hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
超好熱性アーキアに存在する極限環境下の特異的ＤＮＡ修復機構の解明

遺伝情報を担うDNAは、細胞内外からのストレスにより、絶えず損傷を生じる。中でも塩基の脱アミノ化は最も頻発するDNA損傷の一つである。脱アミノ化部位の修復が行われなければ、遺伝情報の変化・損失を招く。そのため、すべての生物はDNA修復機構を有し、遺伝情報の恒常性維持に努めている。これまでの我々の研究においてDNA修復に関与すると考えられる新規の酵素、Endonuclease Q (EndoQ)を超好熱性アーキアより発見した。EndoQは配列上、アーキアのThermococcales属と一部のメタン生成菌に保存されているが、一部の真正細菌にも保存されている。そこで、常温性メタン生成菌(Methanosarcina acetivorans)と真正細菌(Bacillus pumilus)由来のEndoQを生化学的に機能解析を行ったところ、これらはEndoQの活性を示した。つまり、EndoQが一部のアーキアと一部の真正細菌において機能的にDNA修復に関与しうることが明らかになった。さらに、EndoQはすでに報告されている修復タンパク質と一部基質特異性が重複するため、ゲノム配列上にEndoQを含む複数の脱アミノ化塩基修復タンパク質を有するMethanosarcinaacetivoransを用いて、細胞内脱アミノ化塩基修復経路の役割分担を調べた結果、このアーキアが各脱アミノ化塩基に対して複数の酵素活性を保持していることが明らかになった。さらに、アーキアにおける修復遺伝子の分布解析により、それらは個々に独立した系で修復に関与することが示唆された。以上の結果をもとに、極限環境下というDNA損傷が起こりやすい環境に生息する生物、あるいはDNA損傷の頻度が高い環境下の初期の生命体が、遺伝情報を保持するためにどのように特有の機構を獲得してきたのかに関して洞察を行った。28年度が最終年度であるため、記入しない。生物の遺伝情報を担うのDNAは、絶えず損傷している。生物は遺伝情報の恒常性維持のために、複数のDNA修復機構を有すると考えられている。これまでの我々の研究においてDNA損傷修復に関与すると考えられるEndonulcease Q (EndoQ)を超好熱性アーキアより発見し、その詳細な生化学的な解析を行ってきた。本酵素については九州大学から国際特許出願を行った後、本酵素の発見とその基礎的な性質について昨年度に国際ジャーナルに論文発表を行った(Shiraishi et al., 2015)。本酵素は超好熱性アーキアから同定され、性質が調べられてきた。本酵素は生物界の一部のアーキアとごく少数のバクテリアにのみ保存されている酵素であり、その分子進化についても大変興味深い。そこで、比較解析を行うため、常温性のメタン生成アーキア由来のEndoQの性質解析を進めることにした。そのため、Methanosarcina acetivoransの研究を精力的に行っている米国イリノイ大学(UIUC)に滞在して研究を進めた。M.acetivorans由来のEndoQを精製するために、種々の発現系を構築して、条件検討を行ってきた。また、精製に取り組むのと同時に、endoQ遺伝子破壊株の作製も進めている。さらに、EndoQが関与する修復経路を解明するために、他のタンパク質との相互作用解析も進めた。特に、超好熱性アーキア由来のEndoQとPCNAとの相互作用について調べた。PCNAはDNA代謝において広く活躍するタンパク質として知られている。解析の結果、両者は物理的に相互作用するという知見が得られた。現在、PCNAがEndoQの活性にどのような影響を与えるのかを調べている。生物の遺伝情報を担うDNAは生体の代謝産物や外部からの刺激により絶えず損傷している。生物は遺伝情報の恒常性の維持のために、複数のDNA州復帰校を有していると考えられている。これまでの我々の研究においてDNA修復に関与すると考えられるEndonuclease Q (EndoQ)を超好熱性アーキアより発見した。EndoQはその基質特異性やアミノ酸配列に着目しても、他に類似性のない新規のDNA修復酵素であったため、その修復経路についての解明につとめた。そこで、EndoQのアミノ酸配列に着目したところPCNAとの相互作用領域様の配列が存在した。相互作用解析を行ったところ、両者は特定の領域を介して相互作用するという知見が得られた。さらに、相互作用の生物学的意味を調べるために、PCNAのEndoQに対する活性への影響を調べたところ、PCNAはDNA上にのって、EndoQの活性を促進することが強く示唆された。以上の結果は今年、Nature Sci Rep誌の掲載を予定している。さらに、本酵素は生物界の一部のアーキアとごく少数の真正細菌にのみ保存されている酵素であり、その運指針化についても興味深い。よって、比較解析を行うため常温菌アーキアMethanosarcinaacetivorans由来のEndoQについての遺伝学的、生化学的解析を進めている。EndoQが関与する損傷DNA修復経路を解明するために、他のタンパク質との相互作用解析を行った。対象としたタンパク質は超好熱性アーキア、Thermococcus kodakarensis由来のEndoQ (TkoEndoQ)とPCNA1 (TkoPCNA1)である。配列解析の結果、アーキア由来のEndoQのC末端に、PCNAと相互作用するタンパク質が有するアミノ酸モチーフ(PIP box様モチーフ)があることが判明したため、相互作用解析を実施した。

また、真正細菌由来のEndoQホモログにもPCNAの機能性ホモログである、β-クランプ分子との相互作用モチーフを見出した。相互作用解析は表面プラズモン解析により行った。解析の結果、TkoEndoQはTkoPCNA1と相互作用するという知見が得られた。さらに、相互作用の解析において、野生型と同様の手順で調整したPIP-box欠損タンパク質(EndoQ ΔPIP)を用いると、相互作用が検出できなかったため、PIP-boxを介してTkoEndoQとTkoPCNA1は相互作用すると考えられる。さらに、相互作用の生物学的意味を探るために、TkoPCNA1のEndoQ活性に与える影響を調べた。EndoQはTkoPCNA1の濃度依存的に活性が促進された。この際、EndoQ ΔPIP、あるいは本来ホモ三量体であるTkoPCNA1の単量体変異体を用いるとEndoQ活性の促進は見られなかった。以上の結果から、EndoQはPCNAとPIP-boxを介する物理的相互作用によって、PCNAはEndoQの活性を促進するということが分かる。かつ、その促進活性において、PCNAは三量体を形成し、DNA上にローディングする必要があるということが明らかになった。これは、EndoQがDNA複製と連携した損傷DNA修復経路で働くことを示唆している。本成果はNature Scientific Report誌に掲載予定である。遺伝情報を担うDNAは、細胞内外からのストレスにより、絶えず損傷を生じる。中でも塩基の脱アミノ化は最も頻発するDNA損傷の一つである。脱アミノ化部位の修復が行われなければ、遺伝情報の変化・損失を招く。そのため、すべての生物はDNA修復機構を有し、遺伝情報の恒常性維持に努めている。これまでの我々の研究においてDNA修復に関与すると考えられる新規の酵素、Endonuclease Q (EndoQ)を超好熱性アーキアより発見した。EndoQは配列上、アーキアのThermococcales属と一部のメタン生成菌に保存されているが、一部の真正細菌にも保存されている。そこで、常温性メタン生成菌(Methanosarcina acetivorans)と真正細菌(Bacillus pumilus)由来のEndoQを生化学的に機能解析を行ったところ、これらはEndoQの活性を示した。つまり、EndoQが一部のアーキアと一部の真正細菌において機能的にDNA修復に関与しうることが明らかになった。さらに、EndoQはすでに報告されている修復タンパク質と一部基質特異性が重複するため、ゲノム配列上にEndoQを含む複数の脱アミノ化塩基修復タンパク質を有するMethanosarcinaacetivoransを用いて、細胞内脱アミノ化塩基修復経路の役割分担を調べた結果、このアーキアが各脱アミノ化塩基に対して複数の酵素活性を保持していることが明らかになった。
肥満導入IRS-1ノックアウトマウスにおけるインスリン抵抗性発症機序の解析

インスリン受容体(IR)の主要基質であるIRS-1のヘテロ欠失マウス(IRS-1+/-)は野生型(WT)マウスとほぼ同等の耐糖能を有する軽微なインスリン抵抗性遺伝因子モデルである。このマウスに満腹中枢破壊物質GTGを投与し過食、肥満を導入することで、軽微な遺伝因子に環境因子を併せ持つインスリン抵抗性モデルマウスの作成を試みた。非肥満WT、IRS-1+/-の空腹時血糖値、インスリン値、インスリンおよび糖負荷試験に差はなかった。GTG投与によりWT、IRS-1+/-共に非投与群に比し+30%の体重増加をみた。両群共、肥満導入によりインスリン抵抗性が惹起され、高インスリン血症と負荷試験でのインスリン作用減弱を呈した。両肥満マウスを比較すると肥満IRS-1+/-は肥満WTの約1.6倍の空腹時高インスリン血症と、負荷試験での更なるインスリン抵抗性増悪を呈した。肥満IRS-1+/-のインスリン抵抗性増悪機序解明のため、骨格筋及び肝臓でのインスリン作用伝達について検討した。IR発現量は肥満導入により有意に減少したが、肥満IRS-1+/-の肝IR量は肥満WTの39%まで減少した。非肥満IRS-1+/-のIRS-1量は非肥満WTの約50%であり、肥満導入により更に減少した。一方非肥満IRS-1+/-のIRS-2蛋白量は非肥満WTの約2倍であり、これはIRS-1ヘテロ欠損に対する代償的増加と考えられたが、肥満によりこの代償作用は消失、WTと同等にまで減少した。以上、'肥満IRS-1+/-は肥満WTより高度なインスリン抵抗性を有し、これは肝、筋肉のインスリン作用伝達分子の発現低下によるインスリン作用障害に起因すると考えられた。この結果はごく軽度の遺伝因子でも、肥満によるインスリン抵抗性を更に助長しうることを明確に示し、また多因子疾患である2型糖尿病発症のモデルの一つとなると思われる。インスリン受容体の主要基質であるIRS-1(insulin receptor substrate-1)のヘテロ欠失マウスは野生型マウスと同様の耐糖能を保持している非常に軽微な遺伝因子モデルマウスである.このマウスに満腹中枢破壊物質であるGTG(gold thioglucose)を投与して過食、肥満を導入することにより、軽度の遺伝因子に環境因子を併せ持つモデル動物を作成した.GTG投与により野生型、IRS-1ヘテロ欠損両マウスともに非投与群に比べ約30%の体重増加を示した.肥満群間を比較すると、空腹時血糖値には差を認めないが、肥満IRS-1ヘテロマウスは空腹時インスリン2.6±0.4ng/mlと、肥満野生型1.8±0.3ng/mlに比べて明らかな高インスリン血症を呈した.腹腔内糖負荷試験、インスリン負荷試験では肥満IRS-1ヘテロマウスは肥満野生型に比し明らかなインスリン作用の現弱と耐糖能の増悪を示していた.また非肥満群では野生型とIRS-1ヘテロマウス両群間で空腹時血糖、空腹時インスリン値、及び両負荷試験において有意な差を認めなかった.この結果は、ごく軽度の遺伝因子存在下で、肥満によるインスリン抵抗性の増悪がさらに助長されることを明確に示している.

さらに肥満IRS-1ヘテロの膵島は、野生型肥満群あるいは非肥満IRS-1ヘテロに比べて有意に腫大しており、この遺伝因子は肥満の存在下で膵島の過形成にも影響を及すと考えられた.細胞でのインスリンシグナルに特に重要なインスリン受容体、IRS-1、IRS-2などの分子の量的異常、あるいはリン酸化などの機能障害が肥満によりもたらされることが予想され、分子学的に解析を行っている.インスリン受容体(IR)の主要基質であるIRS-1のヘテロ欠失マウス(IRS-1+/-)は野生型(WT)マウスとほぼ同等の耐糖能を有する軽微なインスリン抵抗性遺伝因子モデルである。このマウスに満腹中枢破壊物質GTGを投与し過食、肥満を導入することで、軽微な遺伝因子に環境因子を併せ持つインスリン抵抗性モデルマウスの作成を試みた。非肥満WT、IRS-1+/-の空腹時血糖値、インスリン値、インスリンおよび糖負荷試験に差はなかった。GTG投与によりWT、IRS-1+/-共に非投与群に比し+30%の体重増加をみた。両群共、肥満導入によりインスリン抵抗性が惹起され、高インスリン血症と負荷試験でのインスリン作用減弱を呈した。両肥満マウスを比較すると肥満IRS-1+/-は肥満WTの約1.6倍の空腹時高インスリン血症と、負荷試験での更なるインスリン抵抗性憎悪を呈した。肥満IRS-1+/-のインスリン抵抗性憎悪機序解明のため、骨格筋及び肝臓でのインスリン作用伝達について検討した。IR発現量は肥満導入により有意に減少したが、肥満IRS-1+/-の肝IR量は肥満WTの39%まで減少した。非肥満IRS-1+/-のIRS-1量は非肥満WTの約50%であり、肥満導入により更に減少した。一方非肥満IRS-1+/-のIRS-2蛋白量は非肥満WTの約2倍であり、これはIRS-1ヘテロ欠損に対する代償的増加と考えられたが、肥満によりこの代償作用は消失、WTと同等にまで減少した。以上、肥満IRS-1+/-は肥満WTより高度なインスリン抵抗性を有し、これは肝、筋肉のインスリン作用伝達分子の発現低下によるインスリン作用障害に起因すると考えられた。この結果はごく軽度の遺伝因子でも、肥満によるインスリン抵抗性を更に助長しうることを明確に示し、また多因子疾患である2型糖尿病発症のモデルの一つとなると思われる。
磁気渦コアの運動によって誘起されたスピン起電力の研究

ファラデーの誘導起電力は電子の電荷に注目した起電力であるといえる。一方電子のスピンに着目しても類似の起電力が発生することが指摘されており、スピン起電力と呼ばれている。スピン起電力はねじれた磁化構造が時間変化することに発生するために、局所的実時間測定が重要になると考えられる。そこで本研究では磁気渦を用いてスピン起電力の局所的実時間測定を行い、その結果を英国雑誌Nature Communicationsに報告した。その後の研究としてスピン起電力と類似の起源から予想される新現象マグノンホール効果の研究を行った。マグノンホール効果とはスピン波の前方体積波が波数の時間変化が発生する際に波数変化方向に対して垂直方向に力を受ける現象をさす。我々の研究では波数の時間変化を発生させるために素子端での散乱現象に着目し、実験を行った。その結果スピン波が散乱時に横滑りを引き起こしたようなシグナルの検出に成功した。この結果がマグノンホール効果由来の効果であるか調べるのが今後の課題である。また磁気渦研究ではコアの磁化方向が反転する現象が知られている。このコアの反転現象は電流印加によって磁化方向を制御できることから磁気メモリへの応用が期待されており、詳細な研究が期待されている。本研究では磁気トンネル接合素子を用いてコア反転の実時間測定に成功した。その結果反転に要する時間は100ピコ秒程度と極めて短い時間であることがわかり、高速動作可能な磁気メモリへの応用が期待させる。この結果は米国雑誌Applied Physical Lettersに報告した。古典電磁気学によると回路貫く磁束が時間変化することで起電力が発生する。これに対して近年スピンに注目しても同様に起電力が発生することが理論的に示されている。この起電力はスピン起電力と呼ばれており、磁化構造がねじれた領域が時間変化することで発生する効果である。現在までにスピン起電力の検出報告は2例あったがどちらも時間的にも空間的にも平均化した起電力の検出報告であり、スピン起電力の局所性やダイナミカルな効果という特徴を考えると、局所測定や実時間測定が期待されている。そこで磁気渦構造と呼ばれる特殊な磁化構造を有する系に着目した。この系では急峻な磁化のねじれがあり、その磁化ダイナミクスの制御が容易であるという特徴がある。そこでこの磁気渦構造を用いてスピン起電力の局所的実時間測定を目指すのがこの1年間の目標であった。強磁性体のニッケル鉄合金をマイクロサイズの円盤状に加工し、磁気渦構造を作製した。円盤上部にスピン起電力の電圧を測定する電極を局所的に配置し、オシロスコープに繋いで実時間測定を行った。その結果、周期的に1マイクロボルト程度のシグナルが検出された。次に同一条件でのシミュレーションを行った。同程度のシグナルが周期的に発生し、実験とシミュレーションは良い一致を示した。この結果はスピン起電力を実時間で見た世界で初めての結果である。次に今回得られたシグナル強度の周波数依存性を調べた。その結果、共鳴ピークのような構造が得られた。F数値計算結果でも、同様にピーク構造が表れた。これは磁気渦の共鳴現象に関係していることを示している。磁気渦構造の運動は共鳴的に励起される現象であるために、85MHzで最も磁気渦の回転運動が回転が大きくなり、大きなスピン起電力が発生する。逆に共鳴周波数から離れた点では磁気渦の運動は生じなくなりスピン起電力も発生しない。我々が得た今回の結果はこれらの現象を説明しているものと思われる。磁気渦ダイナミクス由来のスピン起電力の検出に成功し、周波数依存性や磁場強度依存性から磁気渦特有の現象との関係を明らかにできたため。さらにこれらの内容を論文にまとめ、英国雑誌Nature Communicationsに出版されることになったため。現在までに磁気渦コア由来の電場検出に成功した言える。そこで今度は見方を変えて、磁気渦由来の磁場効果を検証してみる。この磁場をホール効果を用いて研究する。

先行研究によると、パイロクロア構造を持つスピンキラリティ由来のホール効果の研究がいくつか報告されているが、磁気渦のように単純金属系でで報告はない。さらにこれまでの微細加工技術を駆使すれば、このホール効果が磁気渦コア(スピンキラリティ)でしか発生しないことを示すことができる。
生殖細胞の発生分化を司るRNA制御機構

生殖細胞の遺伝子発現制御には、RNA結合タンパク質の機能を介した制御が重要である。我々はその中でも、生殖細胞特異的に発現するNanos2及びNanos3の機能に焦点を絞って研究を行ってきた。Nanos3は始原生殖細胞の形成には必須だかそれに加えて精子形成過程で、未分化精原細胞の増幅に関与することを明らかにした。一方、Nanos2は胎生期においてはDazlを標的としてその3'-UTRを介して発現抑制する。また生後の精子幹細胞ではSohlh2等の標的RNAの抑制による分化抑制と、mTORC1経路の機能阻害により、精子幹細胞の増殖及び分化を抑制することが主な機能であることを証明した。始原生殖細胞(PGC)の分化に必須な分子Nanos3の下流イベントを解析する目的で、野生型のES細胞とNanso3欠損ES細胞を用いて、始原生殖細胞をin vitro系で分化誘導した。その結果、in vivoの解析同様にNanos3欠損細胞から誘導された始原生殖細胞はPGCの性質を維持できずに次第に消滅していった。その間にどのような遺伝子が変動するかを解析するため、Blimp1-venusでPGCをFACSで分離し、RNAを調整してRNA-seq解析を行った。その結果、発現変動する遺伝子をいくつか同定した。その中で特に興味深い遺伝子に関しては、Cas9系を用いたKO解析を行う予定である。一方、Nanos3の生後の精子形成における機能を解析するために、条件的KOマウス、及び強制発現マウスを作製して、解析を開始した。またNanos2とNanos3の機能的な違いの分子基盤を明らかにする目的でNanos2とNanos3のキメラ分子を発現するマウスを作製した。N-末をNanos3に変更したNanos2は胎児精巣で機能しないことがわかった。現在N-末をNanos2に変更したNanos3を作製中である。次世代シーケンサーの不具合があり、RNA-seq解析が遅れたが、繰越を行って解析は完了した。Nanos3のcKOの解析が順調に進んでおり、Nanos2とNanos3の機能的な差がみえてきている。Nanos2-DND1, Nanos3-DND1を強制発現できるES細胞を確立した。強制発現によって細胞の増殖が抑制され、これはこれまで生殖細胞で知られているNanos2の機能と類似している。これらの細胞からRNAを調整し、マイクロアレイ解析を行った。遺伝子の変動は両者で必ずしも似ていない。特異的な標的RNAを持つ可能性を示唆している。我々はすでにNanos2がN-末でCNOT1と結合しRNAの分解に関与することを示しているが、その標的RNAを認識する分子機構は不見出し、DND1のcKOマウスを作製し解析を進めてきた。その結果、DND1がないとNanos2は標的RNAと結合できないことが明らかになりDND1がRNAの特異性を規定していることを証明することができた。一方、Nanos3のcKOマウスの解析の結果、生後にNanos3を欠損すると生後2週目以降に精巣サイズが矮小化することがわかった。しかし興味深いことに、精子形成分化そのものは比較的正常におこりNanos3がなくても精子の形成は観察された。一方、Nanos3を強制発現すると、マウスは不妊になり、精子形成も異常をきたした。しかし未分化性の維持に機能するNanos2の強制発現とは明らかに表現型が異なり,精子形成過程において、Nanos2とNanos3は単に発現細胞が異なるだけでなく、明らかに異なる機能を持つと考えられる。これは先に記載したES細胞にNanos2あるいはNanos3を強制発現した際に起こる遺伝子発現変動に差があることからも支持される。Nanos3の機能解析が進んできたのでNanos2との比較解析やキメラ蛋白質を用いた解析が予想より進んでいる。いくつかのキメラ蛋白質を持ったマウスをすでに作成しており、それらのマウスの解析によりNanos2とNanos3の違いが明らかになると考えている。これまでの解析により、RNA結合タンパク質であるNanos2とNanos3は構造的によく似ていながら、機能的に異なっていることが明らかになってきた。機能ドメインとしては脱アデニル化酵素と相互作用するN末端、またDND1と相互作用しRNAの認識、結合に関与するZincfingerドメインが重要である。そこでこれらの部位をおきかえたキメラタンパク質を作製し、主にNanos2の機能解析が可能である雄の胎児精巣における生殖細胞機能を解析した。これまでNanos2が欠損するとNanos3蛋白の発現が上昇するが、Nanos2の機能を発揮できないことが分かっている。そこでNanos2遺伝子座にN末はNanso2でありZinc fingerはNanos3に置き換えたタンパク質を発現させた。しかし、Nanso2の機能はレスキューされなかった。またN末はNanos3でZinc fingerがNanos2であるタンパク質を発現させたがやはりレスキューできず、N-末, Zinc finger両者が貢献していることが明らかになった。その原因の一端としてZinc fingerにおけるDND1に対する親和性がNanso3では低いことがin vitroの生化学実験により明らかになった。現在その原因配列を特定中である。またNanso2-DND1が機能する細胞構造体としてP-bodyの重要性が示唆されている。しかし、P-bodyという構造がNanso2の機能の発揮に必須であるのかどうか不明であった。そこでP-

bodyの形成に必須はタンパク質DDX6を生殖細胞特異的にKOしたキメラマウスを作製したところ、P-bodyが消失し同時にNanos2のオス化誘導機能が失われることが判明した。生殖細胞の遺伝子発現制御には、RNA結合タンパク質の機能を介した制御が重要である。我々はその中でも、生殖細胞特異的に発現するNanos2及びNanos3の機能に焦点を絞って研究を行ってきた。Nanos3は始原生殖細胞の形成には必須だかそれに加えて精子形成過程で、未分化精原細胞の増幅に関与することを明らかにした。一方、Nanos2は胎生期においてはDazlを標的としてその3'-UTRを介して発現抑制する。また生後の精子幹細胞ではSohlh2等の標的RNAの抑制による分化抑制と、mTORC1経路の機能阻害により、精子幹細胞の増殖及び分化を抑制することが主な機能であることを証明した。ES細胞をもちいた誘導系はやはり、細胞数が少ないことやNanso3の発現が低いことから標的遺伝子の解析など、生化学的な解析は困難である。そこでES細胞を用いて最近我々同定したNanosのパートナー遺伝子DND1を利用して、Nanos2-DND1, Nanos3-DND1をESあるいはGS細胞に発現させて、遺伝子変動や、標的遺伝子の解析に利用する。Nanos2に関しては標的RNAの解析が進んでいるがNanos3に関してはまだ情報が得られていいない、初期のPGCを対象にした免疫沈降実験は不可能なので、生後の精子形成過程に発現するNanos3に焦点を絞って標的RNAを同定する。また生殖細胞ではないので、機能的には問えないが、ESを用いた強制発現系において、Nanos2とNanos3の結合形式の違いの解析は可能である。すでにTET誘導系を確立したので、今後この系を用いて解析する。28年度が最終年度であるため、記入しない。発生遺伝学28年度が最終年度であるため、記入しない。
オオサンショウウオの摂食機能と頭骨進化の解明:三次元力学モデルからのアプローチ

脊椎動物の進化史の中で、水から陸へ(両生類から爬虫類へ)といった生活圏の移行は重要な転換期である。ここで起きた重要な変化の1つが捕食様式である。水中では水流を用いた吸引が可能だが、陸上では顎を用いた咬合になる。吸引と咬合では頭骨にかかる力や作用する筋に大きな違いがあると予想され、それぞれに適した頭骨デザインがあると考えられる。これを解明する事で、捕食様式の変遷を示す鍵となる形態進化を系統に沿って追う事が可能になる。そこで、本研究では脊椎動物が水から陸へと適応進化する過程でどのような力学的制約のもと頭骨のモデルチェンジが起き、脊椎動物の頭骨形態が多様化したのかを明らかにする事を目的とする。平成24年度は、国立科学博物館・真鍋真研究主幹の下で、本研究のモデルケースとして用いるオオサンショウウオを含む多様な両生類の頭部と頸部の3次元骨格データを集積した。本研究に用いられた標本は、受け入れ研究機関の国立科学博物館だけでなく、日本国内(3箇所)の研究機関が所有する両生類の液浸・冷凍標本を用いた。その結果、現生両生類の主要な分類群を網羅し、本研究に必要な90標本の三次元頭骨データが得られた。これらの標本は、受け入れ研究機関が所有するマイクロCTスキャンを用いて撮像し、その後、3次元画像構築ソフト(Avizo使用)を用いて立体構築を行った。今後、補食様式のシミュレーション力学モデル解析を行う予定である。また、平成24年2月、3月に北九州市立いのちのたび博物館を訪れ、生きているオオサンショウウオの他4種の両生類が捕食している様子を、ハイスピードカメラ(HASL1)を用いて撮影した。30回の実験により、様々な角度からオオサンショウウオ等の捕食画像が取得出来た。今後、得られた画像データは、動画解析ソフトを用いて数値化することでシミュレーションモデルの枠組みを形成する予定である。24年度は、主に基礎となるCTスキャンとそのデータの立体構築、解剖データの蓄積を目標としていたが、予定通り必要な標本とデータをほぼ全て集積する事ができた。また、他の研究機関(例:北九州市立いのちのたび博物館)などと協力体制を確立することができた。予定以上に標本が集まったため、来年度も解剖を続ける必要が生じた。本研究プロジェクトは、今後、英国バール大学と連携し、シミュレーション力学モデルを作成する。既にバール大学のマイケルファーガン教授の内諾は得ており、25年度には申請者は1年間バール大学に在籍して研究を遂行する予定であった。しかし、申請者の就職(神奈川県立生命の星・地球博物館)に伴い、英国に長期滞在する事が困難となった。本研究を予定通り完成させるため、英国へ複数回の短期訪問を繰り返す事で研究を遂行する方法へと変える必要が発生した。短期訪問での作業効率を上げるため、バール大学で借用する予定であった、力学解析ソフト(VOXELCONなど)を申請者自身でも購入する必要性が生じた。

しかし、申請者の就職(神奈川県立生命の星・地球博物館)に伴い、英国に長期滞在する事が困難となった。本研究を予定通り完成させるため、英国へ複数回の短期訪問を繰り返す事で研究を遂行する方法へと変える必要が発生した。短期訪問での作業効率を上げるため、バール大学で借用する予定であった、力学解析ソフト(VOXELCONなど)を申請者自身でも購入する必要性が生じた。
虚血性心疾患の合成ペプチドを用いた新しい治療薬の開発

虚血性心疾患発症の引き金となる凝固系活性化は、血管内に露出したコラーゲンなどに存在する特異的なアミノ酸配列(Arg-Gly-Asp;RGD)を血小板が認識して接着することにより始まる。また、心筋梗塞急性期にPTCR、PTCAを行ない、再灌流が得られた時に発生する心筋虚血再灌流障害の発症要因として最も重要な白血球の浸潤には、細胞間接着分子が強く関与しており、細胞間接着分子の一部にもRGD配列が認められることが明らかとなってきた。ラットにおける心筋虚血モデル作成法の確立、心筋虚血再灌流時の浸潤白血球における細胞間接着分子の発現、虚血再灌流部血管内皮細胞におけるCD54(ICAM-1)の発現増強の解析に続いて、細胞間接着分子に対するモノクローナル抗体を投与すると、心筋障害の減少が認められると同時に、心筋組織におけるICAM-1の発現増強の抑制と好中球の浸潤の減少がみられることを明らかにした。このことより、心筋虚血再灌流障害に細胞間接着分子が重要な役割を担っていることが直接証明された。さらに、培養ヒト臍帯静脈とヒト好中球を用いたin vitroの系において、hypoxia/reoxygenation刺激により細胞間接着分子の一つであるCD62(GMP-140)がICAM1より早期に臍帯静脈に発現し、GMP-140に対するモノクローナル抗体により好中球の接着が阻害されることを見いだし、複数の細胞間接着分子が心筋虚血再灌流障害に関与していることが明らかとなった。RGD関連ペプチドは、血小板による血栓形成を抑制するばかりでなく、細胞間接着分子の機能をも抑制する可能性が高い。このことを我々が確立したラットの心筋虚血再灌流モデル及びin vitroのhypoxia/reoxygenationモデルにおいてさらに検討し、接着分子に対する抗体による治療の開発と並行して、より安全性の高いRGD関連ペプチドによる治療法の確立を目指すことが次期の研究主題となる。虚血性心疾患の発症病因は、冠状動脈の動脈硬化性病変に基づいた内腔狭窄による血流障害と、血管障害部位に発生する凝固系活性化によって形成された血栓による血流途絶と理解される。この凝固系活性化は血管内に露出したコラ-ゲンなどに存在する特異的なアミノ酸配列(ArgーGlyーAsp:RGD)を血小板が認識して接着することにより始まる。また、心筋虚血再潅流障害時に認めら障害を増悪させると考えられている白血球の浸潤には、細胞間接着分子が強く関与しており、細胞間接着分子の一部にもRGD配列が認められることが明らかとなってきた。そこで今年度は、ラットにおける心筋虚血モデルの作成を確立した上で、心筋虚血再潅流時の浸潤白血球における細胞間接着分子(CD11a,b,cおよびCD18)の発現、虚血再潅流部血管内皮細胞におけるCD11aおよびCD18(LFAー1)のリガンドであるCD54(ICAMー1)の発現増強を螢光抗体法を用いて明らかにした。続いてそれぞれの接着分子に対するモノクロ-ナル抗体の投与を行うことによって心筋障害の減少が認められることを、TTC染色法および心筋ミオシン軽鎖の測定によっり確認した(投稿中)。この結果は、現在急性心筋梗塞の治療であるPTCR、PTCAを行う際の重要な課題である再潅流障害を抑制する治療法の開発に大きく貢献する重要な知見である。

今後、ラットにおいて、抗体投与量、投与時間を変化させ至適投与方法を確立し、併せて副作用の有無を検討、ヒトに対する臨床応用の可能性を検討する予定である。また、RGD関連ペプチドは、血小板による血栓形成を抑制するばかりでなく、細胞間接着分子の機能をも抑制する可能性が高い。このことを我々が確立したラットの心筋虚血再潅流モデルにおいて検討し、接着分子に対する抗体による治療の開発と並行して、より安全性の高いRGD関連ペプチドによる治療法の確立を目指する予定である。虚血性心疾患発症の引き金となる凝固系活性化は、血管内に露出したコラ-ゲンなどに存在する特異的なアミノ酸配列(Arg-Gly-Asp:RGD)を血小板が認識して接着することにより始まる。また、心筋梗塞急性期の治療法として一般化してきたPTCR、PTCAを行ない再潅流が得られた時に発生する心筋虚血再潅流障害の発症要因として最も重要な白血球の浸潤には、細胞間接着分子が強く関与しており、細胞間接着分子の一部にもRGD配列が認められることが明らかとなってきた。そこで今年度は、ラットにおける心筋虚血モデルの作成を確立した上で、心筋虚血再潅流時の浸潤白血球における細胞間接着分子(CD11a,b,c及びCD18)の発現、虚血再潅流部血管内皮細胞におけるCD11a/DC18(LFA-1)のリガンドであるCD54(ICAM-1)の発現増強を蛍光抗体法を用いて明らかにした。続いてそれぞれの接着分子に対するモノクロ-ナル抗体を投与することによって心筋障害の減少が認められることを、TTC染色法および心筋ミオシン軽鎖の測定により確認した(投稿中)。また、培養ヒト臍帯静脈とヒト好中球を用いたin vitroの系において、hypoxia/reoxygenation刺激により細胞間接着分子の一つであるCD62(GMP-140)がICAM-1より早期に臍帯静脈に発現し、GMP-140に対するモノクロ-ナル抗体により好中球の接着が阻害されることを見いだし、複数の細胞間接着分子が心筋虚血再潅流障害に重要な役割を担っていることを明らかにした。RGD関連ペプチドは、血小板による血栓形成を抑制するばかりでなく、細胞間接着分子の機能をも抑制する可能性が高い。このことを我々が確立したラットの心筋虚血再潅流モデル及びin vitroのhypoxia/reoxygenationモデルにおいてさらに検討し、接着分に対する抗体による治療の開発と並行して、より安全性の高いRGD関連ペプチドによる治療法の確立を目指す予定である。虚血性心疾患発症の引き金となる凝固系活性化は、血管内に露出したコラーゲンなどに存在する特異的なアミノ酸配列(Arg-Gly-Asp:RGD)を血小板が認識して接着することにより始まる。また、心筋梗塞急性期にPTCR、PTCAを行ない、再潅流が得られた時に発生する心筋血再潅流障害の発症要因として最も重要な白血球の浸潤には、細胞間接着分子が強く関与しており、細胞間接着分子の一部にもRGD配列が認められることが明らかとなってきた。昨年度までに行なった、ラットにおける心筋虚血モデル作成法の確立、心筋虚血再潅流時の浸潤白血球における細胞間接着分子の発現、虚血再潅流部血管内皮細胞におけるCD54(ICAM-1)の発現増強の解析に続いて、今年度は、細胞間接着分子に対するモノクローナル抗体を投与すると、心筋障害の減少が認められると同時に、心筋組織におけるICAM-1の発現増強の抑制と好中球の浸潤の減少がみられることを明らかにした。このことより、心筋虚血再潅流障害に細胞間接着分子が重要な役割を担っていることが直接証明された。
解評価時間の不均一性に依存しない並列進化的アルゴリズムの提案

本研究では,解評価時間の差と偏りの不均一性によらずに短時間で最適解を獲得可能な並列化進化的アルゴリズム(PEA)の提案を目的とする.具体的には,解評価時間の偏りによる探索回数の差を考慮したPEAを考案するとともに,その手法を拡張し,最適化の過程で解評価時間の差と偏りの度合いに応じて適切に処理を変更することで解評価時間の不均一性によらず最適化可能なPEAを確立する.本研究では,ベンチマーク問題だけでなく,実データにもとづく交通網最適化問題を用いて従来PEAと提案PEAを比較し,解評価時間の不均一性によらず提案PEAが短時間で最適解を獲得可能であることを示す.本研究では,解評価時間の差と偏りの不均一性によらずに短時間で最適解を獲得可能な並列化進化的アルゴリズム(PEA)の提案を目的とする.具体的には,解評価時間の偏りによる探索回数の差を考慮したPEAを考案するとともに,その手法を拡張し,最適化の過程で解評価時間の差と偏りの度合いに応じて適切に処理を変更することで解評価時間の不均一性によらず最適化可能なPEAを確立する.本研究では,ベンチマーク問題だけでなく,実データにもとづく交通網最適化問題を用いて従来PEAと提案PEAを比較し,解評価時間の不均一性によらず提案PEAが短時間で最適解を獲得可能であることを示す.
最大エントロピー法を用いた画像修復による電子顕微鏡の高解像化に関する研究

1.最大エントロピー画像修復システムの構築:電子顕微鏡用写真フィルムに撮影した通常型電子顕微鏡像最大エントロピー法(MEM)により処理するために,備品としてスキャナを購入して像をワークステーションに取り込み,さらに,従来大型計算機で開発してきたプログラムを移植して,電子顕微鏡像修復システムを構築した.2.走査透過電子顕微鏡(STEM)像の修復:新しく考案した,ノイズを空間的にランダムに分布させる制約条件(RSD条件)を実現するように改良したMEMを,SN比の低いSTEM像に適用した.試料としては,従来MEMが有効に適用できなかった広がった物体であるフェリチン粒子を用いた.その結果,RSD条件を用いた処理により,像のSM比が向上することが分った.さらに,比較的SN比の高い暗視野STEM像にMEMを適用し,電子プローブの広がりによるぼけに対するMEMの効果を調べた.直径6.2nmの比較的大きな電子プローブを用いて記録した像では,本来直径7nmであるフェリチン粒子が像では12nmの直径にぼけて観察された.この像に新しいMEMを適用することにより粒子径は9.8nmに減少し,処理前には分離されていなかった粒子が明確に分離できた.3.通常型電子顕微鏡像の修復:弱位相物体のCTEM像のモデルに対して,改良したMEMによる修復を行った.その結果,点物体だけでなく広い面積のディスク状位相物体についてもぼけが低滅され,像のSN比が向上することが分った。次に試料としてフェリチン粒子を用い,大きく焦点ずらししたノイズの多い実際のCTEM像を処理した.MEM処理を行うことにより焦点ずれによるぼけの修復ができ,さらに像のノイズも低滅できて,フェリチン粒子の有無や位置が正しく復元されていることが分った.1.最大エントロピー画像修復システムの構築:電子顕微鏡用写真フィルムに撮影した通常型電子顕微鏡像最大エントロピー法(MEM)により処理するために,備品としてスキャナを購入して像をワークステーションに取り込み,さらに,従来大型計算機で開発してきたプログラムを移植して,電子顕微鏡像修復システムを構築した.2.走査透過電子顕微鏡(STEM)像の修復:新しく考案した,ノイズを空間的にランダムに分布させる制約条件(RSD条件)を実現するように改良したMEMを,SN比の低いSTEM像に適用した.試料としては,従来MEMが有効に適用できなかった広がった物体であるフェリチン粒子を用いた.その結果,RSD条件を用いた処理により,像のSM比が向上することが分った.さらに,比較的SN比の高い暗視野STEM像にMEMを適用し,電子プローブの広がりによるぼけに対するMEMの効果を調べた.直径6.2nmの比較的大きな電子プローブを用いて記録した像では,本来直径7nmであるフェリチン粒子が像では12nmの直径にぼけて観察された.この像に新しいMEMを適用することにより粒子径は9.8nmに減少し,処理前には分離されていなかった粒子が明確に分離できた.3.通常型電子顕微鏡像の修復:弱位相物体のCTEM像のモデルに対して,改良したMEMによる修復を行った.その結果,点物体だけでなく広い面積のディスク状位相物体についてもぼけが低滅され,像のSN比が向上することが分った。次に試料としてフェリチン粒子を用い,大きく焦点ずらししたノイズの多い実際のCTEM像を処理した.MEM処理を行うことにより焦点ずれによるぼけの修復ができ,さらに像のノイズも低滅できて,フェリチン粒子の有無や位置が正しく復元されていることが分った.1.最大エントロピー画像修復システムの構築:電子顕微鏡用写真フィルムに撮影した像をワークステーションに取り込み,最大エントロピー法(MEM)により処理するために,備品としてスキャナを購入し,さらに,従来大型計算機で開発してきた処理プログラムをワークステーションに移植して,電子顕微鏡像の修復システムを構築した.システムは正常に動作し,電子顕微鏡像の微細な構造までディジタル化し,MEM処理することが可能となった.このシステムにより,従来より精度の高い像の取り込みが可能となり,また,処理結果をすぐに表示できるなど,実験を効率的に進める環境が整った.2.走査透過電子顕微鏡(STEM)像の修復:新しく考案した,ノイズを空間的にランダムに分布させる制約条件(RSD条件)を実現するように改良したMEMを,SN比の小さいSTEM像に適用し,従来のMEM処理の結果と比較した.その結果,従来法では修復できなかった空間的に広がったディスク状物体の像に対しても,RSD条件を用いることにより処理が可能となり,処理の結果,像のSN比が向上することが分った.また,従来法でもある程度修復が可能であった点物体の場合にも,RSD条件を用いることにより従来よりSN比の高い処理像が得られた.しかし,こうようなSN比の低い像では像のぼけを低減することはできなかった.3.通常の電子顕微鏡(CTEM)像のモデルの修復:弱位相物体のCTEM像のモデルに対して,改良したMEMによる修復を行った.その結果,点位相物体のCTEM像の場合には,SN比が低くて人間には認識できないような悪条件の像からでもぼけとノイズを低減でき,点物体として修復できることが分った.また,ディスク状位相物体についても,点物体の場合ほど顕著ではないがぼけが低減し,像のSN比が向上することが分った.1.通常型電子顕微鏡(CTEM)像のディジタル化:前年度に構築した画像修復システムを用いて、写真記録した実際のCTEM像をディジタル化し,コンピュータに取り込んだ.写真フィルムおよび取り込みに用いるスキャナの出力が検出電子数に線型でないため,検出電子数とスキャナの出力の関係を測定し,ディジタル化した像の階調の補正を行うことにより処理の精度を高めた.

2.CTEM像の修復:前年度にCTEM像用に拡張し,モデルを用いたシミュレーションにより効果を調べた,ノイズのランダム空間分布条件を取り入れた新しい最大エントロピー法(MEM)を用いて,実際のCTEM像の処理を行った.試料としてフェリチン粒子を用い,大きく焦点ずらししたノイズの多い像を処理した.その結果,MEM処理を行うことにより焦点ずれによるぼけの修復ができ,さらに像のSN比も向上することが分った.同じ視野を正焦点で撮影したノイズの少ない像と比較した結果,フェリチン粒子の有無や位置が正しく修復されていることが分った.3.走査透過電子顕微鏡(STEM)像の修復:前年度に行った,SN比の低い明視野STEM像の修復によるショットノイズの低減に引き続いて,比較的SN比の高い暗視野STEM像にMEMを適用し,電子プローブの広がりによるぼけに対するMEMの効果を調べた.試料としては,従来MEMが有効に適用できなかった広がった物体であるフェリチン粒子を用い,直径6.2nmの比較的大きな電子プローブを用いて像を記録した.この大きなプローブ径のために,本来直径7nmであるフェリチン粒子が像では12nmの直径に観察された.この像に新しいMEMを適用することにより粒子径は9.8nmに減少し,処理前には分離されていなかった粒子が明確に分離できた.以上の結果から,MEMを用いた修復により解像度を向上できることが実証できた.
陽子崩壊と宇宙ニュートリノの探索

昭和62年より観測を始めた太陽ニュートリノは、最終結果を得た。種々の系統誤差を評価した後、最終的に得た太陽ニュートリノの強度の実験値は理論の約0.46倍であった。この消えた太陽ニュートリノの問題は、なぜ少いのかが完全に理解されれば素粒子物理学または天文学に一大変革をもたらす可能性のある重大問題である。この問題の解決の糸口を求めて、本年度は解析プログラムの改良と、できるかぎり長時間のデータ収集につとめ、デーマの質・量共に前年度までに得られた予備的結果より約2倍程度の改良を得た。この改良されたデータを用いて、アメリカのディビスらの太陽ニュートリノ実験で示唆されている太陽ニュートリノ強度の太陽活動との相関を調べたが、現在までの所特に強い相関は見えていない。大気ニュートリノの解析を詳細におこなった。このテーマに関してはすでに一度発表しているが、さらにデータを増し、また近年の詳細な理論計算による大気ニュートリノの強度から予想されるイベント数と、実験的に観測されたイベント数を比べた。その結果、大気ニュートリノのうち電子ニュートリノ成分はほぼ予想される頻度で観測されているが、ミューニュートリノ成分は予想の約60%しか来ていないことを再確認した。ニュートリノ振動の可能性が強く、今後も重点的に研究を続ける。宇宙の暗黒物質の探索は最終的結果を得た。暗黒物質が重い電気的に中性の粒子であると、それらは太陽中に捕獲され、対消滅によって、高エネルギーニュートリノが発生するはずであるが、実験データ中には、有意な信号はなかった。この結果、理論的に考えられる数種の暗黒物質の候補の質量に制限をつけた。この結果は世界にある同様の結果のうち最もきびしい制限をつけるものであり、また最も詳細な検討に基づいている。
加齢に伴うTリンパ球のサブセットの変動と感染による修飾:各種インターロイキンの産生とそのmRNAの変化

加齢変化:各年齢のヒトおよびマウスの末梢血中あるいは脾臓中のTリンパ球について膜表面抗原を用いフローサイトメトリーにて解析を行った。CD4陽性Tリンパ球サブセット(ナイーブおよびメモリーTリンパ球)に着目するとナイーブTリンパ球は加齢に伴い減少するのに反して、メモリーTリンパ球は加齢に伴い増加した。この結果はヒトもマウスも同ど結果であった。感染時の変化:老若齢マウスにTrypanosoma Musculi(T.m.)を腹腔内接種し感染モデル実験を行った。T.m.感染により脾腫を生じた脾細胞内では、CD4陽性Tリンパ球数の増加を認めた。感染に伴いCD4陽性Tリンパ球サブセットではナイーブTリンパ球の減少、メモリーTリンパ球の増加が認められた。この傾向をナイーブ/メモリーの比率で検討するとT.m.に対し抵抗性の弱い系統の若齢マウスで著明な減少を認め、抵抗性の強い系統のマウスでは減少の程度が鈍かった。老齢群では既にナイーブTリンパ球の減少が加齢変化として生じていることから若齢マウスのような大きな変化となって現れず、感染に対する生体反応も軽度であったが抵抗性は低下していた。一方、インターロイキンの産生能は感染後IL2産生能が著しく低下したがIL2/IL4の産生能比が必ずしもナイーブ/メモリーTリンパ球比を反映はしていなかった。ナイーブ/Th1タイプTリンパ球の数が多いこと、感染後の減少が少ないことが感染に対して抵抗性を示した。以上の結果より、ナイーブ/Th1タイプとメモリー/Th2タイプTリンパ球の変動が加齢に伴う免疫機能の低下および感染症などの発生頻度の増加に関係しているTリンパ球の質的変化の一つであることが判明した。
レーザー干渉計型重力波検出器を用いた長時間スケールでのバースト重力波信号の探索

研究課題に挙げた長時間スケールのバースト重力波信号の中で、超軽量のボゾン粒子が源となる重力波信号について研究を進めた。重力波が初めて検出されて以来、新たな重力波源の一つとしてこのボゾン粒子が理論的に提唱されている。これは、高速回転しているブラックホールの周りを存在している粒子が、ある条件下でブラックホールの角運動量を抜き取るsuperradianceと呼ばれる現象である。信号のタイムスケールは、典型的な重力波源であるブラックホール連星に比べて非常に長く、既存の解析とは違う手法が必要になる。このように特徴的な重力波が外部に放出されるため、その重力波を検出できれば新粒子の証拠をつかむことができる。重力波を使い未だ検出されていない新粒子の探査を行うことができ、検出に成功すれば標準理論を超えた素粒子理論の強い示唆にもなり、現代物理において非常に重要である。昨年度は探査のための解析プログラムを作成し、アメリカの重力波検出器LIGOの第一次観測期間のデータによる探査を行い、結果を論文にまとめた。検出には至らなかったが、それにより粒子の質量に関する間接的制限を課すことができた。一方で、この探査はブラックホールの分布に関する仮定などに基づいたもので、探査手法の改良が今後必要になると思われる。理論モデルは既存の学説に修正を加えたものではあるが、その探査は未だ行われていなかったもので、それを最初に行った意義深い研究になったと実感している。研究結果は、日本物理学会やLIGOコラボレーションの研究会でも発表済みであり、重力波を用いた新粒子探査の可能性を示すことができたと言える。論文は現在Physical Review Dに投稿済みで査読中である。昨年度で最初の論文を投稿することを目標としていたので、それは達成することができた。現在はさらなる改良のために、カリフォルニア工科大に渡航し研究を行う予定であり、当初の予定どうりに進むことができていると思っている。同じボゾン粒子の探査を行っているカリフォルニア工科大のグループと共同で探査を行い、より包括的な手法でパラメータに制限をかけることを目指している。
グローバル時代における漁業法政策の日韓比較研究―国際規範の受容と伝統的秩序の変動

近年日本は、漁業に関して厳しい状況にある(国際的批判・措置の頻発、漁獲量の減少傾向、漁業就労人口の減少・高齢化等)が、韓国は異なる。ゆえに、漁業に関する国際規範の受容と伝統的秩序の変動という視点で、韓国の研究者と協力し、日本との比較で韓国の漁業法政策の構造と特徴を明らかにし、国際的な公益とされる「生態系に配慮した持続可能な漁業」の実現に照らして評価し、日本にとり有益な示唆を得る。また、両国が東アジア地域及び地球規模で持続可能な漁業の発展に資するための方途を探ると共に、日韓で漁業に係る社会科学系の学術ネットワークを構築し、将来の東アジア・環太平洋地域の学術交流に係るプラットフォーム作りに繋げる。