読む・考える・調べる,伝える,自己評価といったことについて,考えさせ,指示を与え,発言や行動を支持・支援する内容であった。上記の介入を受けると、学生は自ら資料を吟味し、根拠を示して議論できるようになり議論内容を共同で吟味するといった議論の質を深める議論へ発展していた初年次のPBLテュートリアルにおいて,議論の質がスタディ・スキルズ習得と個人の学習の質を規定することが分かった。また,学生の議論の質については,PBLテュートリアルの初期段階でのテュータの介入の質が重要であることがわかった。これまで経験的にテュータの介入の重要性が言われてきた。本研究では,議論の発話の質とテュータの介入の質との関係から,テュータの介入の重要性を実証的に明らかにした。
ダブルパルスレーザー堆積による窒化ホウ素同位体濃縮膜の合成

パルスレーザー照射による窒化ホウ素薄膜の堆積において、複数のレーザー光を用いて照射タイミングを変えることによりホウ素および窒素のイオン生成量と価数を制御できることが見出された。この結果に基づいて、生成したイオンのエネルギーを選別し、これらイオンの軌道を制御して基板に蒸着させる成膜を試みた。イオン蒸着の結果、ターゲット材料からの化学組成ずれのほとんどない窒化ホウ素薄膜を作製できることが明らかになった。本研究では、窒化ホウ素のナノ秒レーザーアブレーション過程において、ダブルパルスレーザー照射によるイオン制御技術を開発するとともに、プラズマ中のイオンダイナミクスを解析し、同位体イオン軌道を制御した同位体制御薄膜の合成方法を開発する。そのために、プラズマの診断、照射レーザーのダブルパルス化による生成プルーム(放出粒子群)中イオン価数及びイオン密度の制御、得られたプラズマ特性に基づいたホウ素イオン軌道制御による窒化ホウ素薄膜の堆積、この3つを軸に研究を進めている。今年度の実施状況を以下に記す。プルームプラズマの診断では、Nd:YAG(1064nm)あるいはXeClエキシマ(308nm)レーザー使用時に生成するアブレーションイオンを静電プローブおよびターゲット近傍の発光により検出した。生成イオンは、照射するレーザーにより価数、運動エネルギーが大きく異なることがわかり、今後のダブルパルス化によるプラズマ密度制御法開発に向けた基礎的な知見が得られた。また、薄膜合成では、プルームの中心軸上にてイオンを偏向電極に導入しイオン軌道を制御した後、負電位にバイアスした基板に到達させる予備的実験を行った。プルー本研究では、窒化ホウ素のナノ秒レーザーアブレーション過程において、ダブルパルスレーザー照射によるイオン制御技術を開発するとともに、プラズマ中のイオンダイナミクスを解析し、イオン軌道を制御した薄膜の合成方法を開発する。そのために、プラズマの診断、照射レーザーのダブルパルス化による生成プルーム(放出粒子群)中イオン価数及びイオン密度の制御、得られたプラズマ特性に基づいたホウ素イオン軌道制御による窒化ホウ素薄膜の堆積、この3つを軸に研究を進めた。ダブルパルスレーザー照射では、XeClエキシマ(308nm)およびNd:YAG(1064nm)レーザーをそれぞれ第1パルス、第2パルスとして窒化ホウ素ターゲットに同軸上で照射し、生成イオン挙動を静電プローブ、四重極型質量分析計およびターゲット近傍の発光により検出した。その結果、第2パルスレーザーの遅延時間の変化により生成イオンの量と価数が制御できることを明らかにした。これにより化合物レーザーアブレーション成膜の欠点とされている、ターゲット材料からの組成ずれのない化合物薄膜作製の可能性を示すことができた。さらに薄膜合成では、プルームの中心軸上にてイオンを偏向電極に導入しイオン軌道を制御した後、負電位にバイアスした基板に到達させた。プルーム中のイオンと中性粒子を区別するためにイオン偏向角度は90度とし、高速イオンの軌道制御および運動エネルギー選択を容易にするために静電型多段平行平板偏向電極を採用した。この電極を設置して窒化ホウ素のアブレーションを高真空中で行い、基板にイオンを蒸着させて基板の元素分析を行った結果、基板上の薄膜はターゲット材料とほぼ同じ化学組成を示すことが判明した。
気候変動による積雪変化が森林土壌の物質循環機能に及ぼす影響

冬期間の積雪変化が森林生態系における土壌窒素動態を中心とした物質循環機構に及ぼす影響を明らかにすることを目的とし、列島スケールでの環境傾度を利用した現地実験を行った。その結果、積雪減少による断熱効果の低下は土壌凍結・融解サイクルの増幅を生じ、土壌微生物による窒素無機化を増加させる効果があることなどが示された。したがって、生育活性が低いとされる冬季のプロセスは、生育期における物質循環や水質形成等に無視できない影響があることが示唆された。本年度は全体研究計画に関する打ち合わせ会議を行い、観測地点の設定と現地実験の予備実験および本培養実験を開始した。北海道、東北、関東、近畿、九州において積雪量の異なる地域を横断するように研究サイトラインを設定した。北海道、東北、関東、近畿においては日本海側から太平洋側にかけてのラインを設定し、九州では高山地域において標高別に積雪傾度に沿ったラインを設定した。また、九州の中低標高域は積雪の無いリファレンスサイトとして位置づける。研究サイトライン上に拠点サイトを複数設置し、現地交換培養実験を開始した。土壌培養カラムの上端にイオン交換樹脂を取り付けたレジンコア法を用い、積雪量および凍結・融解サイクルの異なる拠点サイトにおいて冬季から融雪期にかけての現地培養を開始した。地点間での正味窒素無機化・硝化速度を調べると同時に、いくつかの地点においては土壌の交換培養を実施し、冬季の積雪環境の違いが及ぼす影響について考察する。また、各拠点サイトにおける冬季直前と融雪後の土壌および上記の交換培養実験の培養前後土壌を採取し、15Nでラベルした安定同位体窒素をトレーサーとして総窒素無機化速度を定量する。厳冬期である2011年1月下旬から2月上旬にかけて拠点サイトである北海道において土壌カラムの回収、抽出を行い、正味窒素無機化・硝化速度の解析を進めている。また、イングロースコア法による細根動態のモニタリングについても、拠点サイトにおいて開始した。冬季積雪レジームの違いによる土壌凍結・融解サイクルの増幅が森林土壌の窒素無機化・硝化速度に及ぼす影響を明らかにするため、現地移動交換培養実験を実施した。観測サイトは北海道(雨龍、足寄)、東北(安比、盛岡)、関東(菅名、草木)、近畿(芦生、上賀茂)、九州(椎葉、高隅)の全10地点である。土壌カラムの上下端にイオン交換樹脂を装着したレジンコア法を用いて、冬期間の現地培養実験を行った。これまでの予備解析の結果から、冬期間に積雪が少なく低温環境下にある北海道東部の足寄サイトに全国からの土壌を移動培養することで、冬期間の正味無機化速度(アンモニウム態窒素生成速度)が有意に増加する傾向が認められた。一方で、正味硝化速度は逆に低下するという傾向が検出された。また、移動培養による窒素無機化・硝化速度の変化規模は産地土壌ごとに異なる傾向も認められた。このことは、冬季の凍結・融解環境下における土壌微生物による正味窒素生成について、アンモニウムと硝酸では変動要因がそれぞれ異なることを示唆している。そのため、次年度以降は土壌微生物活性に関係する温度・水分環境や基質となる有機物の性質についての分析を進め、冬季積雪環境変化に対する窒素無機化・硝化の応答を生じているメカニズムや地点間差を引き起こす要因の解明を進める。さらに、積雪環境下におけるリター分解や細根生産・枯死、植生の養分吸収応答、菌食動物・病原菌の動態、シカ食害の影響等に関して各サイトで進めている野外計測や操作実験をそれぞれ実施し、最終年度に向けて成果の取りまとめや、個別研究と全体研究との関係性についての議論を進めた。また、2012年3月には第5回東アジア生態学連合(EAFES)においてシンポジウムを主催し、本研究の最新成果を発表すると同時に、国内外の研究者と情報交換や議論を行った。前年度から引き続き、冬期間の積雪変化による凍結ー融解サイクルの有無が土壌無機化・硝化速度に及ぼす影響を明らかにするための現地土壌培養実験を実施した。土壌カラムの上下端にイオン交換樹脂を装着したレジンコア法を用いて、冬期間および生育期間(培養地は足寄のみ)の現地培養実験を行った。土壌培養実験前後における土壌無機態窒素含有量、溶脱量の分析を行い、処理の効果や反応の地点間差について解析を行った。これまでの解析により、凍結環境下にあった土壌は、非凍結環境下の土壌に比べて冬季の無機加速度は大きく、硝化速度は小さくなる傾向が認められた。また、冬季に凍結融解サイクルの条件下にあった土壌は、その後の生育期において硝化速度が上昇する傾向が認められた。それらの影響程度は産地土壌によって異なることも検出されたため、その土壌にもともと生息している土壌微生物群集やその機能、活性の土壌間比較を行い、統計解析によってその関係性を明らかにした。

その他、冬季積雪環境変化に応じたリター分解プロセスや細根動態、菌食動物、植生窒素吸収、微生物群集、シカ食害影響等に関する個別研究を各サイトにいおいてそれぞれ進め、論文出版に向けた準備を完了した。また、本科研を中心として得られた研究成果を公表し、議論するために、第124回日本森林学会大会(岩手大学)においてテーマ別シンポジウム「気候変動と森林窒素窒素循環ー観測・実験・広域評価」を開催した。当初計画していた現地培養実験や各個別研究は予定通りに進行している。特に現地培養実験ついては積雪・融解レジーム変化に対する土壌窒素無機化・硝化速度の応答について、全国的な傾向が検出される一方で、当初から想定していたように産地土壌による影響程度の違いも検出された。また、テーマごとの個別研究については、それぞれの進捗は認められているので、全体目的や全体仮説への関連付けを進める必要がある。24年度が最終年度であるため、記入しない。現地培養実験ならびに個別研究の成果を学術論文として出版し、それぞれの研究で得られた知見を統合化して全体目的や全体仮説に対するアウトプットを取りまとめる予定である。また、その過程で生じた新たな疑問や仮説を整理し、さらなる研究の発展に貢献できるような取りまとめを行う。そのため、サイト視察を含んだワークショップを開催し、現時点での到達点や具体的な作業スケジュールを確認するとともに、各研究で得られた考察や推察部分を補強するための追加実験や室内操作実験の可能性やプランについても議論する。
鉄硫黄クラスター生合成マシナリーの作動機構:IscUの構造変換に基づく反応の機序

コファクターとして鉄硫黄(Fe-S)クラスターを持つタンパク質はFe-Sタンパク質と呼ばれ、光合成や呼吸などのエネルギー代謝から遺伝子の発現制御にいたるまで、重要かつ多彩な生理機能を担っている。それらFe-Sタンパク質の機能を支えているのがFe-Sクラスターの生合成系である。本研究では、Fe-Sクラスターの生合成マシナリーで中心的な役割を担うIscUタンパク質の性質を解析し、ユニークな構造との相関を明らかにした。鉄硫黄(Fe-S)タンパク質は、コファクターとしてFe-Sクラスターを持つタンパク質の総称である。Fe-Sクラスターの構造は[2Fe-2S]、[4Fe-4Slまたは[3Fe-4S]と単純だが、その生合成は実に複雑な生化学反応であり、細胞内では複数の成分から構成されるマシナリーがこれを担っている。本研究ではSCマシナリーの作動機構の解明を目的として、鍵となるクラスター中間体形成部位、lscUタンパク質の構造-機能相関について研究を進め以下の成果を得た。近年、われわれが決定したポロ型IscUの結晶構造では、三量体の中に[2Fe-2S]クラスターが一つだけ含まれる、独特な非対称性が明らかになった。本年度は、このユニークな結晶構造に基づいて、Fe-Sクラスターの近傍領域、または三量体の非対称な会合面に、系統的な部位特異的変異を導入することにより、ln vivo機能に必須なアミノ酸残基を特定することができた。それらの中で、クラスター近傍に位置するチロシン、リジン、アスパラギン酸は、クラスターの材料であるFe原子との相互作用部位と予想される。一方、意外なことに、クラスターの配位子である3残基のシステインと1残基のヒスチジンのうち、2残基をアラニンに置換してもなお、Fe-Sクラスターを保持することが観察された。クラスター配位に対する、この独特な柔軟性は、生合成過程におけるクラスターのdenovo形成、変換、移行という、IscUの分子機能に直結するものと考えられる。これら改変IscUの四次構造とクラスター配位子の同定が、次なる重要課題である。Fe-Sクラスターの構造は[2Fe-2S]、[4Fe-4S]または[3Fe-4S]と単純だが、その生合成は実に複雑な生化学反応であり、細胞内では複数の成分から構成されるマシナリーがこれを担っている。本研究ではISCマシナリーの作動機構の解明を目的として、鍵となる中心成分、クラスター中間体のde novo形成部位として知られるIscUタンパク質の構造-機能相関について解析を進めた。近年、われわれが決定したホロ型IscUの結晶構造からは、三量体の中に[2Fe-2S]クラスターが一つだけ含まれる、ユニークな非対称構造が明らかになった。また、この結晶構造に基づいて、Fe-Sクラスター近傍のアミノ酸を系統的にアラニンに置換することにより、機能に必須なチロシン、リジン、アスパラギン酸残基を特定した。そこで今年度は、これら3種類のアミノ酸をアラニン以外のすべてのアミノ酸に置換し、変異株の相補能を調べることで、それぞれの残基の役割を検討した。その結果、リジンとアスパラギン酸残基については、どのアミノ酸に置換してもIscUの機能が失われた。一方チロシン残基についは、トリプトファン、フェニルアラニン、ヒスチジンに置換した場合に、部分的にではあるが相補可能であり、芳香環の重要性が判明した。これらの知見とIscUの三量体構造を考え合わせると、鉄原子/Fe-Sクラスターとの相互作用には、IscUの三次/四次構造の大きな変化が関与するものと推定される。さらに、変異IscUの生化学的性質についても解析を進めた。本年度はISCマシナリーの作動機構の解明を目的として、クラスターのde novo形成部位として知られるIscUタンパク質の構造-機能相関、ならびにマシナリー特異的なシャペロン-コシャペロンシステム(HscA-HscB)の役割について解析を進めた。ホロ型IscUの結晶構造は、三量体の中に[2Fe-2S]クラスターを一つだけ含むユニークな非対称構造である。この構造に基づいて、クラスターのリガンドである3残基のCysと1残基のHisに系統的に変異を導入したところ、これら4残基はすべてIscUの機能に必須であり、他のアミノ酸では機能不全となるばかりか、CysとHisの配置にも互換性が無いことが判明した。

また、昨年見出したIscUの必須残基、Tyr3とLys103についても系統的な置換実験を進めたところ、いくつかの変異IscUで、好気/嫌気条件における機能性が異なるという結果が得られた。これらの知見は、IscUに新規に形成されたFe-Sクラスター(酸素に不安定)を、三量体に会合して一時的に保護することの重要性を支持している。HscA-HscBについては、これまでIscUとの相互作用のみが知られていたが、新たに、ホルムアルデヒドで架橋されるタンパク質を多数検出した。Fe-Sクラスターの受け渡しに際して、HscA-HscBが、多数のアポタンパク質をIscUヘリクルートするという可能性が浮上してきた。