hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
四万十付加体の進化-レーザー溶融によるアルゴン・アルゴン法を用いて-

本研究では、西南日本に分布する典型的な付加体である四万十帯について、レーザーを用いたAr/Ar法により変成鉱物1粒子を年代測定することを究極の目的とした。レーザー溶融によるAr/Ar法により年代測定を行うためには、多くの基礎実験が必要であった。とくに、原子炉において試料中の^<39>Kを^<39>Ar法に壊変させるための速中性子照射、また、レーザーによる鉱物溶融の特性を調べる(特に温度分布)などの基礎実験を重点的に行い、年代測定システムを完成させることを先ず第一の目的とした。とりわけ、原子炉での速中性子照射については、試料の調製、詰め込み、照射後の回収など、いろいろな技術的な問題点を克服する必要があった。これについては、京都大学原子炉実験所のご協力により、試料の分量にかかわらず同一の実験条件を適用できるようになった。具体的には、内径2ミリの高純度アルミ管に試料ごとに鉱物粒を封入し、さらにそれらを束ねて内径約10ミリのアルミ管に真空封入する。これをさらに数本、所定のアルミカプセルに入れて照射を行った。照射後は、原子炉実験所内のRIフード内において切断装置を遠隔捜査することにより、内径約10ミリのアルミ管を安全に開封し、各試料を入れた内径2ミリの高純度アルミ管のみを回収した。これを京都大学理工学部地質我学鉱物学教室のRI実験室に運搬することにより、容量と放射能レベルを小さくして、かつ、安全に試料の照射を行うことができるようになった。これらに加えて、既存のK-Arおよびフィッショントラックの両システムを用いた年代測定により、Ar/Ar法に必要な年代標準試料の比較・検討を行った。また従来行ってきた熟年代学研究に関しても、付加体の成長過程、さらには大陸縁辺での沈み込み帯における物質循環についてのモデル化を進めた。
分散アルゴリズムを基にする分散協調問題の解法についての研究

決定性の逐次アルゴリズムでは,手に負えない問題あるいは最悪時の時間計算量が大きい問題を解決するために確率を導入する研究が進んでいる.また,原理的には決定性で解けないも題題に対しても,“問題を解く"ことの定京を少し緩してく確率を導入して“実質的に"解く研究も行われている.逐次アルゴリズムほど多くはないが,(決定性)並列アルゴリズムに関しても同様な試みが行われている.しかし,決定性アルゴリズムと確率アルゴリズムとは,必ずしも同一の規準で評確されていない.したがって,解析的に確率アルゴリズムが決定性アルゴリズムに“優れている"という結論がでている場合でも,実際規模の具体問題に関してどの程度まで確率アルゴリズムが優位であるかどうかは解明されているとは言いがたい。本研究では,決定性の並列アルゴリズムとして超立方体ネットワ-ク(hypercube)における置換ル-ティグ問題を例として,超立方体ネットワ-クの規模を大きくしていった場合,決定性アルゴルズムが(ValiantーBrebnerが開発した)確率アルゴリズムにどの程度までたちうちできるかをシミュレ-ションにより同一の規準で評価した.その結果,決定性の並列アルゴリズムでも,実際的なネットワ-ク規模と考えられる少なくとも15次元までの超立方体ネットワ-クまでは確率アルゴリズムよりも優位となる可能性が大であるという感触を得た.これらのことをシミュレ-ションで網羅的に確かめようとすると膨大な時間あるいは記億領域が必要となる.このためにLANで結合されている複数のワ-クステ-ションからなる協調型負荷分散システムを作成し,これを用いてシミュレ-ション実験を行った.決定性の逐次アルゴリズムでは,手に負えない問題あるいは最悪時の時間計算量が大きい問題を解決するために確率を導入する研究が進んでいる.また,原理的には決定性で解けないも題題に対しても,“問題を解く"ことの定京を少し緩してく確率を導入して“実質的に"解く研究も行われている.逐次アルゴリズムほど多くはないが,(決定性)並列アルゴリズムに関しても同様な試みが行われている.しかし,決定性アルゴリズムと確率アルゴリズムとは,必ずしも同一の規準で評確されていない.したがって,解析的に確率アルゴリズムが決定性アルゴリズムに“優れている"という結論がでている場合でも,実際規模の具体問題に関してどの程度まで確率アルゴリズムが優位であるかどうかは解明されているとは言いがたい。本研究では,決定性の並列アルゴリズムとして超立方体ネットワ-ク(hypercube)における置換ル-ティグ問題を例として,超立方体ネットワ-クの規模を大きくしていった場合,決定性アルゴルズムが(ValiantーBrebnerが開発した)確率アルゴリズムにどの程度までたちうちできるかをシミュレ-ションにより同一の規準で評価した.その結果,決定性の並列アルゴリズムでも,実際的なネットワ-ク規模と考えられる少なくとも15次元までの超立方体ネットワ-クまでは確率アルゴリズムよりも優位となる可能性が大であるという感触を得た.これらのことをシミュレ-ションで網羅的に確かめようとすると膨大な時間あるいは記億領域が必要となる.このためにLANで結合されている複数のワ-クステ-ションからなる協調型負荷分散システムを作成し,これを用いてシミュレ-ション実験を行った.
ジフテリア毒素標的分子の生合成系に関する分子遺伝学的研究

実験計画書に記載の要領で、ジフテリア毒素A断片(DA)を酵母(saccharomyces cerevisae)で誘導的に発現させる系を確立し、毒素耐性突然変異体酵母を分離することに成功した。現在、この突然変異体の相補性群への分類と各相補性群に属する変異体の生化学的解析を進めている。このように所期の実験計画をほぼ達成することが出来たので、今後の展開が大いに期待できる。本研究の詳細は1991年度の細胞生物学会等で発表するとともに、速やかに学術誌に発表する予定である。以下に研究成果の概要を簡単に述べる。1.酵母におけるDTAの誘導的発現系の確立DTA遺伝子断片を酵母GAL1プロモ-タの下流に挿入し、DTA発現ベクタ-YCp103/DTAを作成した。このプラスミドを導入した酵母SP1株は、グルコ-ス培地では全く正常に増殖するが、ガラクト-ス培地ではコロニ-形成が出来なかった。この結果は、予想した通り、ガラクト-スによってDTAが誘導的に発現したために、酵母宿主のタンパク質合成が阻止されたためであった。2.酵母のDTA耐性変異体の分離上記の誘導系を用いて、ガラクト-ス培地でコロニ-形成できる酵母変異体を分離した。変異源処理なしでも小数のコロニ-が得られたが、あらかじめ酵母をUV照射することにより、50ー100倍多いコロニ-が得られた。総計50クロ-ンを解析したところ、およそ半数が酵母染色体上の突然変異に起因することが判明した。今後早急に毒素耐性変異の相補性群を確立し、耐性原因遺伝子のクロ-ニングへと進む予定である。
siRNAライブラリーを用いたマイクロRNAの解析

アルツハイマー病の発症メカニズムに深く関わるBeta Secretase遺伝子に対して、効率よく発現のノックダウンを誘導できるsiRNAの様々な設計を行った。設計したsiRNA中、in vitroの幹細胞培養系にて最も抑制効率の高かったsiRNAを、in vivoで効果を検証するためのレンチウイルスコンストラクトに組み込んだ。siRNA発現カセットが導入された感染細胞を識別するために、マーカーとしてGFPをともに発現する様に設計した。分化に影響を与えない緩衝液で懸濁され濃縮したウイルス液をコントロールとし、siRNAを発現するウイルスを、マイクロインジェクションによって神経新生が頻繁に起きる脳海馬領域に導入した。導入して2ヶ月経過後、脳を抽出し海馬領域の切片を作成し、siRNAが与える影響を各分化経路のマーカーとなる神経遺伝子や、グリア系遺伝子の多重染色を行い、評価した。さらに、脳領域での神経新生、前駆細胞の細胞増殖および成熟ニューロンへの分化誘導にBeta Secretase遺伝子がどのような役割を果たしているかも、関連するシグナル伝達系のキナーゼ群の活性化や幾つかの転写因子の発現、およびそれらのノックダウンを指標に、多重染色によって調べた。これらの結果、設計し導入したsiRNAによって、どの標的遺伝子の場合も安定に脳内で起きていることをin vivoにおいても確認できた。また、同時に行ったシグナル伝達系のキナーゼのノックダウン細胞で、Beta Secretase遺伝子の発現抑制が見られた。これらは、アルツハイマー病の発症メカニズムに深く関わるBeta Secretase遺伝子が、健常体の動物の脳内で神経分化に深く関わる転写因子の制御機構によって、厳密に発現がコントロールされていることを示唆する。今後さらにこのメカニズムを深く追求し、遺伝子治療に向けて、より効率の良い標的遺伝子とノックダウンツールを研究開発して行く予定である。siRNAは19塩基対の二本鎖RNAであり、遺伝子を配列特異的にノックダウンするツールとして利用されている。現在のバイオ産業界におけるsiRNAのマーケティングでは、化学合成によって作成されたRNAの販売が、大多数を占めている。しかし、価格として1セットのsiRNAで5万円程度と高価であり、試しで利用される研究者は少ないものと思われる。本研究では、siRNAに必用なRNAの最小構造を詳細に調べる事により、siRNA合成のコストダウンを図るとともに、二本鎖RNAによる遺伝子発現制御の作用機序の解析を試みる。初期段階の研究として、異なる長さの合成siRNAを用い、遺伝子抑制効果の比較検討を行った。その際、siRNAの作用で問題となっているOff-Target効果を考慮するため、siRNAのセンス鎖およびアンチセンス鎖それぞれに対応する標的遺伝子を人工的に作成し、遺伝子抑制効果の評価と、その選択制について解析した。その結果、センス鎖の3'末端が平滑で、アンチセンス鎖の3'末端が突出の場合に、特異的な遺伝子発現の抑制が見られ、他のグループからの報告例と同様の見解が得られた。siRNA発現ベクターにおいても、このようなsiRNAを作成する事ができれば、長期間のsiRNA効果が得られる事が期待される。本研究を今後のsiRNA発現ライブラリー設計の基盤として活用していく。
砂漠は二酸化炭素の吸収源か?塩類アルカリ土壌における無機態炭素動態の解明

乾燥地生態系の塩類アルカリ土壌における炭素の無機的吸収とその動態は、地球スケールの炭素循環を考える際に無視できない"Missing Carbon"について重要な関連性を秘めている可能性があるとして近年関心が高まっているが、蓄積されたデータが少なく、その評価が困難な現状にある。本研究中国北西部に広く分布する砂漠を対象に、乾燥地域の塩類アルカリ土壌における無機体炭素動態の解明、及び乾燥地生態系における無機プロセスを含めた炭素収支の定量化を目的とする。具体的には、土壌分析により炭素蓄積量を把握する他、チャンバー法による土壌ガス交換、渦相関測定システムを用いた二酸化炭素フラックスの測定等を行う。さらに、リモートセンシング技術と融合することにより、乾燥地域における炭素吸収を評価する。本研究は、乾燥地域の塩類アルカリ土壌における無機体炭素動態の解明、乾燥地生態系における無機プロセスによる炭素吸収、及び広域での無機プロセスによる炭素固定予測のための検討であり、これらを通して地球レベルでの炭素循環における'missing carbon'の解明を目指すものである。中国タクラマカン砂漠の中国科学院新疆地理生態研究所アクスフィールドステーション敷地内に、60m×60mの固定調査地を設定し、調査地内の植生および土壌調査、地表面の分光反射測定を行った。さらに、10m間隔の各メッシュ交点において土壌サンプリングを行い、無機体炭素量、有機体炭素量、電気伝導度、pH、BD、土壌水分量等を深さ30cmまで10cm間隔で解析した。固定調査地の中央には、2009年9月に渦相関システムを設置し、乾燥地アルカリ土壌における大気炭酸ガス濃度の連続測定を行っている。しかしながら、2009年7月に当該地域において発生した社会的情勢不安の影響から、予定していた調査日程は大幅に遅れ、特に土壌二酸化炭素交換測定装置については未設置となっている。中国タクラマカン砂漠の中国科学院新彊地理生態研究所アクスフィールドステーション敷地内に、60m×60mの塩類アルカリ土壌固定調査地を設け、10m間隔の各メッシュ交点において土壌サンプリングを行い、無機体炭素量、有機体炭素量、電気伝導度、pH、BD、土壌水分量等を深さ30cmまで10cm間隔で測定した。固定調査地の中央には、2009年9月から渦相関システムを設置し、乾燥地アルカリ土壌における大気炭酸ガス濃度の連続測定を行っている、一年を超えるデータが収集され、現在解析中である。さらに、携帯型地表面CO2ガスフラックス測定装置を用いて、異なる土壌被覆タイプによる地表面CO2ガスフラックスを測定し、リターで被覆された箇所では高いCO2放出が確認されたが、塩類集積箇所では日平均で極めて低いCO2放出を示し、僅かながらCO2吸収が確認された。塩類アルカリ土壌における無機体炭素量、有機体炭素量、電気伝導度、pH、BD、土壌水分量等と、土壌表面の分光反射特性との間には経験的な関係性が見られており、これらの結果は塩類アルカリ土壌の炭素収支評価の基礎的情報となり得る。土壌表面の分光反射特性も各メッシュで測定した。固定調査地の中央には、2009年9月から渦相関システムを設置し、乾燥地アルカリ土壌における大気炭酸ガス濃度の連続測定を行っている、二年を超えるデータが収集され、現在解析中である。さらに、携帯型地表面CO2ガスフラックス測定装置を用いて、タリム川沿いにおける異なる土壌被覆タイプによる地表面CO2ガスフラックスを測定し、リターで被覆された箇所では高いCO2放出が確認されたが、塩類集積箇所では日平均で極めて低いCO2放出を示し、僅かながらCO2吸収が確認された。また、室内でのIncubation実験により異なる土壌水分と塩類アルカリが土壌CO2ガスフラックスに及ぼす影響を調べた。
大腸癌の浸潤・転移に形成における神経ペプチドの関与についての研究

大腸癌の浸潤・転移には宿主側の局所免疫の破綻が関与していると推測されている。また,消化管における神経内分泌系は消化管免疫に大きな影響を与えている。特に消化管に豊富に存在する神経ペプチドにおいては,vasoactive intestinal peptide (VIP)が免疫抑制的に作用することが知られている。一方,大腸癌に隣接する正常粘膜である移行部粘膜においては粘液組成の異常が報告されており,VIPとの関連が示唆される。そこで,今回我々は大腸癌18症例の移行部粘膜と正常粘膜でのVIP含有神経繊維に免疫染色を施行し,NIH-imageを使って神経繊維密度を定量的に解析し,癌の組織学的所見との関連性を検討した。[方法]1.大腸癌切除標本の癌部非癌部の移行部粘膜および癌から離れた正常粘膜から新鮮標本を採取し,ホ-ランド液で固定,パラフィンブロックを作製し,これらのブロックから連続切片を切り出し抗VIP抗体による免疫染色を行った。2. VIP含有神経繊維について,その神経繊維長・密度をパーソナルコンピューターの画像解析ソフト(NIH-image)を用いて定量的に解析した。3.以上の解析結果と,切除癌の部位,浸逹度,リンパ管侵襲,リンパ節転移,stage等の臨床病理学的諸因子との関連を検討した。[結果]1. VIP含有神経繊維は左側大腸粘膜に多く存在する傾向が見られた。2. VIP含有神経繊維の量を移行部と正常部とで比にしてみると,stageが進むほど,また深逹度が深いほど正常部に対する移行部のVIPの割合が多くなる傾向が見られた。[考察]VIPは免疫抑制的に働くことが知られており,進行した癌の移行部でVIPが多かった結果から,VIPが局所免疫を抑制し癌細胞の増殖に有利な環境を形成している可能性があると考えられる。今後,症例を増やして,研究を続行していく予定である。
Source-Sink理論を用いての興奮伝播からみた心房細動の発生機序の解明

平成16年度平成17年度にかけて、心房細動中の興奮伝播過程を詳細に解析し、source-sink理論が心房細動の維持(慢性化)における機序の解釈に応用できるかを評価した。以下に、本研究の実績の概要を示す。(1)スーパーコンピュータを用いたシミュレーション解析Luo-Rudy(Phase2)モデルを用いて、複雑な左房の心筋構造を想定して壁の厚い領域と薄い領域が混在したモデルを作成し、持続性心房細動中の興奮波をスーパーコンピュータで解析したところ、興奮伝播のミアンダリング現象と分裂現象が観察され、細動中には新しい興奮波の発生が観察された。これらの現象は、spiral wave説の概念に矛盾するものではなく、source(興奮波のエネルギーの大きさ)とsink(興奮波が伝播することが可能な領域)のバランスによって成り立つとするsource-sink理論を裏付けるデータといえる。このシミュレーション解析から得られた知見を基に実験を進めた。(2)動物心筋を用いた電位マッピング解析イヌ冠動脈灌流および表面灌流の実験モデルを作成し、特殊電極プラーク(サイズ4.6×5.4cm、電極数224)を用いて、アセチルコリン灌流下で誘発した持続性心房細動中の興奮伝播の観察を高性能のマッピングシステムを用いて、dV/dt法で行った。その結果、コンピュータシミュレーション解析で得られたデータとほぼ同一の現象が観察された。Source-sink理論を用いて持続性心房細動の機序を説明することは可能と考えられた。心房細動中の興奮伝播が成り立つためには、sourceとsinkのバランスが重要であり、このバランスがsource>sinkとなれば心房細動は持続し、逆にsource<sinkとなれば心房細動は停止した。Source-sink理論は、心房細動の発生のみならず、維持(慢性化)の機序の解釈にも応用できると考えられた。本研究では、まず最新の数学モデルを用いてコンピューターシュミレーション解析を行い、次に動物心筋(犬)を用いて実験的に評価する必要がある。以下に、平成16年度に得られた実績の概要を示す。(1)コンピューターシミュレーション心筋細胞の最新数学モデルとされるLou-Rudy(Phase 2)モデルを用いて、大規模なシミュレーション解析を行った。数値パラメターを操作し、複雑な左房の心筋構造を想定するため壁の厚い領域と薄い領域が混在したモデルを作成した。心表面端一列に基本刺激を与え、平面興奮波ができた状態で、これに直行するように右端一列に早期刺激を与えることで持続性心房細動を誘発した。細動中の興奮波をスーパーコンピュータを用いて解析したところ、興奮伝播のミアンダリング現象と分裂現象が観察された。同時に、細動中には新しい興奮波の発生が観察された。これらの現象をもとに動物実験モデルを作成し、マッピング解析を行った。(2)動物心筋を用いた高解析マッピング実験モデルとして、イヌ冠動脈灌流および表面灌流モデルを用いた。このモデルでは興奮伝播の観察が他のモデルと比べて詳細にできる利点がある。また、心房マッピングには、特殊電極プラーク(サイズ4.6×5.4cm、電極数224)を用いた。アセチルコリン灌流下の心房筋で早期刺激法により、持続性心房細動を誘発した。最高9.7秒間の電位波形を多点同時に双極誘導で連続記録することが可能な高性能のマッピングシステムを用いて、dV/dt法で瞬時に興奮時間をコンピューター処理し、興奮伝播をビジュアルに表示した。その結果、シミュレーション解析で得られたデータとほぼ同一の現象が観察された。本研究のねらいとしているSource-Sink理論を用いて心房細動の機序の解明に大きく前進したといえる。

平成17年度には、興奮伝播の詳細な解析を行い、あらゆる視点から機序の解析を試みる予定である。最終年にあたる平成17年度では、興奮伝播をさらに詳細に解析し、source-sink理論の心房細動の維持(慢性化)における機序の解釈に応用できるかを評価した。以下に、平成17年度に行われた本研究の実績の概要を示す。(1)コンピュータシミュレーションLuo-Rudy(Phase2)モデルを用いて、複雑な左房の心筋構造を想定して壁の厚い領域と薄い領域が混在したモデルを作成し、持続性心房細動中の興奮波をスーパーコンピュータで解析したところ、興奮伝播のミアンダリング現象と分裂現象が観察され、細動中には新しい興奮波の発生が観察された。これらの現象は、spiral wave説の概念に矛盾するものではなく、source(興奮波のエネルギーの大きさ)とsink(興奮波が伝播することが可能な領域)のバランスによって成り立つとするsource-sink理論を裏付けるデータといえる。(2)動物心筋を用いた高解析マッピングイヌ冠動脈灌流および表面灌流の実験モデルを作成し、特殊電極プラーク(サイズ4.6×5.4cm、電極数224)を用いて、アセチルコリン灌流下で誘発した持続性心房細動中の興奮伝播の観察を高性能のマッピングシステムを用いてdV/dt法で行った。その結果、コンピュータシミュレーション解析で得られたデータとほぼ同一の現象が観察された。Source-sink理論を用いて持続性心房細動の機序を説明することは可能と考えられた。Source-sink理論は、心房細動の発生のみならず、維持(慢性化)の機序の解釈にも応用できると考えられた。
機能性アメロゲニンペプチド創薬とレーザーを応用した先進的歯根吸収予防治療法の確立

H30年度は、これまでの研究を総括し、論文発表に必要なデータの構築を行った。ヒト培養脂肪由来間葉系幹細胞に対して、C末端側アメロゲニンペプチドを添加すると、LAMP1/ ERK/1/2/ ELKシグナル伝達機構を介して細胞増殖能に影響を及ぼすことが解明された(Ando K et al., 2018;24(25):2993-3001)。また、超短パルス半導体レーザー照射がラット実験的歯の移動モデルに及ぼす影響について検証を継続した。CT解析により、レーザー照射群は、対照群と比較して、歯牙移動が有意に増加した。免疫組織学による検証では、圧迫側において、レーザー照射群では、対照群と比較して、RANKLおよびTRAPの発現が亢進された。牽引則においてはレーザー照射群では、対照群と比較してPCNAおよびALPの高発現が確認された(Gunji et al.,Lasers Surg Med 50(7):772-780, 2018)。以上の結果より、アメロゲニンの活性部位はC末端側であることが明らかとなった。歯周組織構成細胞および間葉系幹細胞に対して、細胞増殖能や基質代謝能へ影響を及ぼすことが明らかとなった。その作用機序として、LAMP1/ERK/ELKのシグナル伝達経路が示唆された。アメロゲニンペプチドを応用した組織修復の可能性が強く示唆された。そして、超短パルス半導体レーザー照射を行うことで歯周組織の代謝活性が亢進し、歯の移動が促進される可能性が明らかとなった。矯正歯科治療の効率化を達成しうる手段として、超短パルス半導体レーザーの応用の可能性が示唆された。H28年度では、C末端側アメロゲニンペプチドおよびレーザー照射が歯周組織構成細胞の細胞増殖・基質産生能に及ぼす影響について検討を行った。C末端側アメロゲニンペプチドが歯周組織細胞の増殖に及ぼす影響を検討したところ、MTS assay、ELISA BrdU assayともにC末端側アメロゲニンペプチド添加により細胞増殖能の亢進が認められた。また、ヒトセメント芽細胞やマウス頭蓋間由来骨芽細胞の増殖・基質産生能に影響を及ぼすことが明らかとなった。またヒトセメント芽細胞において、基質産生能の検討を行ったところ、基質産生能の亢進が認められた。シグナル伝達機構としては、MARK/ ERK経路に影響を及ぼすことが明らかとなった。今後はさらなるシグナル伝達経路について、詳細な検証をを重ねるとともに、レーザー照射が歯周組織構成細胞の細胞増殖・基質産生能に及ぼす影響について検討を行うととともに、動物による検証を行う予定である。C末端側アメロゲニンペプチドが歯周組織細胞の増殖・基質産生能に及ぼす影響について検討を行った。まずヒト培養セメント芽細胞に対し、C末端側アメロゲニンペプチド添加を行った際の細胞増殖への影響について検討を行った。C末端側アメロゲニンペプチドにより、ヒト培養セメント芽細胞の細胞増殖能を亢進させた。基質産生能に関する検討では、ヒト培養セメント芽細胞に対して、C末端側アメロゲニンペプチドを添加することにより、基質産生能を亢進させた。また、C末端側アメロゲニンペプチドのシグナル伝達機構について検討を行った。ヒト培養骨髄由来間葉系幹細胞に対して、C末端側アメロゲニンペプチドを添加すると、LAMP1 /ERK/1/2シグナル伝達機構を介して細胞増殖能に影響を及ぼすことが解明された。そして、超短パルス半導体レーザー照射が細胞の代謝に及ぼす影響について検討を行った。培養骨芽細胞に対して、超短パルス半導体レーザー照射を行うことにより、ATPの発現や細胞増殖能が亢進され、そのシグナル伝達経路として、MARK/ERK経路を介する可能性が示唆された。さらに、超短パルス半導体レーザー照射がラット実験的歯の移動モデルに及ぼす影響について検証を行った。牽引則においてはレーザー照射群では、対照群と比較してPCNAおよびALPの高発現が確認された。計画された実験内容はおおむね遂行され、予想された結果が得られている。

歯周組織構成細胞および間葉系幹細胞に対して、細胞増殖能や基質代謝能へ影響を及ぼすことが明らかとなった。その作用機序として、LAMP1/ERK/ELKのシグナル伝達経路が示唆された。アメロゲニンペプチドを応用した組織修復の可能性が強く示唆された。そして、超短パルス半導体レーザー照射を行うことで歯周組織の代謝活性が亢進し、歯の移動が促進される可能性が明らかとなった。矯正歯科治療の効率化を達成しうる手段として、超短パルス半導体レーザーの応用の可能性が示唆された。今後はさらなる検証をを重ねるとともに、レーザー照射が歯周組織構成細胞の細胞増殖・基質産生能に及ぼす影響について検討を行う予定である。今後は、2年間で得られた結果を元に、細胞実験と動物実験を継続し、より詳細な検証を行っていくとともに、論文作成し、されなる誌上発表を行う予定である。本年度は細胞実験に関わる消耗品が予定より少ない金額で済んだため。研究が予想されたより順調に進行し、予想された研究費より、少なくなったため。生じた差額は、来年度実施の動物実験および来年度投稿予定する雑誌の投稿料に使用する予定である。本年度余った予算は、次年度の細胞実験および動物実験の消耗品を購入する。
培養心筋細胞系における拍動パターンの時空間ダイナミクスとその生物学的意義

前年度までに、非平衡Langevinモデルの揺らぎと散逸の関係について、簡単な等式関係が成立することを発見していた。この結果によると、非平衡状態にある系において、揺らぎと応答の関係(揺動散逸定理)の破れの度合いが、系が単位時間あたりに散逸するエネルギーの量と、簡単で一般的な等式関係にあることが分かる。本年度は、この結果をさらに拡張し、これまで知られていた様々な種類の非平衡Langevinモデルにおいても、同じ等式関係か、場合によってそれを少し拡張したものが厳密に成立するということを一般的に明らかにした。このようなモデルには、生体分子モーターのモデルとして活発に研究がおこなわれているBrownian motorモデルも含まれる。こうした結果から、我々が前年度に得た、揺らぎ-応答関係の破れとエネルギー散逸率との等式関係は、非平衡Langevinモデルでは系の詳細に依存しない、普遍的な関係であることが分かった。これらの結果はPhysical ReviewLetters誌とPhysical Review E誌に発表された。培養心筋細胞系のパターン形成現象については、前年度までに、心筋細胞自体の拍動によって発生する周期的張力が、細胞同士のクラスター形成の駆動力になっているという示唆を得ていた。本年度は、その仮説を更に裏付けるために、細胞集団のダイナミクスをマルコフ確率過程によってモデル化し、その挙動を数値的に調べる事によって、周期的張力の発生によって細胞クラスターの形成が促進され得る事を確認した。またそうした考察を通して、細胞と培養基板および周辺の細胞との接着力の重要性を認識した。こうした結果をまとめて、Progress of Theoretical Physics supplement誌に論文を発表した。本研究では、心筋細胞の自発的拍動を非平衡開放系における定常的ないし動的な運動としてとらえる事を目標としている。そのために本年度は、筋収縮の素課程を担う分子モーターの運動に関する非平衡統計力学的な基礎研究と、細胞集団レベルにおけるマクロな活動に関する実験との両面から研究を進めた。まず、分子モーターの運動に関しては、非平衡定常状態で運動していると考えられる分子モーターの非平衡性を定量化するため、揺動散逸定理に基づく実効温度の測定を提案した。特に、走査型光ピンセット技術を応用して、実空間で分子モーターモデル(熱ラチェット)を構成し、実験的に実効温度を測定可能であることを示した。それによると非平衡定常状態で運動する分子モーター(モデル)は平衡で定義される温度よりも高い実効温度を示すことが分かった。こうした実効温度は明確に測定可能な量であり、非平衡系を特徴づける一般性の高い尺度となりうる。この結果はPhysical Review E誌に掲載予定である。また、このようにして定義した実効温度を元に、分子モーターのエネルギー効率を見積もるための理論的枠組みを提案した。この理論は現象論として閉じた形式を持っているため、分子モーターの種類によらない一般的な予想を立てることが可能となり、これまで各論化していた分子モーター研究に一般的な視座を与えるものになると期待される。この結果はすでにプレプリントとして発表しているが(T.Harada, cond-mat/0310576)現在投稿準備中である。細胞培養系の実験に関しては、細胞集団の力学的及び電気的な活動を長時間安定に観測するための基本的な実験系が整い、予備的な実験結果が得られ始めた段階である。この実験系により、心筋細胞集団の細胞間ネットワーク形成に関する新奇な現象が発見された。自発的に拍動を続ける心筋細胞群と、それに共存している繊維芽細胞群との間で、約1週間の時間スケールで相分離様のクラスター形成がすすむことが見いだされた。特に過渡的に形成される細胞間ネットワークが、高分子系などにおいて知られる「粘弾性相分離」現象に酷似していることから、同様のメカニズムによって相分離が進行することが予想される。現在この現象についての論文を準備中である。また、フランスInstitut Non Lineaire de NiceのValentin Krinsky教授らのグループと共に、心筋細胞培養系におけるらせん波の発生メカニズムとその制御方法に関する共同研究を開始した。本研究で構成した実験系を用いることにより、培養系に発生するカルシウム波を長時間観測することができるため、不整脈を起こした心臓の除細動についてのKrinsky教授らの新しい理論を検証することができると考えられる。本研究では、心筋細胞の自発的拍動を非平衡開放系における動的な運動としてとらえる事を目標としている。本年度も前年度に引き続いて、筋収縮の素過程を担う分子モーターの運動に関する非平衡統計力学的な基礎研究と、細胞集団レベルにおけるマクロな活動に関する実験との両面から研究を進めた。まず、分子モーターの運動については、前年度に発表した、ラチェットモデルにおける揺動散逸関係(ゆらぎと応答の関係)の破れを物理的に意味づけるため、系のエネルギー消費率との関係を現象論的に予想した。その結果として得られたエネルギー効率の表式はキネシンの実験結果を定量的に説明できることが分かった(この結果はEurophysicsLettersに発表した)。しかし一般の非線形な非平衡系については、現象論的な方法ではうまく行かない場合があったので、より普遍性の高い枠組みを目指し、ラチェットモデルの詳しい理論解析を行った。その結果、ラチェットモデルを記述するランジュバン方程式を、実験的に測定される応答関数や相関関数が明示的に現れる形式へと変形できることが示された(この結果はJournal of Physics A : Mathematical and Generalに発表した)。さらにその表式を用いて系のエネルギー収支を計算したところ、系のエネルギー消費率を揺動散逸関係の破れと直接対応づける等式を得た。

この結果は広いクラスの非平衡系について正確に成り立つことが分かったので、分子モーターの実験的研究に理論的基盤を与えると期待される(この結果はプレプリントとして発表しており、現在雑誌にも投稿中である)。また、細胞培養系の実験については、前年度に発見した、心筋細胞の初代培養系でみられるクラスター状構造の形成のメカニズムを実験的に調べた。その結果、心筋細胞の拍動を阻害する薬品を加えると、拍動の停止と共にクラスターの形成も阻害されることが分かった。また、種々の条件下でクラスターの形成の仕方を調べ、系の相図を作成した。この結果をいくつかの研究会で発表し、また現在投稿論文を準備中である。前年度までに、非平衡Langevinモデルの揺らぎと散逸の関係について、簡単な等式関係が成立することを発見していた。この結果によると、非平衡状態にある系において、揺らぎと応答の関係(揺動散逸定理)の破れの度合いが、系が単位時間あたりに散逸するエネルギーの量と、簡単で一般的な等式関係にあることが分かる。本年度は、この結果をさらに拡張し、これまで知られていた様々な種類の非平衡Langevinモデルにおいても、同じ等式関係か、場合によってそれを少し拡張したものが厳密に成立するということを一般的に明らかにした。このようなモデルには、生体分子モーターのモデルとして活発に研究がおこなわれているBrownian motorモデルも含まれる。こうした結果から、我々が前年度に得た、揺らぎ-応答関係の破れとエネルギー散逸率との等式関係は、非平衡Langevinモデルでは系の詳細に依存しない、普遍的な関係であることが分かった。これらの結果はPhysical ReviewLetters誌とPhysical Review E誌に発表された。培養心筋細胞系のパターン形成現象については、前年度までに、心筋細胞自体の拍動によって発生する周期的張力が、細胞同士のクラスター形成の駆動力になっているという示唆を得ていた。本年度は、その仮説を更に裏付けるために、細胞集団のダイナミクスをマルコフ確率過程によってモデル化し、その挙動を数値的に調べる事によって、周期的張力の発生によって細胞クラスターの形成が促進され得る事を確認した。またそうした考察を通して、細胞と培養基板および周辺の細胞との接着力の重要性を認識した。こうした結果をまとめて、Progress of Theoretical Physics supplement誌に論文を発表した。
精神機能と運動機能を向上させるための意欲中枢側坐核への脳深部刺激法の開発

うつ病などの心の病は意欲と活動性の低下、脳脊髄損傷後の運動機能回復も阻害することが指摘されている。そのため、意欲の生成に関与する脳領域の活性化が精神機能の改善や活動性・運動機能を向上させるためには重要であると考える。本研究では意欲中枢側坐核の活性化が精神機能と運動機能を同時に向上させるという仮説のもと、モデル動物を用いて側坐核脳深部刺激法を確立し、その効果を行動学と神経生理学の観点から検証する。
生物学研究者のためのＤＩＹ機器で作る実験装置の製作テキストの作製

申請者は、生理学研究所機器研究試作室にて、生物科学・生理科学用実験装置の試作を行うと共に、研究者及び学生に対して技術指導を行っている。平成24年度には、科学研究費補助金(奨励研究)にて「生物学研究者のための機械工作逆引き動画テキストの作製」が採択され、テキストの製作を行った。このテキストを配布したところ、「大型工作機器を使用した加工のみではなく、研究室でも購入できる安価な小型工作機で行える、実験装置の製作テキストが欲しい。」との要望が多くあった。そこで、本研究課題である全国にあるホームセンターで入手可能な工作機器と材料を使用し、生物学実験で使用する実験装置を容易に製作することを目的としたテキストを作成した。テキスト内容としては、工作機器を旋盤とフライス盤の2分冊とし、両機器の基本的な操作方法に加え、過去に製作依頼のあった実験機器を再度製作し、その際の加工方法やテクニックを写真を多用して解説した。また、初心者には理解しにくく操作や読み取りが煩雑なダイヤル目盛りの代わりに、デジタル測長ユニットを設置する方法を解説し、加工精度を向上させる方法を示した。製作したテキストは、生理学技術研究会及び生物学技術研究会で紹介し、全国の医学生物学系大学の技術系職員の方の希望者に配布すると共に、動画を追加したテキストとして生理学研究所のホームページでの公開を計画している。
酸化物スピントロニクスとスピン流トランジスタへの展開

本研究は、スピン流ー電流変換とスピン流輸送の学理を究明し、その高効率化を実現するものである。金属や半導体に限られていたスピン流ー電流変換材料の舞台をさらに広げるため、酸化物及び磁性体薄膜の作製・界面処理技術を駆使することで、様々な材料におけるスピン流の生成・検出を調査し、その効率を格段に向上させことを試みた。そして、関連するスピン流物性の学理の構築にも貢献した。新材料・新プロセスに基づく次世代の省エネルギースピンデバイス技術を切り拓き、スピン流素子の実現に試みた。本研究の目的は、スピン流ー電流変換とスピン流輸送の学理解明と高効率化を実現することである。新素材・新プロセスの開発により、次世代の省エネルギースピンデバイス技術を切り拓き、スピン流トランジスタ素子の実現を目指す。初年度の目標としたのは、研究環境の整備と界面効果の解明であった。この目標に基づき、以下の成果を達成した。1.本研究費の支持のもとで、現在所有する逆スピン測定装置を改良し、より効率よく、測定するシステムを構築した。従来の高周波導波管を用いた励起法から、高周波Waveguideを中心とした磁性共鳴励起システムに改良した。目標のとおり、精度、再現性が良く、周波数幅が広いシステムを構築できた。改良した測定システムを用いて、スピン流研究の基礎の一つとなるスピンポンピング素子を作製し、材料開発の面でスピン流輸送特性を調べた。その結果、数ナノメートルの厚さを持つYIGで出来たデバイスでも、効率よく鮮明な共鳴スペクトルの観測することができた。2.改良した測定システムを用いて、スピンゼーベック、スピンポンピング、スピン磁気抵抗などの手法を駆使し、スピン流輸送効率にたいし、最も重要な要因の一つである界面効果について系統的に研究を行った。それらの結果、すべてのスピン流輸送現象に対し、界面状態は、輸送効率に支配的な影響を与えることを確認した。高温でのSMR実験より、重要な界面パラメータとしたミキシングコンダクタンスを定量的に評価し、界面定数の温度変化における指針を作った。さらに、中間層を挿入することで、界面状態がスピンゼーベック効果に与える影響を系統的に調査した。そして、界面の結晶性を向上させることや極薄の強磁性金属層を挿入することでスピン流の輸送の効率化を果たした。3.以上の結果に加えて、強磁性・常磁性デバイスにおける界面依存な新奇な磁気抵抗効果も発見し、報告した。本研究はスピン流ー電流変換とスピン輸送の学理解明と高効率化を実現することである。新素材・新プロセスの開発により、次世代の省エネルギースピンデバイス技術を切り拓き、スピン流演算素子の実現を目指す。初年度で、研究の環境を整備し、基礎の材料開拓とフロセス模索から計画の通り順調に研究を進めてきた。二年度では、さらに視野を広げ、材料開拓をした一方、スピン変換と輸送物理についても熱心に研究した。さらに、様々な角度からスピン流情報演算素子の実現に挑んだ。年次目標に基づき、以下の成果を達成した。1.酸化イリジウムとYIGを用いて、初めて全酸化物のスピンゼーベック素子を実現した。さらに、高効率のスピンー電流変換材料を探査するため、酸化物に限らず有機物や合金も視野に入れた。κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br有機物とFePt合金からもスピン流ー電流の変換現象を観察され、報告した。スピントロニクスデイバスを開発の可能が広げた。2.スピン輸送・変換過程と関わる現象の物理解明はスピントロニクスの学理構築に重要である。そこで、熱によるスピン流発生する現象(スピンゼーベック)について、高磁場でのスピンゼーベック効果を調査し、スピンゼーベックと熱マグノンとの関係を明らかにした。さらに、界面磁化がスピン流の発生への影響も実験と理論両方から議論し、報告した。3.フリー磁性GdIGからスピンゼーベック効果を始めて観察し、磁気補償温度と低温でスピンゼーベック信号符号が二回の変化が発見した。スピンゼーベック現象の複雑性を示した一方、材料的にスピン流を制御する新な可能性を示唆した。本研究費の支持のもとで、基礎研究から応用研究までたくさんな成果が残した。合計論文15篇、学会発表10回ができた。我々これからの研究に良い基礎を築した一方、社会へ積極的に発信することで科学技術の進歩へも貢献できた。本研究では、材料作製、界面制御技術を駆使して、スピン流ー電流変換現象及びスピン輸送過程を明らかにする。その結果に基づきスピン流トランジスタを実現することを目指す。初年度の計画は、逆スピンホール起電力測定システムの構築と界面制御によるスピン流輸送の効率化の二点であった。実績概要に述べたように、以上二点の目標はほぼ達成した。スピン流の輸送に関する基礎研究に加え[JAP, 116 (2014) 153902]、スピン流の輸送に重要な界面効果について、多様な手法を駆使し、研究を行った。

その結果、界面状態はスピン流の輸送に支配的な影響を与えることを確認した一方、界面改良により高効率化する方法を提案し、実現した[APL, 106 (2015) 082401, APL, 106 (2015) 052405, JPD, 48 (2015) 164013]。磁性体と非磁性体の界面で起きた新奇な現象を発見し、報告した[JAP, 104 (2015) 242406]。その結果も論文として多く出版された。さらに、次年度の目標であった材料の開拓にも着手し、結果をまとめる段階の成果も多数あった。来年の目標の達成には良い基礎を造ることができたスピントロニクスこれから、本研究の二年度に突入し、材料開拓をしつつ、最終目標であるスピン流トランジスタの実現へ挑戦する。これを達成するために、これまで遂行した研究成果を生かすことが重要なポイントとなる。具体的な計画は以下のとおりである。1.酸化物系逆スピンホール効果の機構解明計画したインジウム系材料の逆スピンホール信号の定量的な研究を行い、そのスピンホール効果の起因について系統的に議論する。それに加え、我々がスピンホール伝導度のフェルミエネルギー依存性の評価方法を開発した。特に酸化物半導体系においてはキャリアー濃度が低いため、スピンホール伝導度は大きいフェルミエネルギー依存性を持つと考えられる。この評価法を利用し、インジウム系材料のスピンホール移動度を系統的に評価することは、スピンホール効果起因の議論に重要な情報を与える。2.巨大スピンホール角材料の探索前述した研究結果を指針とし、膨大な酸化物物質群から、可能性がある材料を洗い出し、巨大なスピンホール角持つ材料の探索を行う。そして、伝導材料とスピンホール効果に限らず、強磁性、反強磁性、超伝導など多彩な物性も視野に入れ、スピントロニクス機能材料の分野を開拓する。3.スピン流トランジスタの作製本研究の最終目標とし、スピントロニクス分野に重要となるトランジスタ素子の実現に挑む。スピン流トランジスタ素子の実現は、新たな省エネルギー情報演算技術の扉を開くことになると予想される。
ゲノムワイド相関解析によるジストニアとそれに見られる強迫的気質の遺伝的要因の解明

ゲノムワイドな相関解析を行うに当たって、これらの大規模な実験に備えて、全てのマイクロサテライトマーカーの情報を格納したデータベースを作成し、必要な情報を簡単に迅速に得られるデータベース参照システムを設計し構築した。さらに、タイピング結果を格納するデータベースシステムの構築も合わせて行った。これにより、実験結果を簡単に参照することができ、実験進捗も容易に管理できるようになった。また、実験により得られるデータを素早くバッチ処理にて様々な統計的手法を用いて有意差検定を行えるように、独自で統計計算プログラムも作成した。これらのシステムは、フリーウェアを用いて構築し、コストパフォーマンスが大変よく、どのような端末からでも簡便にアクセスできるものとした。一方、ゲノムワイドに設定した合計24,360セットの多型マイクロサテライトマーカーを用いて、1次スクリーニングをpooled DNA typing法によって行った。ジストニア患者および健常者のpooled DNAについてPCR反応を行い、得られたサンプルについて電気泳動を行い、ピークデータを回収した。平行して、引き続きジストニア患者より血液の採取し、それらのサンプルについてDNA抽出を行った。さらにDNA濃度の測定を行い、2次スクリーニング用のpooled DNAの作成に備えた。また、10月26日から10月30日の日程でカナダ国トロントにて行われたアメリカ人類遺伝学会に参加し、ジストニアとその関連疾患の研究についての最新の知見の導入を図った。ジストニアの新しい遺伝子座や原因遺伝子の発見や、これまでとは違った症例に関する研究が発表されており、本研究に大変有用な情報を得ることができた。なお、平成17年1月末日をもって特別研究員を辞退するが、これまでの研究成果は引き継ぎをし、よって本研究は引き続き行われる。pooled DNA typingによるジストニアのゲノムワイド相関解析を行う目的で、これまでに収集した血液サンプルについてDNAを抽出し、DNA濃度を測定してそれぞれのサンプルの濃度を均一にあわせ、pooled DNAを作成した。pooled DNA作成に用いたジストニア患者サンプル数は、局所性ジストニアと診断された患者から得られた166サンプルと分節性ジストニアと診断された患者から得られた34サンプルの合計200サンプルとした。また、平均年齢は46.4±15.4才であり、男性が106サンプル、女性が94サンプルである。このジストニア患者のpooled DNAと年齢分布および性比を合わせた健常者のpooled DNAも作成した。健常者のpooled DNAの平均年齢は、39.5±11.7才であり、男性サンプル数および女性サンプル数は、それぞれ106サンプルおよび94サンプルとジストニア患者pooled DNAと同一にした。テストマーカーで、これらのpooled DNAに用いたDNAサンプルについてindividual typingおよびpooled DNAについてpooled DNA typingを行い、妥当なpooled DNAが作成できているかそれぞれのタイピング結果から得られた対立遺伝子頻度を比較し確認した。また、11月3日から10日の日程でLos Angelsで行われたアメリカ人類遺伝学会に参加し、ジストニアとその関連疾患の研究についての知見の導入を図った。新たな遺伝子変異の発見や、ゲノムワイド解析に関する研究が発表されており、本研究に大変有用な情報を得ることができた。
植物の熱ショックタンパク質における機能の分化

植物の熱ショックタンパク質における機能の分化を解明するためのてがかりとして、ラン藻Synechococcus PCC7002に存在する2種類のgroEL遺伝子(groEL-αとgroEL-β)について以下の解析を行った。1.いずれのgroEL遺伝子のmRNAも、熱ショック処理によってそのレベルが上昇した。groEL-αは大腸菌のGroELと同様にgroES遺伝子とオペロンを形成していたが、groEL-βにはgroES遺伝子が付随していなかった。一方、groEL-βの塩基配列から予測されるアミノ酸配列のC末端側には大腸菌のGroELと同様なGly-Gly-Metの繰り返しがみられた。2.Synechococcus PCC7002のゲノムDNA上のgroEL-β遺伝子にカナマイシン耐性遺伝子のカートリッジが挿入された形質転換体を作製した。野生株およびgroEL-βが破壊された形質転換体のいずれにおいても、熱ショック処理後、致死温度である48°Cでの生存率が増大した。しかし形質転換体では野生株を熱ショック処理した場合より生存率が低かった。従ってラン藻Synechococcus PCC7002はgroEL-αのみでも熱ショック応答の能力を保持しているが、groEL-βはこれに付加的に作用して、その能力をさらに強めるものと判断できる。現在groEL-αが破壊された形質転換体を作製中であり、その熱ショック応答についても解析を行う予定である。3.GroEL-α、GroEL-βをpETあるいはpProベクターを用いて組み換えタンパク質として大腸菌において大量発現させ、それぞれを単離精製した。現在これらの組み換えタンパク質とこれに対する抗体を用いた免疫沈降法、あるいはゲルろ過法によって、GroEL-αとGroEL-βにおいて複合体を形成するタンパク質に差異があるかどうかを検討中である。
開瞼時・閉瞼時眼球運動を用いた精神分裂病の診断に関する研究

我々はこれまでに、アイマ-ク・レコ-ダ-を用いて精神分裂病患者の開瞼時の探索的眼球運動を調べ、正常者のそれと比べて、運動数が少なく移動距離が短いこと、再認の課題を与えた時に得られた反応的探索行動(『反応的探索スコア』)が分裂病の病態と密接に関連していることなどを明らかにしてきた、さらに、これらの探索的眼球運動の指標を用いて、分裂病患者と非精神分裂者(覚醒剤患者、てんかん患者、うつ病患者、アルコ-ル精神病患者、強迫神経症患者、正常者)との間で判別分析を行ったが、感受性が75.0%、特異性が81.0%と比較的高率の正判別率で分裂病を判別することができた。一方、我々は閉瞼時の眼球運動についても検討し、正常者に比べて分裂病患者では、安静覚醒時に小さく速い動き(rタイプ)が高頻度に出現し、遅い動き(sタイプ)が少ないことを観察している。そこで今回、分裂病患者35名、非分裂病者45名(正常者32名、うつ病患者13名)を対象として、開瞼時の探索的眼球運動および閉瞼時の眼球運動を測定し、これらの指標を変数として判別分析を試みた。その結果、分裂病患者を分裂病と判別し得た判別率(感受性)は91.4%、非分裂病者を非分裂病と判別し得た判別率(特異性)は86.7%であった。非分裂病者の内訳は正常者84.4%、うつ病92.3%であった。また、判別に有効な変数として、開瞼時の反応的探索スコア、閉瞼時の遅い動き(sタイプ)が選ばれ、特にF値から、反応的探索スコアが判別に中心的役割を果たしていることがわかった。さらに、対象をそれぞれ無作為に半数ずつに分けて、それぞれで判別分析を行ない妥当性の検討も行なったが、いずれも高い判別率であった。このように開瞼時の探索的眼球運動ばかりでなく、閉瞼時の眼球運動も合わせることによって、眼球運動による精神分裂病の判別がより一層実用可能なものとなると考えられた。