hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
骨関節隙の大きさをパラメータとした顆頭運動の診断法

本研究は,顆頭と関節窩の立体的な位置関係である骨関節隙の大きさをパラメータとした顆頭運動の解析手法を確立し,客観性のある診断方法を開発することを目的としている.健常な成人男性8名について,顎運動測定器MM-JIを用いて側方滑走運動の測定を行った.咬頭嵌合位と切歯点運動量5mmの間の0.5mm隔11顎位について,3次元再構築した作業側顆頭の運動解析を行った.1顆頭表面あたりの解析点は最小5915点から最大7825点であり、関節窩上の解析点はすべての被験者で5100点とした.顆頭表面の点に最も近接した関節窩の点の距離を求め,これを各解析点における骨関節隙とした。また、滑走運動時と咬頭嵌合位における骨関節隙の差を変化量とした。咬頭嵌合位における最小の骨関節隙は平均1.5mmであり,顆頭の前外上方の領域にあることが多かった.咬頭嵌合位から0.5ミリ滑走運動時,全ての被験者において骨関節隙が減少する領域が認められた.他の顎位においても同様にすべての被験者で咬頭嵌合位より骨関節隙が減少する領域が認められた.最も関節隙が狭まる領域は,内上方の領域であることが多く、変化量の平均は-0.2ミリであった.これに対し最小の骨関節隙の変化量は、滑走運動に伴う変化が少なく,平均は-0.07mmあった.最近接領域が0.5mmから5mmでの滑走運動中に変化せず一定のものが8例であった.最近接領域が一定の被験例では顆頭の前外上方の領域が近接することが多かった.最近接領域において骨関節隙はほぼ変化がなく、この領域に関節円板の狭窄部が接していると思われる.滑走運動中に最近接領域が変化するものは8例,そのうち6例は23mm顎位で変化した.骨関節隙とその変化量は,関節円板の動態を推定しうるパラメータとなる可能性が示唆された.今後はこれらのパラメータが示す値の解剖学的および機能的な裏付けを行っていく必要があると思われる.本研究は,顆頭と関節窩の立体的な位置関係である骨関節隙の大きさをパラメータとした顆頭運動の解析手法を確立し,客観性のある診断方法を開発することを目的としている.健常な成人男性8名について,顎運動測定器MM-JIを用いて側方滑走運動の測定を行った.咬頭嵌合位と切歯点運動量5mmの間の0.5mm隔11顎位について,3次元再構築した作業側顆頭の運動解析を行った.1顆頭表面あたりの解析点は最小5915点から最大7825点であり、関節窩上の解析点はすべての被験者で5100点とした.顆頭表面の点に最も近接した関節窩の点の距離を求め,これを各解析点における骨関節隙とした。咬頭嵌合位における最小の骨関節隙は平均1.5mmであり,顆頭の前外上方の領域にあることが多かった.咬頭嵌合位から0.5ミリ滑走運動時,全ての被験者において骨関節隙が減少する領域が認められた.他の顎位においても同様にすべての被験者で咬頭嵌合位より骨関節隙が減少する領域が認められた.最も関節隙が狭まる領域は,内上方の領域であることが多く、変化量の平均は-0.2ミリであった.これに対し最小の骨関節隙の変化量は、滑走運動に伴う変化が少なく,平均は-0.07mmあった.最近接領域が0.5mmから5mmでの滑走運動中に変化せず一定のものが8例であった.最近接領域が一定の被験例では顆頭の前外上方の領域が近接することが多かった.最近接領域において骨関節隙はほぼ変化がなく、この領域に関節円板の狭窄部が接していると思われる.滑走運動中に最近接領域が変化するものは8例,そのうち6例は23mm顎位で変化した.骨関節隙とその変化量は,関節円板の動態を推定しうるパラメータとなる可能性が示唆された.今後はこれらのパラメータが示す値の解剖学的および機能的な裏付けを行っていく必要があると思われる.
視覚と聴覚による奥行運動の処理メカニズムに関する研究

本研究では、人間の空間知覚、運動知覚の処理メカニズムを視覚の側面からだけでなく、聴覚や触覚など、他の感覚の側面からも明らかにしようという目的で、様々な精神物理学的な実験を行った。まず、視覚と聴覚の相互作用について一連の研究を行った。はじめに、視覚の奥行運動残効と聴覚のラウドネス変化残効との視聴覚の相互作用の実験を行い、聴覚刺激を単耳に呈示したときと両耳に呈示したときとでは、後者の方が視聴覚間の相互作用効果が顕著に生じることがわかった。さらに、視覚と聴覚の情報統合は、空間的な情報処理が問題になるときは視覚優位の統合がなされ、時間的な情報処理が問題になるときは聴覚優位の統合がなされるといわれているが、必ずしもそれが当てはまらないケースもあることを実験で示した。また、聴覚による妨害刺激が視覚の注意の範囲に及ぼす効果についての実験を行った。次に、視覚刺激のコントラストが奥行知覚に及ぼす効果について一連の実験を行った。例えば、同心円状の静止縞のコントラストを連続的に強めたり、弱めたりすると、縞パターンが前進して見えたり、後退して見えたりすることを発見した。さらに、それらのパターンを長時間観察すると奥行運動残効が生じることも発見した。次に、渦巻き残効の実験を行った。回転する渦巻きを長時間観察すると、奥行運動残効が生じるが、回転速度を遅くすると、奥行運動残効ではなく回転運動残効が生じることを発見した。最後に、視覚と触覚、聴覚と触覚の相互作用について検討した。視覚的な線画が触覚的な振動の弁別に影響したり、耳をくすぐったときの音を聞くと実際に耳がくすぐったくなるという聴覚が視覚に及ぼす効果についての興味深い発見があった。研究目的の第一は刺激のコントラストが奥行き運動の知覚に果たす役割を解明することである。パターンのコントラストが奥行き感を生じさせることを、静止条件において明らかにした。また、パターンのコントラストが奥行き感を生じさせることを、奥行き運動条件を用いて明らかにした。さらに、運動残効を用いて、これらの効果が視覚系の初期の機構から生じる事を確かめた。次に、2次元平面運動において、運動残効の方向を調べた。残効の方向は順応パターンの運動方向によって一義的には決まらないことが確かめられた。現在、奥行きの運動残効を渦巻き図形を用いて検討中である。以上に加えて、視覚情報におけるコントラストを物体の認知にかかわる例として、文字の認知と視覚系のコントラスト感度の関係を大脳損傷患者について調べ、コントラスト感度の低下がこれらの患者では文字の認知能力の低下に関連していることを見出した。第二の研究テーマは,奥行運動知覚における視覚情報と聴覚情報の統合過程に関するもので,視覚情報が聴覚に影響を与える過程には高次の処理過程(視覚系と聴覚系の奥行運動情報の処理過程)が関わっていることを明らかにした。この成果はVISION誌に発表した。第三の研究テーマでは身体の周囲の空間を知覚する際に視覚情報が果たす役割を検討し,身体とは離れた画面上に呈示された視覚情報が触覚弁別課題に影響を及ぼすことを明らかにした。この結果は,身体・空間知覚において視覚情報がこれまでに考えられていたよりも重要な役割を果たしていることを示す。この結果は,国際学会及びCognitive, Affective, & Behavioural Neuroscience誌に発表される。本年度は,視覚実験と視聴覚相互作用の実験を行った。研究は,継続中であるが,途中経過を報告する。視覚実験として,渦巻き残効の実験を行った。渦巻き図形を回転させると,渦巻きの方向と回転方向によって,渦が手前に進出して見えたり、奥に後退して見える.例えば,右巻の渦巻き図形を右回転させると渦は,手前に進出して見えるが,左回転させると奥に後退して見える。

そして,これらの回転図形をしばらく観察した後で,静止図形を観察すると,前進して見える渦巻き図形を観察した後では,静止図形は奥に後退して見え,逆に後進して見える渦巻き図形を観察した後では,静止図形は前進して見える。この現象を渦巻き残効というが,予備実験の結果,渦巻き図形の輪郭線がなめらかでなくぎざぎざがあると,奥行き運動残効だけでなく回転残効も生じることがわかった。すなわち,右回転の渦巻きを観察した後で静止図形を観察すると,左に回転して見えることがあり,しかも,回転残効は,始めに観察する渦巻き図形(順応刺激)の回転速度が遅くなると生じることがわかった。そこで,なめらかな線で構成されている渦巻き図形にドットパターンを埋め込んだ図形を順応刺激として用いることにより,奥行き運動残効と回転運動残効が生起するメカニズムの違いを明らかにすべく実験を実施しているところである。視覚と聴覚の相互作用についての研究としては,瞬間的に提示されるドットパターンに含まれるドットの数を答えさせる実験で,その課題を遂行する際に,様々な聴覚刺激を提示した時に,聴覚刺激がドットの数の認知(注意の範囲)に及ぼす影響について実験を行っている。さらに,聴覚刺激も単に聞き流すだけの場合と,聴覚情報を利用して別の課題を遂行させた場合とで,どのような違いが生じるのかについて検討を行っているところである。本研究では、人間の空間知覚、運動知覚の処理メカニズムを視覚の側面からだけでなく、聴覚や触覚など、他の感覚の側面からも明らかにしようという目的で、様々な精神物理学的な実験を行った。まず、視覚と聴覚の相互作用についての研究として、聴覚による妨害刺激が視覚の注意の範囲に及ぼす効果についての実験を行った。ランダムな位置に配置された複数のドットを短時間呈示し、その個数を当てさせる課題である。その課題を行うときに、聴覚妨害刺激を与え、その妨害刺激が正答率に及ぼす影響について検討した。聴覚刺激は、様々な問題を男の声と女の声で読み上げ、その問題に対する解答を求める条件と、読み上げる声が男の声か女の声かを答えさせる条件とで、認知的な処理の深さが視覚の注意の範囲に及ぼす効果について検討した。その結果、聴覚妨害刺激が注意の範囲に影響を及ぼすことはないことが確認された。次に、渦巻き残効の実験を行った。回転する渦巻きを長時間観察すると、奥行運動残効が生じるが、一方で、回転残効も生じることから、順応刺激の回転速度と残効の現われの関係について検討した。その結果、順応刺激の回転速度が速い方が奥行運動残効が強く生じること。一方、回転残効運動については、順応刺激の回転速度が速くなっても残効が強まるということはなかった。このことから、2つの残効運動には脳のそれぞれ独立したユニットが関係している可能性が示唆された。最後に、聴覚と触覚の相互作用について検討した。ダミーヘッドの左耳にマイクロフォンを挿入し、その左耳を筆でくすぐり、その音を録音する。この音をヘッドホンで(耳のそばで)聞くと、被験者は、くすぐったさを感じたが、一方、その音を離れたスピーカーで聞いた場合には、くすぐったさは生じなかった。触覚と聴覚の相互作用に、両者の空間的な距離が関係することがわかった。
遅発性脊髄障害にToll様受容体は関与しているか？

マウス脊髄虚血後遅発性対麻痺モデルを用いTLR4、TLR2、MyD88そしてTRIFに関するそれぞれが遅発性麻痺に関与しているかを遺伝子改変マウス(ノックアウトマウス)を用いて検討した。その結果、TLR2ノックアウトマウス、TRIFノックアウトマウスでは遅発性麻痺の発症を認めたが、TLR4ノックアウトマウスとMyD88ノックアウトマウスでは遅発性麻痺を発症しなかった。このことからマウス脊髄虚血後遅発性対麻痺にはTLR4とMyD88が必要であることが示唆された。中枢神経系の虚血性神経細胞死は、従来虚血による低酸素とそれに伴う細胞の恒常性の破綻ならびに興奮性アミノ酸放出とその受容体刺激による神経細胞死がその主な要因であると考えられていた。しかし、最近では神経細胞のみならず中枢神経系に存在するグリア細胞、特に免疫系細胞であるマイクログリアの役割ならびに炎症反応の影響が注目されている。今回、我々はマウス脊髄虚血による遅発性脊髄障害モデルを用い、その病態における炎症反応ならびに自然免疫に関与するToll様受容体特にTLR2とTLR4の影響についてそれぞれのノックアウトマウスを用い検討した。全身麻酔下に5分間の大動脈遮断による脊髄虚血侵襲を与え、経時的に脊髄での炎症性サイトカイン(TNFα、IL6)発現を計測した。また、TLR4及びTLR2ノックアウトマウスに5分間虚血侵襲を与え、遅発性脊髄障害の発症を調べた。炎症性サイトカインであるTNFαとIL6は虚血後24時間目から発現が増加し、その後急激に増加した。また、TLR2ノックアウトマウスは脊髄虚血後にWild型マウスと同様に遅発性脊髄麻痺を発症したが、TLR4ノックアウトマウスではその発症は認められなかった。今回の結果から、マウス大動脈遮断後脊髄虚血による遅発性脊髄障害の発症には、自然免疫に関与するTLR4が重要な役割をしており、TLR4を刺激することによる炎症性サイトカインの放出がこの病態生理に強くかかわっている可能性が示唆された。我々は独自に開発したマウス脊髄虚血モデルにおいて、遅発性対麻痺を示すことならびにその病態生理にCaspase3を必須とするアポトーシスが関与してることを明らかにした。このモデルでは、脊髄虚血24時間以降から脊髄における炎症性サイトカインの放出が認められた。このことから、このマウス遅発性脊髄障害には炎症性サイトカインが関わる炎症反応が関与していると仮説した。そこで、虚血再灌流障害において炎症性サイトカイン放出に関わるToll様受容体(TLR)の関与を検討した。TLR4を欠損したマウスでは、脊髄虚血後遅発性対麻痺は発生しなかった。そこで、TLR4の下流にあたるMyD88経路とTRIF経路それぞれの関与を検討することを目的として、MyD88欠損マウス、TRIF欠損マウスを用い脊髄虚血侵襲を与えた。その結果、TRIF欠損マウスでは大動脈遮断により遅発性対麻痺を発症したが、TLR4欠損マウスでは脊髄虚血後の対麻痺は呈さなかった。このことからマウス脊髄虚血後遅発性対麻痺の発症には、TLR4-MyD88-サイトカイン放出の関与が強く示唆された。今後、遅発性対麻痺の予防方法として、TLR4-MyD88-炎症性サイトカインという一連の経路を抑えることが示唆された。麻酔科学本研究において遅発性脊髄障害における自然免疫系のTLR4の関与(TLR2の関与は認められない)ならびに脊髄におけるサイトカインの放出の関与が証明され、概ね順調に進展していると思われた。今後は、TLR4の下流にあるMyD88あるいはTRIFの関与を、それぞれのノックアウトマウスを用い検討する。また、TLR4の局在を検索し、遅発性脊髄障害に関与している細胞を検索する。
吸着有機金属分子の紫外レーザー光分解による超薄膜の作成

本研究は、有機金属化合物を冷却した基板上に凝結させ、エキシマーレーザー光を照射し、それによる光分解反応を利用して金属の薄膜を析出させるという、新しい薄膜作成法の開発を目的とし、とくに以下のことを目標に研究を行った。1.薄膜を作成するための条件を検討し、本方法を確立する。2.形成された薄膜の物性と形成反応とを調べ、その特徴を明らかにする。照射レーザーにはXeClおよびKrFレーザーを用いた。本研究の成果を要約すると以下のようになる。1.Cu(DPM)_2,Cu(HFA)_2を原料に用いて、液体窒素で冷却したガラス基板上に薄膜の堆積を試みた結果、粒径の揃った鱗粉状の構造の薄膜を得た。2.ニケロセンを原料物質に用いた場合、Niからなる比較的均一な厚さの薄膜が得られた。不純物としてはCは少なくOが比較的多かった。成膜速度はレーザーの条件によって変化するが、1Å/s程度の早い成膜速度を得ることが出来た。3.ペンタカルボニル鉄を原料物質に用いた場合、Feおよび鉄酸化物からなる比較的均一な厚さの薄膜が得られた。不純物としてはCは少なかった。成膜速度はレーザーの条件、特に波長によって変化するが、3Å/s程度の早い成膜速度を得ることが出来た。今年度の研究においては、真空中での吸着有機金属分子の紫外光分解による金属薄膜の作成実験の装置の準備と、そのテストを兼ねた予備的実験、およびこれと並行して大気中での、有機金属薄層の紫外光分解プロセスによる金属薄膜の作成実験を実施した。1.真空中での吸着有機金属分子の紫外光分解による金属薄膜の作成実験(1)レーザー照射用真空槽の組上げ、および試験を行なった。基板冷却用のコールドフィンガーを製作しその性能評価を行った。初めのうち、槽内の真空度がなかなか上がらなかったが、これはコールドフィンガーの一部にわずかながらリークがあったためであることが判明し、リーク部分の再加工を行った。(2)Cu(DPM)2を試料に用いて、ガラス基板上に銅薄膜の生成を試みた。光吸収スペクトルの測定からは、薄膜の生成が確認できたが、X線回折測定では、膜が薄すぎるため構造の決定にまで至っていない。今後はSEM観察、および、より長時間の照射によって膜厚を増加させて構造解析を行う。2.大気中での、有機金属薄層の紫外光分解プロセスによる金属薄膜の作成実験(1)有機金属化合物を溶媒にとかしガラス基板に塗付、薄層状にし、これにレーザー光を照射した。銅の化合物を原料とした場合には、金属銅あるいは酸化銅の薄膜が生成した。またクロム化合物を原料に用いた場合には酸化クロムの薄膜が得られた。(2)原料化合物の違い、溶媒、照射条件の違いによって生成する膜のモルフォロジーが変化したが、その理由についてはまだ明らかではなく、現在検討中である。本研究は、レーザーによる新しい薄膜作製方法の開発を目的としている。この方法は、真空中で冷却した基板上に有機金属化合物を吸着させ、エキシマレーザー光を照射し、それによる光分解反応を利用して金属の薄膜を析出させるというものである。エキシマレーザーとしては、波長308nmのXeClレーザーと波長248nmのKrFレーザーを用いた。原料物質としてはCu(HFA)_2を用い、ガラス基板上およびシリコン基板上に吸着させて実験を行った。1)本研究の薄膜作製法により、いずれの条件においても、金属銅あるいは酸化銅の薄膜が得られた。銅の存在はEDS分析により確認を行った。2)ガラス基板上に試料を凝結させ、XeClレーザーを照射した場合、得られた膜のモルフォロジーは粒状となった。エネルギー密度3000J/m^2のとき粒は小さく粗に存在したが、エネルギー密度の増加とともに粒は成長し密になった。3)シリコン基板上に試料を凝結させ、XeClレーザーを照射したとき、膜のモルフォロジーは柱状となった。

この柱状構造は、エネルギー密度の増加とともに成長した。4)ガラス基板上に試料を凝結させ、KrFレーザーを照射したとき、膜のモルフォロジーは粒状となった。エネルギー密度3000J/m^2のとき粒は粗に存在したが、エネルギー密度の増加とともに密になった。
QSRを用いた小型超伝導多チャンネルフィルタの開発

本研究の目的は10mm角基板内に8段Quasi-spiral共振器(QSR)小型フィルタの設計・試作、及び小型多チャンネルフィルタの設計と最適化を行うことである。全共振器間の電磁界結合をマトリクス化したフィルタトポロジーに対応する周波数特性を計算するソフトウエア(CoupleFil)と準3次元電磁界シミュレータ(Sonnet)を用いて設計を行った。8段QSRフィルタを設計する上で、フィルタの周波数特性を劣化させる不要な電磁界結合が問題となっていた。フィルタトポロジーと電磁界シミュレータを用いた設計法により、フィルタの周波数特性を劣化させる不要な電磁界結合を判別することが可能となった。また、λg/8長のマイクロストリップ線路を用いて共振器を結合させることで不要な電磁界結合を無視できるほど小さくすることを可能とし、8段QSRフィルタが設計可能となった。設計したパターンをエピタキシャルNbN薄膜上に試作し、4K冷凍機及びベクトルネットワークアナライザにより測定を行った.結果として、設計結果とほぼ一致する結果が得られた。多チャンネルフィルタに関しては、今回は4チャンネルの異なる周波数帯で動作するパターンの設計を行った。それぞれのフィルタでの電磁界結合が設計値と異なるため、バンドパス特性が得られなかった。入出力給電線構造と、フィルタと給電線間の距離を電磁界シミュレータにより調節することで、それぞれのフィルタがバンドパス特性を示した。
一側ろうの学童,生徒の聴力,平衡機能に関する研究

目的:一側ろう患者の聴覚,平衡覚の測定と日常生活及び学校生活におけるハンディキャップについての検討。対象:1971年7月より1985年12月までに北里大学病院耳鼻咽喉科難聴外来に登録された一側ろう323名を対象とした。方法:聴力検査として、純音聴力検査,語音聴力検査,チンパノグラム、音の方向感検査を施行した。平衡機能検査として、電気眼振図、温度眼振検査、50歩足踏み試験、飛行機型片足立ち検査を施行した。家庭及び学校に聴力、平衡覚に関するアンケート調査を行った。結果:(1)健側聴力は正常範囲内であった。小学校低学年では浸出性中耳炎が問題であった。音の方向感は年と共によくなるとはいえなかった。(2)ENG検査で眼振を認められたものが22%、温度眼振検査で異常は79%であった。(3)日常生活にて難聴を自覚しない者が43%いた反面、学校生活で不便を感じる者が62%、日常生活で不便を感じる者が54%いた。また、めまいやフラツキがある者がそれぞれ38%、20%いた。(4)学校調査では9%が調査時難聴を把握されていなかった。方向感、平衡感について悪いと答えたのは5%、24%で患者の結果と異なった。結論:聴力の検討から、就学期の学童においては浸出性中耳炎に注意すること、健側聴力と音の方向感の検討から、通常の教室程度の広さと静かさでは難聴耳側の端の列でやや後方の座席がもっともよいと思われた。方向感は首振りによる時間差で識別できた。平衡検査で異常が多かった割に日常生活でのハンディキャップは少なかった。しかし、このような事実は逆に、都合性難聴や都合性めまい、詐病として誤解も生じやすいので、周囲の一層の理解が必要と思われた。
高次元カテゴリー論による群の表現論の基礎付け

高次元カテゴリーに関係したいくつかの成果が得られた。主なものをあげる。1.カテゴリーの母関数。カテゴリーεの母関数とは、形式的無限和ε(t)=Σ_<X∈ε>t^X/|Aut(X)|のことである。ここでt^Xは、対象Xの同型類に対応した不定元である。これについて、以下の結果を得た。(1) Joyalによる種の理論との関係。(2) εが強いKrull-Schmidtカテゴリー(つまり直和分解の一意性が成立する)なら、指数関数型恒等式が成り立つ。2.クロスバーンサイド環。Gを有限群、Sを有限G-モノイドとする。クロスG集合とは、Sへの重み関数をともなう有限G-集合のことである。クロスG-集合については、テンソル積が定義できる。したがって、クロスG-集合のグロタンディエック環(クロスバーンサイド環)が定義できる。これについて、以下の結果が得られた。(1)クロスG-集合とDrinreldによるquarltumdoubleとの関係。(2)クロスバーンサイド環の基本定理。(3)ベキ等元公式とその応用。これらの結果は、次の論文に公表予定(J.Algebraに投稿)である:有限群のBurnside環、Mackey関手、乗法的transfer、量子群、高次元カテゴリーの研究を行なった。1.クロスバーンサイド環の基本定理とベキ等元公式を得た。小田文仁氏・丹原大介氏と共同研究。2.(高次元)カテゴリーの母関数への応用。以下の論文で公表予定。3.符号理論への応用。3の研究を群作用を伴う符号の理論に応用したもの。4元環上の符号や量子符号への応用の可能性がでてきた。多元環や順序集合の表現論が応用できそうである。いくつかの研究集会で講演した。4.今後の課題。符号理論への応用と、母関数の論文の完成。5.その他。代表者は「カテゴリー論とその周辺」(熊本大学10/29-31)を主催した。次の講演をした。「MacWilliams Identities」(「代数的組合せ論とその周辺」山形大学11/20)、「一意分解カテゴリーと行列のLDU分解」(「カテゴリー論とその周辺」熊本大学10/30)、「局所有限トポスと母関数」(同上10/31)、「MacWilliams Identities」(「代数的組合せ論シンポジウム」国際基督教大学7/15)、その他北大・九大などのセミナー。分担者は高次元カテゴリー(辻下)、量子群の表現に現われる対称関数(山田)に関する研究を行なった。主なものをあげる。これらの結果は、次の論文に公表予定(J.Algebraに投稿)である:
磁場による磁性流体の自然対流の制御に関する研究

磁性流体の自然対流に関する実験および数値解析を行なった。実験は立方容器内,立方容器内に水平におかれた加熱円柱回りおよび二重円筒容器内の自然対流の温度分布が外部磁場によって,いかに制御されるかを調べた。壁面温度の可視化に液晶板を用いた結果,印加磁場が磁性流体の自然対流に及ぼす影響が容易に確認できた。また,立方容器内に満たされた磁性流体の自然対流の数値解析を行ない,その結果は定性的に実験結果と良好に一致した。つぎに,磁性流体の伝熱特性を調べる基礎方程式および構成方程式に関する研究では,熱刀学的な考察を基礎としてそれに標構無差別性の原理,基本不変量の理論および最大散逸速度の原理を取り入れた構成方程式の新しい誘導方法を堤案した。この手法によって,構成方程式が標構無差別性の原理を満足すると同時に,磁性流体の持つ粘弾性効果,極性効果,導電性効果,非線形効果などを統一的に扱う基礎方程式を得ることが初めて可能となった。この手法を用いて,非極性の場合の非導電性および導電性の磁性流体の構成方程式を誘導した。磁場制御による磁性流体のスロッシングでは,磁性流体が満たされた水宇振動する矩形容器および軸対称容器(円筒容器および球形容器)下部より垂直磁場を印加した場合の自由表面の挙動を調べた。特に液面変位の周波数応答に着目して実験を行った。そして磁性流体の垂直磁場作用下における固有角振動数を微小振幅波理論により求め,実験結果と比較検討した。また,磁性流体の内部挙動を調べるにあたり,有限要素法を用いた数値解析において,スロッシングの過渡現象における2次渦の発生が予測された。スロッシングの状況下おける磁性流体の伝熱に関してはいまだ未解決のところが多い。ニュ-トン流体に対する安定かつ高速な有限要素法の新しい数値解析アルゴリズムを開発し、数値計算を行いその結果を日本機械学会論文集に発表した。上述のスキ-ムを磁性流体に拡張し、磁場の影響を考慮した数値解析も行なった。正方形容器内に満たされた磁性流体の数値解析および感温液晶法による壁面温度の可視化実験を行ない、磁性流体の自然対流が磁場により制御できることを確認した。その結果をまとめ第5回磁性流体国際会議に発表した。矩形容器内における磁性流体のスロッシングに関しては磁場をかけるとスロッシングの共振周波数が大きくなることがわかった。これらの結果は粉体および粉末冶金論文集に発表した。進行磁場における磁性流体の自由表面進行波は磁性流体を用いた輸送システムとして注目されている。これに関する磁場の影響は大変興味ある結果である。その成果をJournal of Magnetism and Magnetic Materialsに発表した。磁性流体の粘弾性効果および導伝性効果はいまだ未知の問題で、熱との相互作用の解明が急がれている。これらのことを解析するには支配方程式がどうなっているかを調べなければならない。その為の準備として、粘弾性と導電性を同時に考慮した磁性流体の基礎理論を構築し、その結果を日本機械学会論文集に発表した。基礎理論はさらに一般化される。そしてマイクロポ-ラ電磁流体として統一される。すべての物質は粘性および圧縮性がある。また電気伝導性、磁化および電気分極と言った電磁気的性質を多かれ少なかれ持つ。さらに磁性流体は流体中に微粒子を含むため、極性効果が現れる。これらの特長を総合して取り扱える理論の確立を行なった。その結果はJSMF International Journalに発表した。

実験は立方容器内,立方容器内に水平におかれた加熱円柱回りおよび二重円筒容器内の自然対流の温度分布が外部磁場によって,いかに制御されるかを調べた。壁面温度の可視化に液晶板を用いた結果,印加磁場が磁性流体の自然対流に及ぼす影響が容易に確認できた。また,立方容器内に満たされた磁性流体の自然対流の数値解析を行ない,その結果は定性的に実験結果と良好に一致した。つぎに,磁性流体の伝熱特性を調べる基礎方程式および構成方程式に関する研究では,熱力学的な考察を基礎としてそれに標構無差別性の原理,基本不変量の理論および最大散逸速度の原理を取り入れた構成方程式の新しい誘導方法を提案した。この手法によって,構成方程式が標構無差別性の原理を満足すると同時に,磁性流体の持つ粘弾性効果,極性効果,導電性効果,非線形効果などを統一的に扱う基礎方程式を得ることが初めて可能となった。この手法を用いて,非極性の場合の非導電性および導電性の磁性流体の構成方程式を誘導した。磁場制御による磁性流体のスロッシングでは,磁性流体が満たされた水平振動する矩形容器および軸対称容器(円筒容器および球形容器)下部より垂直磁場を印加した場合の自由表面の挙動を調べた。特に液面変位の周波数応答に着目して実験を行った。そして磁性流体の垂直磁場作用下における固有角振動数を微小振幅波理論により求め,実験結果と比較検討した。また,磁性流体の内部挙動を調べるにあたり,有限要素法を用いた数値解析において,スロッシングの過渡現象における2次渦の発生が予測された。スロッシングの状況下おける磁性流体の伝熱に関してはいまだ未解決のところが多い。
船体構造へのアダプティブメッシュの適用と最適化に関する国際共同ベンチマーク計算

(1)国際共同ベンチマーク計算の実施本国際共同ベンチマーク計算は、国際船舶海洋構造会議(ISSC)第II.1技術委員会(委員長:本研究代表者角洋一)の活動の一貫として軽量化のためしばしば疲労損傷が問題となる高速船のアルミニウム船体構造の解析を取り上げる。高速フェリーの車両甲板下横桁と縦桁の直交交差部では、フランジはダイアモンドプレートと呼ばれる十字形の部材となるので、このコーナー部に着目しウェブとフランジのアダプティブメッシュを用いた有限要素解析を行うとともに、フランジ形状の最適化(最小重量化)ベンチマーク計算を行った。解析自由度を制限しつつ各種解析コードを用いて行い、得られた応力集中部の応力値の解析者によるばらつき及び適切なアダプティブメッシュのための指針を得た。また、最適化を行った場合に、その重量が、使用した解析コードや解析者の判断によってどの程度変化しうるかを定量的に把握した。船体構造などの複雑な実構造では、解析者の前提判断と使用する解析コードとの関係で、解析結果が大きくばらつくことが知られており、構造設計分野では、これが大きな問題となっている。本ベンチマーク計算はその意味で、この問題に対する各国専門家の共通理解を得る第一歩となった。上記比較計算結果を持ち寄り討論するための会議を平成14年10月に英国ロンドンで開催した。(2)報告書の作成(1)国際共同ベンチマーク計算の実施本国際共同ベンチマーク計算は、国際船舶海洋構造会議(ISSC)第II.1技術委員会(委員長:本研究代表者角洋一)の活動の一貫として軽量化のためしばしば疲労損傷が問題となる高速船のアルミニウム船体構造の解析を取り上げる。(2)報告書の作成
マウス体節形成におけるダイナミッグな遺伝子発現についての数学的および実験的解析

体節は未分節中胚葉(PSM)から順番に形成される。体節形成のペースは、PSMで振動発現(オシレーション)するhairy and enhancer of split (Hes7)などの遺伝子産物によって制御されている。オシレーションする遺伝子に加えて、後方PSMから前方PSMへのFgf8 mRNAの濃度勾配も関与している。最近の知見では、PSM後方でのHes7のオシレーションの開始と維持には、Fgfシグナリングが必要である事が示されている。一方で、Hes7のオシレーションはNotchシグナリングによって、前方PSMへと増幅・維持される。この表現型を理解するために、我々は野生型とミュータントマウスにおいて、delay differential equation(DDE)モデルを使用して、シュミレーションを行った。DDEモデルの線形安定解析では、野生型マウスでも、PSMでのFgfの濃度が減少すると、シスデムは持続から減衰へと変化した。しかしながら、野生型マウスにおいては、減衰は線形系の固有値の実数値のプロットによって示されたほど強くなかった。つまり、我々の研究結果は、FgfシグナリングはPSMにおいてHes7を不安定化し、NotchシグナリングはPSM前方でのHes7のオシレーションの減衰を維持している事を示唆している。我々は、今までに体節形成過程をシミュレーションする数理モデルとして、以下の微分方程式を提唱してきた。ただし、p(t):時間tにおけるHes7タンパク質量本モデルによって、未分節中胚葉後端におけるHes7の発現オシレーションをよくシミュレーションできるが、未分節中胚葉全体における発現変動はシミュレーションできていなかった。今回、Fgfシグナル系とHes7の発現オシレーションがリンクすることが明らかになってきたが、そのリンクの詳細については不明である。しかし、培養細胞の実験からFgfシグナルはHes7蛋白の半減期に変化を与えることが示唆された。そこで、上記の数理モデルの中で、bに変動を入れることによって、より実際のHes7の発現パターンに似た変化をシミュレーションできることがわかった。今後、Hes7蛋白の半減期の変化を実測することによって、より正確なシミュレーションモデルを構築する。
炎症性シグナルと血管保護シグナルによる肺高血圧症発症の制御機構の解明

肺高血圧症は未だ適切な治療がなされないと予後不良の疾患である。我々は低酸素誘発性肺高血圧症(HPH)マウスモデルにおいて、IL-6/Th17/IL-21/M2マクロファージからなる炎症性シグナルが肺高血圧症病態で重要な役割を担う可能性を報告した(PNAS2015).マウス肺高血圧症は軽症中等症の肺高血圧症モデルであり、重症肺高血圧症モデルの作成が可能なラットでIL-6/IL-21シグナル軸の役割を検討している。CRISPR/Cas9システムを用いてラットでIL-6KO, IL-21RKOを作製しており、これらのラットでそれぞれSugen5416(Su)/低酸素(Hx)/正酸素(Nor)ラット、モノクロタリン(MCT)ラットモデルを作製した。その結果、IL-6KOラットは野生型に比していずれの肺高血圧症モデルラットでも肺高血圧症病態の改善が観察された。また、IL-21RKOラットはSu/Hx/Norラットでは野生型より著明な表現型の改善が観察されたものの、MCTラットでは表現型の改善は有意には見られなかった。ヒト肺高血圧症で保険適用を有するエンドセリン受容体拮抗薬のmacitentanをSu/Hx/Norラットモデル(野生型)に投与すると著明な肺高血圧症病態の改善が観察されたが、IL-6KOラットではさらに相乗的に肺高血圧症病態の改善がみられ、IL-6阻害がエンドセリン受容体拮抗薬の効果に上乗せ的に作用することも強く示唆された。以上より、IL-6阻害は従来の治療法に更に上乗せ効果を発揮する可能性が示唆され、新しい肺高血圧症治療としての可能性が期待される。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。肺高血圧症は未だ治療が適切に行われないと右心不全から死に至る可能性のある難病である。我々は低酸素誘発性肺高血圧症(HPH)モデルマウスにおいて、IL-6/Th17/IL-21/M2マクロファージからなる炎症シグナルが肺高血圧病態で重要な役割を担う可能性を報告した(Hashimoto-Kataoka et al. PNAS2015)。マウスのHPHモデルは軽症中等症の肺高血圧症であるため、重症肺高血圧症のモデル作製が可能なラットでのこのシグナル軸の役割を明らかにするため、本年度はIL-6欠損(KO)ラットおよびIL-21受容体(R)KOラットをCRISPR/Casシステムを用いてSDラットバックグラウンドで作製を行った。IL-6KOラットはヘテロ接合体同士の交配からホモ接合体が期待されるメンデル比で得られてviableであることが明らかとなった。また、LPS刺激による敗血症モデルを作製した際にKOラットでは血漿IL-6の上昇は全く観察されず、肺や脾臓でのIL-6のたんぱく質レベルでの発現が欠損していることを確認できた。一方、IL-21RKOラットはヘテロ接合体をスクリーニングして交配してホモ接合体を得ている。今後、ウェスタンブロット、FACS等でノックアウトの確認をする予定である。また、当研究室においてモノクロタリン肺高血圧症(PH)ラット、Sugen5416/Hypoxia/Normoxia(Su/Hx/Nor)PHラットをの系の立ち上げることに成功しており、本年度購入した設備備品を用いて血行動態解析が可能となっている。上記のKOラットと野生型でモノクロタリンPHラットおよびSu/Hx/NorPHラットを作製して、血行動態及び組織学的解析を進予定である。IL-6KOラットおよびIL-21RKOラットが予定通り作製出来ている。またモノクロタリンPHモデルラットとSu/Hx/NorPHモデルラットの系も研究室内で順調に立ち上げることに成功しており、今後これらのモデルでのPH病態を野生型とKOで比較検討することで進捗が期待できる。肺動脈性高血圧症(Pulmonary arterial hypertension; PAH)は遠位肺動脈領域(小動脈、細小動脈)に原因不明の機序で狭窄、閉塞などの血管リモデリングを来して右室圧の上昇を誘導して、治療が適切に行われないと右心不全から死に至る可能性のある難病指定疾患である。我々は、低酸素誘発性肺高血圧症(HPH)マウスの系を用いて、IL-6/Th17/IL-21/M2マクロファージからなる炎症シグナルが肺高血圧病態で重要な役割を担う可能性を世界に先駆けて報告した(Hashimoto-Kataoka et al. PNAS2015)。一方で、マウスHPHモデルは軽症中等症の肺高血圧症モデルであり、重症肺高血圧症で見られる亜閉塞病変(叢状病変、内膜増殖病変)等が観察されないというモデルとしての限界がある。そこで、我々はもっとも重症なPAHモデルの作成が可能なラットの系を用いて研究を進めている。SDラットのバックグラウンドでIL-6欠損(KO)ラット、IL-21受容体欠損(IL-21RKO)ラットをCRISPR/Cas9システムを用いて作製した。IL-6KO, IL-21RKOはそれぞれELISAでのLPS投与後の血清IL-6の動態と肺でのウェスタン解析で遺伝子欠損されていることを先ず確認した。さらに、野生型(SD)ラットと上記2系統のKOラットを用いて、Sugen5416/Hypoxia/Normoxia(Su/Hx/Nor)肺高血圧症ラットを作製して比較・検討をした。その結果、IL-6KOとIL-21RKOは何れも野生型に比して重症肺高血圧病態の指標が著明に軽減されていることを見出した。

現在、Su/Hx/Norラットで肺組織に浸潤する炎症(免疫)細胞の動態、遺伝子発現動態に関して野生型と各KOラット間での差異に関する検討を進めている。IL-6KOラット、IL-21RKOラットを作製して重症肺高血圧モデルラットを作製して、野生型と顕著な差異を観察しており、本研究計画で立てている仮説はこれまでの結果を総合すると、概ね間違っていないと確認されている。予定している実験を概ねこなせており、進捗は問題ないと考える。肺高血圧症は未だ適切な治療がなされないと予後不良の疾患である。我々は低酸素誘発性肺高血圧症(HPH)マウスモデルにおいて、IL-6/Th17/IL-21/M2マクロファージからなる炎症性シグナルが肺高血圧症病態で重要な役割を担う可能性を報告した(PNAS2015).マウス肺高血圧症は軽症中等症の肺高血圧症モデルであり、重症肺高血圧症モデルの作成が可能なラットでIL-6/IL-21シグナル軸の役割を検討している。CRISPR/Cas9システムを用いてラットでIL-6KO, IL-21RKOを作製しており、これらのラットでそれぞれSugen5416(Su)/低酸素(Hx)/正酸素(Nor)ラット、モノクロタリン(MCT)ラットモデルを作製した。その結果、IL-6KOラットは野生型に比していずれの肺高血圧症モデルラットでも肺高血圧症病態の改善が観察された。また、IL-21RKOラットはSu/Hx/Norラットでは野生型より著明な表現型の改善が観察されたものの、MCTラットでは表現型の改善は有意には見られなかった。ヒト肺高血圧症で保険適用を有するエンドセリン受容体拮抗薬のmacitentanをSu/Hx/Norラットモデル(野生型)に投与すると著明な肺高血圧症病態の改善が観察されたが、IL-6KOラットではさらに相乗的に肺高血圧症病態の改善がみられ、IL-6阻害がエンドセリン受容体拮抗薬の効果に上乗せ的に作用することも強く示唆された。以上より、IL-6阻害は従来の治療法に更に上乗せ効果を発揮する可能性が示唆され、新しい肺高血圧症治療としての可能性が期待される。今後は、モノクロタリンPHモデルラットとSu/Hx/NorPHモデルラットの系を上記KOラットと野生型(SD)ラットで作製して比較検討することで、IL-6/IL-21シグナル軸の役割を解明する。また、これらのKOと野生型ラットの間で、ヘルパーT細胞(Th1, Th2, Th17, Treg)やマクロファージ極性化についても検討を進める予定である。また、ヒトの肺高血圧症で効果が確立された薬剤であるエンドセリン受容体拮抗薬、PDE5阻害剤、PGI2製剤などによる治療とIL-6KOおよびIL-21RKOの効果の相乗作用も明らかにする予定である。重症PAHモデル動物であるSu/Hx/Norラットで、肺組織に浸潤する炎症(免疫)細胞の動態、遺伝子発現動態に関して野生型と各KOラット間での差異に関する検討する。IL-6およびIL-21依存性にPAH重症化に関わる下流標的因子を同定して、新しい重症PAH治療の標的を見出して、創薬に展開することを目指したい。
心筋特異的転写因子を用いた心筋の発生及び分化機序の解明と心不全治療法の開発

1. CSXとGATA-4によるANP遺伝子の転写調節ヒトCSXcDNAおよびマウスGATA-4cDNAを発現ベクターに組み込みANP遺伝子のプロモーター領域を含むレポーター遺伝子とともにCOS-7細胞に導入しtrans-activation活性を解析した。CSXによるANP遺伝子の転写亢進には、転写開始点上流-100bpおよび-250bpに存在するCSX結合配列が重要であり、CSXとGATA-4を同時に発現させると、ANP遺伝子の転写は相乗的に亢進し、その協調作用には-250bpに存在するCSX結合配列が必要であった。さらに、CSXとGATA-4はin vivoおよびin vitroにおいて蛋白同士が直接会合した。以上より、心筋に発生早期より発現し異なるDNA binding motifを持つ転写因子であるCSXとGATA-4が、直接的な蛋白-蛋白相互作用を介してANP遺伝子の転写を協調的に制御することが明らかにされた。2. CSX1過剰発現マウスの解析CSX1過剰発現マウス(Tg)を作製し解析した。Tgは生存及び生殖可能であり、外奇形や成長障害、心不全症状を認めず、心重量の増加も認めなかった。Tgにおいて心臓と骨格筋にCSX1 mRNAの過剰発現が認められた。内因性Csxの発現はCSX1の過剰発現により有意に増加を認めた。以上より、TgにおけるANPの誘導はCSX1の直接の作用である可能性が考えられた。また、内因性Csxの発現が増加していたことからCsxの発現調節に正の自己調節機構があることが示唆された。3. Csx/Nkx2.5と会合する新たな転写因子Zf11の発見と解析ヒトCSX遺伝子cDNA全長を用いtwo-hybrid systemにてマウス胎生17日のcDNA libraryをスクリーニングした。20個のうち1個はC2H2型のzincfingerを11個と核移行シグナルを持つ転写因子と考えられ、Zf11と名づけた。two-hybridsystemではCsxのN-末端とhomeo domainが会合に必要と考えられ、pull downassayではZf11のzincfinger domainが会合に重要であった。マウスのES細胞において、分化前および分化誘導後3日では発現がなく、6日目以降より発現が認められた。8日目よりミオシン等の収縮蛋白の発現が認められ、自発収縮が始まることより、Zf11はこれらの心筋特異的な収縮蛋白などの発現に関与していると考えられた。Whole mount in situ hybridizationにおいて、Zf11は心臓の形成されるマウス胎仔8日目頃より心臓の原基において発現していた。心筋特異的ホメオドメイン蛋白CSXおよびZinc-Finger蛋白GATA-4は発生段階の早期から予定心臓領域に発現しており、心臓の発生・分化において極めて重要な転写因子であると考えられる。

昨年までに我々は、心房性ナトリウム利尿ペプチド(ANP)の遺伝子発現がCSXによって制御されていることを明らかにしたが、ANPの発現はGATA-4によって制御されていることもすでに報告されている。そこでANP遺伝子の発現がCSXおよびGATA-4によって協調的に調節されている可能性について検討した。方法は、ヒトCSXcDNAおよびマウスGATA-4cDNAを発現ベクターに組み込み、ANP遺伝子のプロモーター領域を含むレポーター遺伝子とともにCOS-7細胞に導入しtrans-activation活性を解析した。またCSXとGATA-4のin vitroにおける会合をin vitro translationとGST融合蛋白を用いたGST pull-down assayで、またin vivoにおける会合を特異抗体を用いた免疫沈降物のWestern Blottingにより、それぞれ解析した。その結果、CSXによるANP遺伝子の転写亢進には、転写開始点から上流-100bpおよび-250bpに存在するCSX結合配列が重要であった。またCSXとGATA-4を同時に発現させると、ANP遺伝子の転写は相乗的に亢進し、その強調作用には-250bpに存在するCSX結合配列が必要であった。さらに、CSXとGATA-4はin vivoおよびin vitroにおいて蛋白同士が直接会合し、その会合にはCSXのホメオドメインとGATA-4のZinc-Fingerドメインが重要であった。以上より、心筋に発生早期より発現し異なるDNA binding motifを持つ転写因子であるCSXとGATA-4が、直接的な蛋白-蛋白相互作用を介してANP遺伝子の転写を協調的に制御することが明らかにされた。Csx(Cardiac-specific homeobox)は心筋特異的ホメオボックス遺伝子である。そのknockoutmouseは心臓の発生異常によりembryonic lethalであり、Csxは心臓の発生・分化に必須であることが明らかになっている。しかし、Csxが心臓の発生時にどのような機能を果たしているかは明らかでない。Csxの機能をin vivoで検討するためCSX1過剰発現マウスを作製し、解析した。方法は、ヒトCSXcDNAをcytomegalovirus enhancer/chicken beta-actin promoterに結合したtransgeneを用い、CSX1過剰発現トランスジェニックマウス(Tg)を樹立し、解析した。Tgは生存及び生殖可能であり、外奇形や成長障害、心不全症状を認めなかった。また、心重量の増加も認めなかった。ノーザンブロット法でtransgeneの発現を検討したところTgにおいて心臓と骨格筋にCSX1の過剰発現が認められた。心臓特異的遺伝子の発現の検討ではTgにおいて心房利尿ペプチド(ANP)の発現の増加が認められたが、骨格筋ではCSX1の過剰発現に関わらずANPの発現は誘導されなかった。
微生物炭酸固定の多様性とその進化生化学的理解

好熱性水素細菌を材料として、還元的TCA回路で機能する炭酸固定酵素が、炭酸固定反応を行えるようになった要因をほぼ解明した。同菌の還元的TCAサイクルで機能する他の酵素や、炭酸固定と密接な繋がりがある酵素系の解明を通して、還元的TCAサイクルの進化生化学的理解を深めた。さらに、同菌の完全ゲノム配列を明らかにした。加えて、カルビン回路の鍵酵素を三種類有している水素細菌を材料として、二酸化炭素濃度と炭酸固定酵素発現との関連を生化学的に解明した。Hydrogenobacter thermophilusのC2からC3への炭酸固定酵pyruvate-ferredoxin oxidoreductase(porEDABG)は、新規の5サブユニット型酵素であるが、大腸菌を用いた発現系によって、炭酸固定のためには全てのサブユニットが必要であることを、全てが精製された酵素システムを用いて証明した(BBRC,340,76-82,2006)。ただし、個々のサブユニットの機能については不明な点が多く残った。一方、Hydrogenovibrio marinusの持つ3種の炭酸固定酵素の炭酸ガス濃度依存的発現については、3種のRubisCOの発現をそれぞれ調節する調節遺伝子、cbbR1、cbbR2およびCbbMの存在を明らかにした。各炭酸固定遺伝子はそれぞれの制御遺伝子の産物によって正に制御されており、制御蛋白は、それぞれ対応するRubisCo遺伝子の発現に関与していた(MiCrobiology,151,3615-3625、2005)。その結果、各遺伝子がどのような炭酸ガス濃度で有意の発現をするか、炭酸ガス濃度に対応した炭酸ガス固定量のプロファイルが明らかになった。ただし、微生物がどのように炭酸ガス濃度を検知し対応しているか、その詳細なメカニズムは不明である。恐らく炭酸ガス濃度の直接検知を行っているのではないと推察される。この他、Hydrogenobacter thermophilusのエネルギー代謝に関しては、NAD還元型ヒドロゲナーゼの機能解析を進めると共に、ゲノムのドラフト解析から得られたferredoxin様蛋白の生理的意義(エネルギー代謝、炭酸固定への関与)の解明を開始した。さらに本菌の進化系統学的位置、および本菌がTCAサイクル近傍で炭素代謝を行っていることから、本菌の窒素同化作用についてもその新規性が検証された。その結果、本菌の窒素同化反応は、その反応メカニズムおよび代謝制御機構の両面から極めてユニークな代謝系であることが示唆されている(亀谷、東京大学大学院農学生命科学研究科応用生命工学専攻修士論文)。生物の窒素同化という生化学の基本代謝に関わる全く新規の知見であり、この点については、現在詳細な研究を遂行中である。構造生物学的に興味が持たれた3HP回路の炭酸固定酵素、およびPORの大量精製と結晶化の実験は、本年度予定されていた優秀なポスドクが確保できず、また博士課程学生の不慮の退学もあって目立った進展は見られていない。H.thermophilusはGS-G0GAT系で窒素同化作用を行なっているが、本菌のGS-GOGAT系は、(1)還元力にNAD(P)Hでなくferredoxinを用いる、(2)糖質でなく有機酸の存在によって活性が制御されている、の2点で通常のバクテリア型のGS-GOGATとは異なっていた。この2つの性質は、本菌が還元的TCA回路で炭酸固定を行い水素をエネルギー源とする絶対独立栄養型生物であることを考えると、その合理性が良く理解される。Hydrogenobacter thermophilus TK-6株の還元的TCA回路に関わる全酵素の精製とチャラキウラリザイションを目指している。本年は,残された還元的TCA回路に関わるフマレートレダクターゼ(FRD)の精製を試み,その諸性質を明らかにした。その結果,H.thermophilusのFRDはNADHを還元力として用いる可溶性の酵素であること,さらに,5個のサブユニットからなることを明らかにした。これまでには4つのサブユニットから成るFRDは知られていたが,5サブユニット型の酵素は始めての例となる。また,H.thermophilusにおいてはドラフトゲノムが得られているため,それぞれのサブユニットに対応する遺伝子も同定出来た。驚いたことに,5個の遺伝子はゲノム上でばらばらに存在していた。前述のようにH.thermophilusのドラフトゲノムが利用可能となり,検索の結果,本菌には6種類あると思われていたフェレドキシン遺伝子が7種類あることが判明した。これらのフェレドキシンのうち,実際にH.thermophilusの菌体内で発現していると思われるフェレドキシンを大腸菌の発現系を用いて精製を試みた。H.thermophilusの還元的TCA回路に関わる酵素のうち,4種の炭酸固定酵素は既に精製されており,また今回,フマレートレダクターゼの還元力供給システムも検討可能になった。さらに本菌は,GS-GOGAT系で窒素同化作用を行なっているが,その還元力にもフェレドキシンが用いられていることが明らかとなっている。

そこで,これら還元力を必要としている反応の多さとフェレドキシンの多様性(ゲノム上7種)の関係が,進化適応上も極めて需要となり,これらのフェレドキシンのうち,実際にH.thermophilusの菌体内で発現していると思われるフェレドキシンを大腸菌の発現系を用いて精製を試み,精製酸化還元酵素との反応性を試験する研究を開始した。まだ全体像は得られていないが,現在までに7種のうち,特に重要と思われるフェレドキシンの存在が確認された。さらにH.thermophilusのアミノ酸生合成系を含む窒素代謝の全容解明も進行中である。今年度の最大の成果は、Hydrogenobacter thermophilus TK-61株のゲノム解析が終了したことである(Accession number:APOll112)。Tk-6株は1.743, 131bpの勘定構造を持つDNAを持ち、遺伝子数は1965、44のtRNA遺伝子と3つ(一組)のrRNA遺伝子を持つ。本菌はゲノムサイズが小さいため翻訳、細胞膜、補酵素関連等の必須遺伝子の割合が高くなっている。一方、転写、糖代謝関連の遺伝子が少ない。これは本菌が絶対独立栄養性であり、転写制御系が単純であることを繁栄していると考えられた。また運動性関連遺伝子も少なかった。TK-6株ゲノムの特徴として、35kbのprophageと31kbのgenomicislandが存在することが挙げられる。Prophageについては、ゲノム中に組み込まれた状態と離脱して勘定かした状態の両方が存在することが、P C R解析および電子顕微鏡観察の結果から認められた。Genotnic islandの両端には27bpのinverted report配列が存在し、内部にはtransposaseやphage関連遺伝子がコードされていた。ゲノム解析によって得られたこれらの知見は、本菌および炭酸固定系等本菌の持つ得意な代謝経路の進化、系統を考察する上で、予期していなかった新たな視点を与えた。現在、既に判明している酵素学知見および現在得られつつある知見について、全てのデータをゲノムデータと照らし合わせて再検討していると共に、ゲノムから得られる予測を元に本菌の代謝系について網羅的解析を進めている。プロジェクト最終年度の21年度中には、本菌の代謝の全体像を明らかにできると信じている。本菌の炭酸固定経路が還元的TCA回路であり、その還元力がフェレドキシン(Fd)によって供給されることは繰り返し述べてきた。本菌は水素をエネルギー源とする化学独立栄養細菌であり、水素からFdまでの還元力伝達経路は明らかになっていなかった。研究最終年度に当たり、この問題を解決した。すなわち本菌においては、水素はまずヒドロゲナーゼによりNAD(H)の還元に用いらsれる。次にNAH-NADPリン酸手に酵素により一部NADPHに変換され、このNADPHがFd-NADPレダクターゼによりFdの還元に用いられることを証明した。