hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
基板上のマイクロ・アクチュエーターとマイクロ・センサーの力学挙動シミュレーション

次世代デバイスとして注目されている微小電子配線と微小アクチュエーターを組み合わせたマイクロコンポーネントの強度特性を明らかにするため,力学解析と強度実験によりピエゾ薄膜材料の変形・破壊特性を明らかにすることを目的としている.ピエゾ材料の基本的な亀裂問題についての解析解の導出についての論文(雑誌論文3報)が掲載された.また,(1)ピエゾ薄膜材料の界面端特異応力場解析,(2)ピエゾ薄膜材料の基板からの剥離実験を行っている.(1)については、フリーエッジ効果による応力拡大の解析解を導くことに成功し,その成果を国際会議で発表している.とくに,応力のべき乗について正確な解を得ている.(2)については,微小荷重負荷試験装置を用いて膜厚1μm前後のピエゾ薄膜の界面端き裂発生実験を行い,き裂発生の力学条件を明らかにしている.とくに,上述の特異場解析と総合して,破壊力学概念をベースとして界面じん性を評価しているところに特徴がある.この成果を国際会議で発表している.(1)(2)について,さらに検討を深めて雑誌に論文投稿を行っている.現在は,(3)分子動力学法によるPZT薄膜内部応力評価の研究を進めている.とくに,解析の鍵となる原子間ポテンシャルについて,シェル・モデルの妥当性を評価するとともに,その改良を行っている.次世代デバイスとして注目されている微小電子配線と微小アクチュエーターを組み合わせたマイクロコンポーネントの強度特性を明らかにするため、力学解析と強度実験によりピエゾ薄膜材料の変形・破壊特性を明らかにすることを目的としている。本年度は、(1)ピエゾ材料の基本的な亀裂問題についての解析解の導出、(2)有限要素法によるピエゾ材料の亀裂解析の準備と基本問題への適用、(3)ピエゾ薄膜材料の作製、を行った。特別研究員Shang氏は昨年8月に来日したが、直ちに精力的な研究を開始し、すでに実績をあげつつある。(1)については、熱ピエゾ弾性亀裂問題の解析解を導くことに成功し、その成果をJournal of Theoretical and Applied Fracture Mechanics (Part I)に投稿している。(2)については、既存ソフトウエアを大幅に改造し、本研究の目的であるピエゾ薄膜の破壊力学解析に適用できるようにした。さらに、(1)の問題に適用してその成果を別報として投稿中(Part II)である。来日時期の関係から、現時点までには口頭発表はないが、成果は充分あげており、(1)(2)について次年度の国際会議における発表を準備中である。(3)については、本学の既存設備を用いて膜厚1μm3μmのピエゾ薄膜の作製に成功している。現在は、既存の微小荷重負荷装置を用いた試験より界面端からの亀裂発生を観察するため、上記製作薄膜から微小材料強度試験片の加工に取組んでいる。また、フリーエッジ効果による試験片界面端近傍の応力特異場を支配する破壊力学パラメータとの関連性についての解析を行っている。次世代デバイスとして注目されている微小電子配線と微小アクチュエーターを組み合わせたマイクロコンポーネントの強度特性を明らかにするため,力学解析と強度実験によりピエゾ薄膜材料の変形・破壊特性を明らかにすることを目的としている.ピエゾ材料の基本的な亀裂問題についての解析解の導出についての論文(雑誌論文3報)が掲載された.また,(1)ピエゾ薄膜材料の界面端特異応力場解析,(2)ピエゾ薄膜材料の基板からの剥離実験を行っている.(1)については、フリーエッジ効果による応力拡大の解析解を導くことに成功し,その成果を国際会議で発表している.とくに,応力のべき乗について正確な解を得ている.(2)については,微小荷重負荷試験装置を用いて膜厚1μm前後のピエゾ薄膜の界面端き裂発生実験を行い,き裂発生の力学条件を明らかにしている.とくに,上述の特異場解析と総合して,破壊力学概念をベースとして界面じん性を評価しているところに特徴がある.この成果を国際会議で発表している.(1)(2)について,さらに検討を深めて雑誌に論文投稿を行っている.現在は,(3)分子動力学法によるPZT薄膜内部応力評価の研究を進めている.とくに,解析の鍵となる原子間ポテンシャルについて,シェル・モデルの妥当性を評価するとともに,その改良を行っている.
樹幹含水率・樹液流量・辺材圧ポテンシャルの同時計測

屋外で成育中の成木を測定対象として三種類の樹幹水分通道特性データを得た。カラマツ、スギ、トドマツ、ミズナラ、シラカンバを対象に、樹幹含水率のモニタリングを継続した。カラマツ、スギを対象に、冬季間を除いた成長期間における樹液流量のモニタリングを継続した。29年夏から継続してカラマツを対象に、また30年春からはスギを対象に加え、辺材圧ポテンシャルのモニタリングを継続した。カラマツとスギについては、同一個体から三種類の樹幹水分通道特性データを得た。カラマツとトドマツについては、9月初旬の台風により激甚な風倒被害を被ったため、これら樹種についての測定が不可能となった。昨年度の結果から本研究で採用した方法で辺材の圧ポテンシャルが測定可能であることがわかったため、本年度は対象樹種を増やして樹種間での差異の検討を行った。これまでのデータ解析では、スギはカラマツより圧ポテンシャルの日変動が小さいこと、気象条件等周囲環境の変動に伴う樹幹の直径変動パターンがカラマツとスギではやや異なることが示された。また、成長開始期に測定を始めることができたため、概ね一成長期に渡ってデータを収集することができた。一方、本研究の方法では樹皮を剥いで装置を設置することが必要であるが、成長が旺盛な個体では剥皮部付近からのカルスやカルスから分化した組織が剥皮部を覆うように成長することから、本研究の方法では継続的な測定期間は一成長期程度であることがわかった。データ解析を進め樹幹含水率の変動に影響する外的要因の考察を進めた。北海道の通常の気象条件下では、樹液流量の変動は外的気象要因であるvapour pressure deficitを用いて代替可能であることが示唆された。30年度は樹種を増やして4月、すなわち成長開始期、からの通年での樹幹含水率・樹液流量・辺材圧ポテンシャルの同時計測を行い、樹種による違いの有無を観察する計画としていた。ところが、9月に試験地を襲来した台風により供試木が風倒し測定継続が不可能になるという事件が発生した。しかしながら、蒸散および樹液流動がもっとも大きいと考えられる夏季には概ね継続してデータが採取でき、結果的に辺材圧ポテンシャルに樹種間差が認められ、今後の研究の発展につなげることが可能となったので、総合的には概ね順調という評価とした。30年度の研究成果として、カラマツとスギの間に辺材圧ポテンシャルとその日変動の樹種間差が認められた。31年度は辺材圧ポテンシャル測定対象として新たにトドマツを供試して、樹種による違いとその要因をさらに検討する。樹幹含水率の季節変動と、気象要因や辺材圧ポテンシャルの季節変動との関係について解析を進める。これまで長期間にわたる観測データから、三種類の水分通道特性の季節変動の年次間差についても検討を進める。以上のとおり、31年度は、これまでに引き続きデータの蓄積を進めることと、蓄積したデータの解析により測定法の問題点を洗い出すことにより三種類の水分通道特性測定法の確立に寄与すべく、研究を推進することとしたい。樹木樹幹の水分通道性をin situかつin vivoで高い時間解像度で長期間連続的に計測してその解析を発展させることによって、簡易な方法による水分通道性の評価法の確立を目指すために、樹幹含水率・樹液流量・辺材圧ポテンシャルという三種類の水分通道特性のモニタリングを行った。平成29年度は、これまでの研究から継続して樹幹含水率と樹液流量の連続計測を実施し、さらに辺材圧ポテンシャル計測法を開発してカラマツを材料として試行し、三種類の水分通道特性の同時計測を開始した。樹幹含水率については、これまで取り組んできた針葉樹3種(スギ、カラマツ、トドマツ)に加え、水分通道特性が大きく異なると考えられる広葉樹2種(ミズナラ、シラカンバ)を研究対象に加えた。辺材圧ポテンシャルは、装着法に工夫を加えた直径デンドロメータを利用して辺材幅の変動を計測することによって行なった。辺材幅変動を辺材圧ポテンシャルに変換するために測定対象木から得た試料のヤング係数を実測した。供試木の樹冠内に温湿度計を設置して、vapor pressure deficit (VPD)の計測を実施した。三種類の水分通道特性と気象条件は研究期間を通し10分間隔で計測した。辺材幅の変動は、気象条件(気温、VPD、アメダスデータによる降水量)と樹幹含水率と樹液流量の変動とよく対応していた。辺材幅の日変動と樹幹ヤング係数から計算した辺材圧ポテンシャルの値と日変化量は、これまで観測・推定されている値と同程度であった。圧ポテンシャル測定機器の熱膨張・収縮の補正、樹幹含水率測定におけるノイズの除去、樹液流量測定における誤差の低減などの計測手法の改良が必要なものの、上記の結果からは本研究で開発した方法で辺材の圧ポテンシャルの長期間連続計測が可能となったと結論できる。辺材圧ポテンシャル計測の試行が成功したと判断できること、樹幹含水率と樹液流量モニタリングのデータが順調に蓄積できていること、により研究の主要部分は順調に推移しているとできる。試行を順調に実施できたため、辺材圧ポテンシャル計測機器の細部仕様を早期に決定することが可能となったが、この点についてプラスに評価できる。研究計画に比べ予算減となったために計画していた機器の購入が不可能となったため、針葉樹の対象樹種の拡大とプレッシャーチャンバー法によるシュートの水ポテンシャル計測を断念したことは、マイナスの評価となる。

以上を勘案して、全体的には研究の進捗は概ね順調と評価した。屋外で成育中の成木を測定対象として三種類の樹幹水分通道特性データを得た。カラマツ、スギ、トドマツ、ミズナラ、シラカンバを対象に、樹幹含水率のモニタリングを継続した。カラマツ、スギを対象に、冬季間を除いた成長期間における樹液流量のモニタリングを継続した。29年夏から継続してカラマツを対象に、また30年春からはスギを対象に加え、辺材圧ポテンシャルのモニタリングを継続した。カラマツとスギについては、同一個体から三種類の樹幹水分通道特性データを得た。カラマツとトドマツについては、9月初旬の台風により激甚な風倒被害を被ったため、これら樹種についての測定が不可能となった。昨年度の結果から本研究で採用した方法で辺材の圧ポテンシャルが測定可能であることがわかったため、本年度は対象樹種を増やして樹種間での差異の検討を行った。これまでのデータ解析では、スギはカラマツより圧ポテンシャルの日変動が小さいこと、気象条件等周囲環境の変動に伴う樹幹の直径変動パターンがカラマツとスギではやや異なることが示された。また、成長開始期に測定を始めることができたため、概ね一成長期に渡ってデータを収集することができた。一方、本研究の方法では樹皮を剥いで装置を設置することが必要であるが、成長が旺盛な個体では剥皮部付近からのカルスやカルスから分化した組織が剥皮部を覆うように成長することから、本研究の方法では継続的な測定期間は一成長期程度であることがわかった。データ解析を進め樹幹含水率の変動に影響する外的要因の考察を進めた。北海道の通常の気象条件下では、樹液流量の変動は外的気象要因であるvapour pressure deficitを用いて代替可能であることが示唆された。30年度は樹種を増やして4月、すなわち成長開始期、からの通年での樹幹含水率・樹液流量・辺材圧ポテンシャルの同時計測を行い、樹種による違いの有無を観察する計画としていた。ところが、9月に試験地を襲来した台風により供試木が風倒し測定継続が不可能になるという事件が発生した。しかしながら、蒸散および樹液流動がもっとも大きいと考えられる夏季には概ね継続してデータが採取でき、結果的に辺材圧ポテンシャルに樹種間差が認められ、今後の研究の発展につなげることが可能となったので、総合的には概ね順調という評価とした。辺材圧ポテンシャル計測の試行が期待以上の結果となったことから、30年度当初より辺材圧ポテンシャルの対象樹種を拡大し、スギに対して適用を図る。辺材圧ポテンシャル・樹幹含水率・樹液流量計測に伴う測定誤差を低減するための補正や装置装着法の検討を進める。三種類の水分通道特性の計測のためには樹幹を傷つける必要があるが、これが水分通道特性に及ぼす影響を評価する。研究計画で計画した機器が予算不足で購入できないことについては今後代替の方策を検討する。30年度の研究成果として、カラマツとスギの間に辺材圧ポテンシャルとその日変動の樹種間差が認められた。31年度は辺材圧ポテンシャル測定対象として新たにトドマツを供試して、樹種による違いとその要因をさらに検討する。樹幹含水率の季節変動と、気象要因や辺材圧ポテンシャルの季節変動との関係について解析を進める。これまで長期間にわたる観測データから、三種類の水分通道特性の季節変動の年次間差についても検討を進める。
よく噛むことは大脳皮質一次運動野・感覚野ホムンクルスの生後発達に影響を与えるか

近年、食育に関心が高まっており、よく噛むことへの重要性が認識されている。一方、日本人において歯科矯正治療への期待は歯の排列のみのことが多く、咬合の重要性は理解されにくい。今まで、成長期における不正咬合が全身に与える影響について様々に検討されてきたが、食感に関する情報が投射し処理される大脳皮質運動野・感覚野に関しては不明な点が多い。したがって、本研究の具体的な目的は、「不正咬合が大脳皮質の発達に与える影響を解明」ことである。液状飼料飼育に対し、電気生理学的手法を用い、成長期における不正咬合の影響を中枢から捉えていくことが本研究の独創的な点であり、研究結果は歯科領域のみならず、成長期の食生活指導において非常に有意義なものであると考える。本年度は、成長期における大脳皮質一次運動野におけるホムンクルスの発達を検討する目的で、大脳皮質一次運動野に刺激を与え、それに対する顎二腹筋・オトガイ舌筋活動について検討を行った。その結果、59週齢ラットにおいて一次運動野におけるホムンクルスは拡大されること、911週齢においてホムンクルスは大きさが変化しないことが示された。3、4週においては記録を取ることはできたものの、安定しない結果となった。また、大脳皮質一次運動野と重複する部位を持つ咀嚼野の発達及び液状飼料飼育の影響を捉える為、咀嚼野(A area及びP area)に対し、電気生理学的手法により刺激を与え、それに対する顎二腹筋、咬筋の活動について検討を行った。その結果、511週齢において液状飼料飼育群は対照群に比較し、顎運動、筋活動の面から機能低下が示された。本年度は、実験方法確立のため、成長期ラットを実験動物とし、成長期における大脳皮質一次運動野におけるホムンクルスの発達を検討する目的で、大脳皮質一次運動野に刺激を与え、それに対する顎二腹筋・オトガイ舌筋活動について検討を行った。その結果、79週齢ラットにおいて一次運動野におけるホムンクルスは拡大されること、911週齢においてホムンクルスは大きさが変化しないことが示された。以上の結果を踏まえ、現在は離乳直後の35週齢ラットにおける一次運動野におけるホムンクルスの発達について検討を行っている。また、成長期における大脳皮質一次感覚野の口腔領域に関する機能局在の変化についても検討を開始している。一次運動野におけるホムンクルスの発達を検討する記録手技獲得においては、成獣ラットでは確立されている。そのため、後期成長期である、79週齢においては実験を行うことができた。しかし、35週齢については体と共に脳の体積も小さくなるため、記録手技の獲得には時間を要している。以上の結果を踏まえ、現在は離乳直後の液状飼料飼育における一次運動野におけるホムンクルスの発達について検討を行っている。また、成長期における大脳皮質一次感覚野の口腔領域に関する機能局在の変化についても検討を開始しているが、結果が安定しない。そのため、後期成長期である、79週齢においては実験を行うことができていた。

しかし、本年度になり5週齢については安定した記録を取ることができるようになったが、34週齢については体と共に脳の体積も小さくなるため、記録手技の獲得には時間を要しており、今後は実験群の記録を取りながら検討を行う。近年、食育に関心が高まっており、よく噛むことへの重要性が認識されている。一方、日本人において歯科矯正治療への期待は歯の排列のみのことが多く、咬合の重要性は理解されにくい。今まで、成長期における不正咬合が全身に与える影響について様々に検討されてきたが、食感に関する情報が投射し処理される大脳皮質運動野・感覚野に関しては不明な点が多い。したがって、本研究の具体的な目的は、「不正咬合が大脳皮質の発達に与える影響を解明」ことである。液状飼料飼育に対し、電気生理学的手法を用い、成長期における不正咬合の影響を中枢から捉えていくことが本研究の独創的な点であり、研究結果は歯科領域のみならず、成長期の食生活指導において非常に有意義なものであると考える。本年度は、実験方法確立のため、成長期ラットを実験動物とし、成長期における大脳皮質一次運動野におけるホムンクルスの発達を検討する目的で、大脳皮質一次運動野に刺激を与え、それに対する顎二腹筋・オトガイ舌筋活動について検討を行った。その結果3、4週においては記録を取ることはできたものの、安定しない結果となった。さらに、大脳皮質に存在する咀嚼野の発達を検討とする目的で、大脳皮質咀嚼野に刺激を与え、それに対する顎二腹筋・オトガイ舌筋の活動及び顎運動の軌跡について検討を行うため、手技の確立を行うことを開始した。以上の結果を踏まえ、現在は離乳直後の液状飼料飼育における一次運動野におけるホムンクルスの発達及び咀嚼野の発達について検討を行っている。一次運動野におけるホムンクルスの発達を検討する記録手技獲得においては、成獣ラットでは確立されている。そのため、後期成長期である、79週齢においては実験を行うことができていた。しかし、本年度になり5週齢については安定した記録を取ることができるようになったが、34週齢については体と共に脳の体積も小さくなるため、記録手技の獲得ができなかったを。また、咀嚼野の記録に関しては、筋電図に関してはすぐに記録が安定したが、咀嚼経路の解析の為の機材導入に手間取り、手技獲得に時間がかかった。本年度は、成長期における大脳皮質一次運動野におけるホムンクルスの発達を検討する目的で、大脳皮質一次運動野に刺激を与え、それに対する顎二腹筋・オトガイ舌筋活動について検討を行った。その結果、59週齢ラットにおいて一次運動野におけるホムンクルスは拡大されること、911週齢においてホムンクルスは大きさが変化しないことが示された。3、4週においては記録を取ることはできたものの、安定しない結果となった。
胎児ＧＣ曝露に及ぼす環境化学物質の影響評価とヒト胎盤ＨＳＤ１１Ｂ２の関与

ヒト胎児への活性型GC (コルチゾール)曝露に影響を及ぼす化学物質の評価系を構築するために、まずヒト胎盤に発現し、NAD(+)依存的にコルチゾールから不活性型GCであるコルチゾンへの代謝を触媒するヒトHSD11B2発現細胞株の作製を試みた。ヒトHSD11B2のmRNAコーディング配列は、極めてGCリッチであるため、発現細胞作製にあたり、コドンの最適化を行った上で発現ベクターを構築した。この発現ベクターをHEK293細胞中にトランスフェクションしたところ、コントロールと比較して一過性に発現させたHEK293細胞には高いHSD11B2活性が検出されたため、G418で発現細胞を選択し、当初目的としていた安定的にHSD11B2活性を持つ細胞株を得ることに成功した。また、このHSD11B2とは別に、NADP(+)依存的にコルチゾールからコルチゾンへの代謝を触媒している可能性が推定され、かつ、ヒトではHSD11B2の発現が見られない脳内に高発現しているHSD11B3 (HSD11B1L)についても、HSD11B2と対比させて化学物質の影響を検討する目的で、HSD11B2と同様に発現細胞株の作製を試みたが、現在のところまだ活性の検出には至っていない。しかしながら、HSD11B1Lについてはその配列情報を元に、Real-time PCR法による定量法の構築に成功し、その体内分布について検討を行ったところ、mRNAレベルでの発現量は、他の報告通り脳に多く発現していることが確認できたが、脳以外の組織でも胎盤や卵巣、精巣といったステロイド産生またはターゲット組織に発現しており、その発現量としてはHSD11B2よりむしろ多いことを明らかにした。ヒト胎児期の胎盤栄養膜中に発現し、母胎から胎児へのcortisol曝露から胎児を保護していると考えられるHSD11B2は、NAD+-依存的にcortisolからcortisoneへの代謝を触媒する。本研究での第1ターゲットはこのHSD11B2分子であり、これまでにヒトHSD11B2発現ベクターをHEK293細胞にトランスフェクションし、72 hr後の培養液中に[4-14C]cortisolを添加することで、対応するcortisoneへの代謝を確認した。乳ガン由来細胞株であるMCF-7もHSD11B2を発現しており、培養細胞メディウム中に[4-14C]cortisolを添加することで、同様にcortisoneへの代謝を確認した。MCF-7ではHSD11B2の転写がPKAを介したシグナル伝達系で誘導される一方で、PKCを介したシグナルで抑制されることが知られており、HSD11B2の転写調節を指標とするのに適した細胞系であることがわかった。近年、生体内でのcortisol代謝に関与する新規酵素として、Type3型HSD11BアイソザイムであるヒトHSD11B1L (SCDR10B)の脳内での発現が報告された。この、ヒトHSD11B1Lの発現量をReal-time PCRで定量する系を構築し、ヒト生体内における発現分布を調べたところ、ヒト小脳および海馬領域に極めて多く発現していることが判明し、さらに発現レベルはそれほど高くはないものの精巣、腎臓、卵巣、胎盤、副腎等のステロイド産生または標的組織にも比較的広範囲に発現していることが明らかになった。ヒトHSD11B1Lには多くのトランスクリプトパリアントの存在が報告されており、今後さらに活性発現との関連性を検討する必要があるが、このHSD11B1Lも第2のターゲットとして検討して行く必要性を確認するに至った。ストレスホルモンであるコルチゾールは、脂溶性のため胎盤を容易に通過し母体から胎児側へと移行する。しかし胎児にとって高濃度のコルチゾールに曝されることは、正常な発育を妨げることになり、特に近年、子宮内発育不全で出生した子供では若年性成人病発症リスクが高くなることが明らかになり問題視されるようになった。胎盤の栄養膜中には、コルチゾールからグルココルチコイド受容体との親和性が低い不活性型のコルチゾンへの代謝を触媒する酵素であるHSD11Bアイソザイムが発育ステージ依存的に発現しており、これにより胎児へのコルチゾール曝露を防いでいると考えられている。活性型のコルチゾールからコルチゾンへの代謝を触媒するのは、タイプ2型のHSD11B2アイソザイムと考えられているが、近年体内では新規タイプ3型のアイソザイム(HSD11B1L)も同様の触媒活性を持つことが推定されつつある。本研究の目的は、これらの酵素活性または発現を抑制するような環境中の化学物質の推定にあり、HSD11B2を第一ターゲットとして環境化学物質の評価系の構築を試みてきたが、ヒトの培養細胞を用いた評価系として十分な酵素活性を持った評価システムを構築するには至っていなかった。そこでヒトHSD11B2遺伝子のコドンの最適化を行い、再度十分な酵素活性を持つ評価系構築を試みた結果、現在活性発現を確認し評価系として再構築中である。一方でヒトにおけるHSD11B1Lについては、10種類の転写バリアントの存在がわかっているが、これらの中で酵素活性を持つことが推定される3種に絞り発現の検討を行っている。

これまでヒトの脳内に特異的に発現していると考えられてきたHSD11B1Lは、性腺や胎盤中にも多く発現しており、これらの発現がバリアントの種類に依存している可能性を見いだすに至った。平成23年度の当初の予定は、ヒト胎盤由来の細胞株(JEG3およびBeWo)を用いたCortisol代謝に及ぼす影響スクリーニング系の構築と最適化である。そこでまずJEG3およびBeWo細胞を購入し、それぞれの安定培養条件確立を行った。本研究のターゲットであるHSD11B2 mRNAが発現していることを確認するため、両細胞からtotal RNAを抽出し、逆転写後にHSD11B2の特異的primerを用いてRT-PCRを行った。その結果、JEG3細胞においてその発現を確認したがBeWo細胞には発現が認められなかった。次に、HSD11B2活性に基づくcortisolの代謝を[4-14C]cortisolをトレーサーとして用いることで検出した。すなわち、24ウェルプレートにJEG3細胞を播種し、培養液中にHSD11B2の基質としてトレーサーを添加して一定時間培養した後、残存基質と代謝物である[4-14C] cortisoneをTLCで分離し、それぞれの放射能をTyphoon 9410システムで画像解析することで、JEG3細胞中のcortisol代謝活性を算出する方法を構築した。この方法により、かなり高感度なcortisol代謝活性を検出することが可能となったが、その活性は相当弱いことが分かった。さらにJEG3細胞は、HSD11B2と逆方向(cortisone→cortisol)へと代謝するHSD11B1をmRNAレベルでほとんど発現していないことがRT-PCR法で確認され、HSD11B2活性は極めて低いが、JEG3細胞を各種化学物質がHSD11B2へ及ぼす影響のスクリーニングに使用することが可能であると考えられた。ヒト胎児への活性型GC (コルチゾール)曝露に影響を及ぼす化学物質の評価系を構築するために、まずヒト胎盤に発現し、NAD(+)依存的にコルチゾールから不活性型GCであるコルチゾンへの代謝を触媒するヒトHSD11B2発現細胞株の作製を試みた。ヒトHSD11B2のmRNAコーディング配列は、極めてGCリッチであるため、発現細胞作製にあたり、コドンの最適化を行った上で発現ベクターを構築した。この発現ベクターをHEK293細胞中にトランスフェクションしたところ、コントロールと比較して一過性に発現させたHEK293細胞には高いHSD11B2活性が検出されたため、G418で発現細胞を選択し、当初目的としていた安定的にHSD11B2活性を持つ細胞株を得ることに成功した。また、このHSD11B2とは別に、NADP(+)依存的にコルチゾールからコルチゾンへの代謝を触媒している可能性が推定され、かつ、ヒトではHSD11B2の発現が見られない脳内に高発現しているHSD11B3 (HSD11B1L)についても、HSD11B2と対比させて化学物質の影響を検討する目的で、HSD11B2と同様に発現細胞株の作製を試みたが、現在のところまだ活性の検出には至っていない。しかしながら、HSD11B1Lについてはその配列情報を元に、Real-time PCR法による定量法の構築に成功し、その体内分布について検討を行ったところ、mRNAレベルでの発現量は、他の報告通り脳に多く発現していることが確認できたが、脳以外の組織でも胎盤や卵巣、精巣といったステロイド産生またはターゲット組織に発現しており、その発現量としてはHSD11B2よりむしろ多いことを明らかにした。
身体共役系に基づく身体像拡張の機序解明とモデル化

本研究における身体像拡張の機序解明とモデル化の研究において,研究期間の最終年度となる2018年度は,これまでに開発した身体拡張機構・バーチャルリアリティ環境を活用しながら,認知心理的な観点からの機序解明とモデル化を目指した研究を行った.身体拡張機構としては,ウェアラブルロボティクス技術を活用して,身体に装着したロボットアームを,足などの多様な身体部位の運動にマッピングして操作するシステムの研究を継続し,こうした身体共役系の構築によって多くの被験者が短期間で拡張された身体を操作可能となることを確認した.更に他者の身体の一部をロボットアームにマッピングすることで,複数のユーザに跨がる身体共役系が構築可能であることについても実証した.また,身体共役系の機序解明とモデル化をおこなうため,バーチャル環境において人間と同じ四肢を備えたアバターを用意し,三次元モーションキャプチャ装置を用いて実環境におけるユーザの全身運動とマッピングすることで,自己所有感・運動主体感が生じることを確認するとともに,アバターの身体として手先・足先といった身体の局所的な要素のみを残した条件において,自己所有感・運動主体感がどのように変化するか実験した.こうした認知心理的な検証を通じて,身体共役系における新たな身体像を獲得する機序に関し理解を深めた.そして自己所有感・運動主体感を生起させる身体共役系のための適切なマッピングモデルを構築した.平成30年度が最終年度であるため、記入しない。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本年度は,研究計画の初年度であり,今後の身体共役系の実験設計に必要となる基盤技術の整備を行うことに主眼を置きながら研究の推進を行なった.多様な身体性を持つ操作対象を前提にしながらユーザが能動的に身体を動かした時に発生する感覚を実時間でフェードバックする実験を行なうための基盤として,計算機上のバーチャル環境における一人称アバタと実環境のユーザの間に共役条件を実現するために,次の3つの要素を統合するフレームワークの構築を行なった.1)ユーザの身体情報を取得する3次元計測装置,2)身体性を変更可能なアバタを含むバーチャル環境,3)没入型の視覚情報提示装置.また,今後の実験において身体共役系の設計条件を解明することを目的とした心理物理実験を設計するための基礎技術として,視覚情報提示装置・超音波触覚提示装置・画像撮像装置の位置合わせについても検討を行なった.構築したフレームワークを用いて,バーチャル環境におけるアバタの身体性を三人称視点から提示して胴体部分の透明化によって手足のみの提示としたり,複数のバーチャルな腕部と実環境の腕部を対応付けたりすることによって,操作対象の身体性の変更を行ない,視覚情報のフィードバックを確認しながら,能動的に操作対象を動かすことにより身体像を学習させる実験系の設計を行ない,ユーザと操作対象の間に発生した身体共役系について内観報告と反射動作を計測することによる検討を進めた.研究計画の初年度における進捗状況としては,現在までに身体共役系の実験設計に必要とされるフレームワークの構築を順調に進めており,当初の研究計画において想定していた進捗状況と合致している.また,身体共役系を実環境のユーザとバーチャル環境のアバタの間において構築することによって,効率的に実験の推進を行なうことが行えている.構築したフレームワークを活用した実験を通じて身体性を変化させた条件における共役系の設計に資する知見の獲得を行うための技術的な基盤が整っている状況となったため,今後の研究の進展が期待される.本年度は,身体共役系を実現するため前年度に構築した1)ユーザの身体情報を取得する3次元計測装置,2)身体性を変更可能なアバタを含むバーチャル環境,3)没入型の視覚情報提示装置,というフレームワーク,および心理物理実験のための基礎技術(視覚情報提示装置・超音波触覚提示装置・画像撮像装置の位置合わせ)を活用し,研究分担者がそれぞれ感覚提示ごとに分担して実験を行った.まずユーザが能動的に身体を動かした時について調べた.具体的には,遠隔ロボットの操作やゲーム操作のようなユーザが接触的に対象物を操作する場合である.学習を行わせた後に,そのときのユーザの反応を計測することで自己投射が確立しているかを評価した.次に,受動的に感覚提示された場合に,共役条件を成立させるための身体増の提示を試みた.具体的には,ラバーハンドイリュージョンのように受動的な刺激を受けている条件において,操作対象に対応した身体像を学習できるかを検証した.コンテンツに連動して,感覚情報を提示することで,自己と対象物の間の身体像のマッピングを学習させ,自己投射を検証した.操作対象の身体性の変更について昨年度に引き続き検討を進めた.バーチャル環境におけるアバタの胴体部分の透明化や,バーチャルな腕部と実環境の腕部を対応付けるにとどまらず,装着型のロボットアームを開発することにより実環境においても身体像の編集を試みた.またそのロボットアームの操作を身体の他のどの部位に対応付けると学習しやすいかなど検討した.進捗状況としては,昨年度に構築した実験フレームワークを使用した身体共役系の実験を順調に進めており,当初の研究計画において想定していた進捗状況と合致している.能動的身体動作に続き,受動的身体動作についても順調に実験を開始することができている.そこで得られた知見を活かすことにより,次年度の研究計画を効率的に推進することができる.今年度は、新たな身体に全身を投射する実験条件だけでなく,局所に操作対象を投射している場面においても同様の身体像の学習が可能かを,視触覚提示を用いて検証した.具体的には,ロボットアームを身体に装着し,下肢で操作するシステムを構築した.ロボットアームからの感覚

情報によるフィードバックを下肢で確認しながら,能動的に操作対象を動かすことにより,新たな身体像を学習させることに成功した.また,視覚的に透明な身体に対し,身体像を投射可能か実験を行い,その効果を検証した.昨年度に構築した実験フレームワークを使用した身体共役系の実験を順調に進めており,当初の研究計画において想定していた進捗状況と合致しているだけでなく,新たな拡張身体性や,透明な身体を用いた身体像投射の実験は当初想定されていない成果であり,本研究は予想以上に進捗したといえる.本研究における身体像拡張の機序解明とモデル化の研究において,研究期間の最終年度となる2018年度は,これまでに開発した身体拡張機構・バーチャルリアリティ環境を活用しながら,認知心理的な観点からの機序解明とモデル化を目指した研究を行った.身体拡張機構としては,ウェアラブルロボティクス技術を活用して,身体に装着したロボットアームを,足などの多様な身体部位の運動にマッピングして操作するシステムの研究を継続し,こうした身体共役系の構築によって多くの被験者が短期間で拡張された身体を操作可能となることを確認した.更に他者の身体の一部をロボットアームにマッピングすることで,複数のユーザに跨がる身体共役系が構築可能であることについても実証した.また,身体共役系の機序解明とモデル化をおこなうため,バーチャル環境において人間と同じ四肢を備えたアバターを用意し,三次元モーションキャプチャ装置を用いて実環境におけるユーザの全身運動とマッピングすることで,自己所有感・運動主体感が生じることを確認するとともに,アバターの身体として手先・足先といった身体の局所的な要素のみを残した条件において,自己所有感・運動主体感がどのように変化するか実験した.こうした認知心理的な検証を通じて,身体共役系における新たな身体像を獲得する機序に関し理解を深めた.そして自己所有感・運動主体感を生起させる身体共役系のための適切なマッピングモデルを構築した.本年度は,各大学の研究グループが連携を行ないながら,実験システムの構築と評価手法の確立を目指して研究を推進した.今後の研究推進方針としては,本年度で構築した身体共役系を実現するフレームワークを活用しながら,ユーザの身体動作の部位や,感覚提示部位を変化させながら共役条件の成立を確認していく.また,研究の進展に応じてユーザの能動的な身体動作に対応する感覚情報のフィードバックに使用するモダリティについても柔軟な検討を行なう.自己投射の評価軸については,研究代表者らのこれまでのテレイグジスタンスシステムの開発で培った知見に基づきながら実際の実験設計に応じた検討を続けることで,身体共役系の解明に繋げる.今年度は昨年度から引き続き,能動的および受動的な条件において,共役条件を成立させるための身体像の提示を試みる.全身を投射する受動場面に続き,局部に操作対象を投射している場面においても同様の身体像の学習が可能かを,感覚提示のモダリティ毎に検証する.
航空分野におけるリスク分配メカニズム（契約）に関する研究

航空会社と空港の関係は、対立と協調の関係が共存する多面的な構造を持つ関係の一つで興味深い。両者の間で、収入減等のリスクを分配する契約例(搭乗率保証契約)も存在し、政策面でも、混雑している羽田空港において、国は、航空会社と空港自治体とのリスク分配契約等の提案を、発着枠の配分の参考にしている。本研究は、契約理論、ゲーム理論、交通経済学等に基づき、能登空港の例にも触れつつ、リスク分配契約を適切な内容で結ぶことで、当事者がより努力するインセンティブとして機能し、相手方の努力が見えないことに起因するモラルハザード等の状況を克服し、当該空港の路線利用者を含む関係者全体の厚生水準を高めること等を示した。航空会社、空港等の間の関係は、対立関係と協調関係が共存する複雑で多面的な構造であり、交通経済学、契約理論等の観点から興味深い。個々の主体間で収入等の変動リスクの緻密な管理がより重要になっており、リスク分配メカニズムの契約例(搭乗率保証契約)も複数現れている。リスク分配契約につき、客観的な分析枠組を構築し、当事者、社会全体への影響を考慮することは、交通経済、交通政策上も非常に重要である。最近、欧米において、民営化空港の分割等が検討・実施され、LCCも過去20年程度の間に大きく躍進する中で、学会においても、こうした航空会社と空港の間におけるリスク分配の状況を交通ミクロ経済の観点から分析する事例が出現してきている(Zhang et al. (2010)等)。本研究者は、こうした状況を受け、従前、1空港と1航空会社間等の単純な関係について、リスク分配契約における支払の構造、リスクの分配状況等を客観的に把握し、当事者間のリスク分担の状況と契約を更改の過程を整理。ネットワーク維持の効果等、当該契約の政策上の意義も確認した。今年度においては、これらの成果に基づき、さらに進んで、空港とコンセッションと航空会社へのモデルへの拡張を模索し、国際学会にて中間的成果の発表を行い、今後の進捗に有意義な意見交換を行った。また、1空港と1航空会社間の単純なケースにおける情報の非対称性(両者とも相手の行動が見えない、ダブル・モラルハザードの構造)の下で、線形のリスク分配契約が最適な契約となり得ること、また、そのために必要な条件を確率解析等の手法により具体的に明らかにした。また、平成25年度は、情報の非対称性の下での確率的動的最適化モデルを完成し、査読論文の掲載を確定するに至った。これにより、ダブル・モラルハザードの構造における確率的動的最適化の手法を用いた研究に関しては、一定の成果を得られたと考える。航空会社、空港等の間の関係は、対立関係と協調関係が共存する複雑で多面的な構造であり、交通経済学、契約理論、ゲーム理論等の観点から興味深い。個々の会社等の間で収入リスクの緻密な管理等がより重要になっており、リスク分配メカニズムの契約例(搭乗率保証契約)も複数現れている。リスク分配契約につき、客観的な分析枠組を構築し、当事者、社会全体へのインパクトを考慮することは、交通政策上も非常に重要である。最近、欧米において、民営化空港の分割等が検討され、LCCも大きく躍進する中で、航空会社と空港の間のリスク分配の状況を交通ミクロ経済の観点から、分析する事例が出現している(Zhang et al.(2010)等)。本研究は、こうした状況を受け、従前、1対1の単純な関係について、リスク分配契約における支払の構造、リスクの分配状況と契約の更改の過程を整理。2526年度においては、こうした成果を踏まえ、さらに、空港、コンセッション及び航空会社のモデルへの拡張を模索し、国際学会での中間的な発表で、有益な示唆を得た。また、1空港と1航空会社の単純なケースを、情報の非対称性(両者とも相手の行動が見えないダブル・モラルハザードの構造)の下で、線形のリスク分配契約が最適な契約となり得ること、そのための必要な条件を確率解析等の手法により、具体的に明らかにし、ダブル・モラルハザードの構造における確率的動的最適化モデルを完成して、国際学術誌に掲載した(査読論文)。これらにより、ダブル・モラルハザードの構造における確率的動的最適化の手法を用いた研究、1空港対1航空会社の線形契約に関するリスク分配メカニズムについては、一定の成果を得られたと考える。航空会社と空港の間の関係は、対立関係と協調関係が共存する複雑で多面的な構造であり、交通経済学、契約理論、ゲーム理論等の観点から興味深い。LCCの進展や空港の民営化等により個々の主体間での収入リスクの緻密な管理がより重要になっており、実際に、リスク分配メカニズムの契約例(搭乗率保証契約)も複数現れている。羽田空港の発着枠配分においても、国は、航空会社に自治体とのリスクシェア契約に基づく路線運営の提案を配分決定の参考にしている。本研究は、単純ケース(情報の非対称性がない状況下、1社の航空会社と1つの空港が、1回の交渉を行い、混雑や空港支配力等のないケース)を一部拡張し、情報の非対称性の加味に加え、より現実の状況に近い、ダブル・モラル・ハザード(両者とも相手の行動が見えない構造)の構造下でも、線形のリスク分配契約が最適な契約となり得ること、また、そのために必要な条件を確率解析等の手法により具体的に明らかにした(Hihara(2014))。情報の非対称構造を、リスク分配契約に導入できたことは、リスク分配契約を、契約理論の枠組みにおいて分析する点で、一定程度進めることになったと自負する。

また、Hihara(2014)においては、単純なリスク分配契約の内容として、多期間の内容を含むモデルを構築し、多期間のリスク分配契約への拡張について、確率的な動的計画法の手法(Schaettler and Sung (1993)他)を応用するモデルを構築できた点は、同一の論文ではあるが、理論的にも、情報の非対称性とは別の意味で、一定の成果と考える。最終年度の2015年度においては、従前の研究で得られた知見を踏まえ、当事者間のバーゲニングによっては、社会的に最適な厚生水準が達成し難いとの理論的な分析を得て、それを地球温暖化問題に関する国等当事者間のバーゲニングの文脈で説明する学術書の1章を分担執筆した。航空会社と空港の関係は、対立と協調の関係が共存する多面的な構造を持つ関係の一つで興味深い。両者の間で、収入減等のリスクを分配する契約例(搭乗率保証契約)も存在し、政策面でも、混雑している羽田空港において、国は、航空会社と空港自治体とのリスク分配契約等の提案を、発着枠の配分の参考にしている。本研究は、契約理論、ゲーム理論、交通経済学等に基づき、能登空港の例にも触れつつ、リスク分配契約を適切な内容で結ぶことで、当事者がより努力するインセンティブとして機能し、相手方の努力が見えないことに起因するモラルハザード等の状況を克服し、当該空港の路線利用者を含む関係者全体の厚生水準を高めること等を示した。リスク分配契約は、上述のように、交通政策上も重要で、契約理論の分野でも複数当事者間の交渉についての理論的な研究が進んでおり(Luand Feng (2012)等)、航空分野における応用研究が現実に考慮できる状況にある。先行研究をもとに、航空分野における実態を踏まえ、当面、単純な1対1のケースから、23の航空会社対1空港の関係について、価格、路線ネットワークへの影響等を対象に、より一般的な結論を得るよう分析を進めることを目標としている。こうした目標の下、本研究は、まず、1空港対1航空会社の関係について、リスク分配契約におけるペイオフの構造、リスクの分配状況等を客観的に把握。ネットワーク維持の効果等、当該契約が持つ政策上の意義を確認した。2526年度においては、こうした成果に基づき、さらに、空港、コンセッション及び航空会社の3者構造へのモデルへの拡張を模索し、国際学会、国内学会において、中間的な結果を発表し、今後の研究に有意義な示唆を得た。また、1空港対1航空会社間の単純なケースにおける情報の非対称性(両者とも相手方の行動が見えないダブル・モラルハザードの構造)の下で、線形のリスク分配契約が最適な契約となり得ること、そのために必要な条件を確率的動的解析等の手法により、具体的に明らかにした。また、確率的動的最適化のモデルを完成し、査読論文を国際学術誌に掲載した。また、そのモデルの拡張等についても、学会での報告、意見交換により、有意義な示唆を得た。こうしたことにより、ダブル・モラルハザードの構造における確率的動的最適化の手法を用いた研究については、一定の成果を得られたと考える。これらの理論的な研究の進捗に並行し、国土交通省の航空政策担当者との意見交換も適宜実施しており、基礎的な事実関係、理論的な進捗状況とその概要等について、交通政策審議会への資料等の準備への支援など、一定の貢献を行ってきている。航空政策
次世代半導体プラズマエッチングプロセスのための遷移金属炭化反応の解明と制御

次世代超大規模集積回路(ULSI)におけるゲート絶縁膜材料として注目されている酸化ハフニウム(HfO_2)に注目し、ゲート幅が数十ナノメートルのMOSFETを形成するためのプラズマエッチング技術の確立を目指した。CF_4/ArプラズマにCOもしくはH_2を添加すると、気相中は炭素が豊富な状態となりSiおよびSiO_2のエッチレートは減少するのに対して、HfO_2のエッチレートは増加した。これはHfの炭化物を生成物としてHfO_2がエッチングされている結果であると解釈できる。次世代超大規模集積回路(ULSI)におけるゲート絶縁膜材料として有望視されている酸化ハフニウム(HfO_2)に注目し、ゲート幅が数十ナノメートルのMOSFETを形成するためのプラズマエッチング技術を確立することを目指している。プラズマエッチングでは、多くの場合、非加工物にハロゲン(塩素やフッ素など)を作用させ、揮発物質を生成することによりエッチングを実現している。本研究では、産業分野において扱いやすいと予想されるフルオロカーボンガスを用いてHfO_2基板を加工した。また、ガスに含まれる炭素種の表面反応を理解するために、ダイヤモンド状炭素(DLC)基板表面におけるエッチング反応の解析も行った。CF_4/O_2/ArプラズマによるHfO_2エッチングの特性においては、SiO_2のそれと類似する点があり、CF_4/Arプラズマにおけるエッチング速度を上回る条件が存在することから、炭素や酸素を含む粒子のHfO_2エッチングへの寄与が示唆された。また、DLCのエッチング速度はO_2流量に比例して増大し、DLCは酸素と反応してCO、CO_2、COF_2といった揮発性の高い反応生成物を形成すると考えられる。これまでに、SiやSiO_2上に炭素膜が堆積しながらもHfO_2がエッチングされる条件が多く見いだされているが、この検証のためにCOプラズマによるエッチングも行った。現時点では双方の基板に対して、Arのスパッタ速度よりも低いエッチング速度しか得られておらず、炭素種単独でエッチング反応が進行することはないと思われる。Hfなどの遷移金属と炭素との反応は興味深く、Si基板に対するHfO_2の選択エッチングを実現する上で有用な化学反応である。今後、この反応についてさらに理解を深め、高度なエッチングプロセス制御のための知見を得たいと考えている。エッチングガスにはCF_4/Arを用い、COおよびH_2を添加した。これはCOを添加することにより、あるいはH_2添加の結果得られるFの引き抜き効果により、気相中に炭素が豊富になることを期待したものである。[H_2]/[CF_4]流量比を増加させるとSiおよびSiO_2のエッチレートは減少するのに対して、HfO_2のエッチレートはわずかに増加する傾向が確認された。この状況では、H_2を添加することで、CF_4からFが引き抜かれ炭素が豊富になり、Hfの炭化物を生成物としてHfO_2がエッチングされていると解釈できる。HfO_2のような遷移金属の用途がゲートのみならず記憶素子、あらゆる電極、バリアなどへと広げられる状況から、遷移金属材料のエッチング反応の理解はますます重要になると考えられる。Hf系材料の形成プロセスでは、有機金属錯体等の炭素を含む原料が多く使われており、エッチングにおいて遷移金属を錯体様の物質へと還元する反応過程が存在することに期待したい。
ウニ小割球特異化分子機構の進化

本年度は、派生型ウニがもつ小割球特異化に最重要な分子機構「二重抑制機構」について再考することを目的として、ハスノハカシパンとバフンウニを用いて実験を行った。その結果、間充織細胞の特異化がこれまで考えられてきた遺伝子ネットワークモデルとは明らかに異なるメカニズムで行われていることが示唆された。派生型ウニにおいて、16細胞期の植物極に形成される「小割球」は幼生の骨形成細胞へと分化する。これまで、この小割球が骨形成細胞へと特異化されるプロセスに必要かつ十分である仕組みは、2つの転写抑制因子micro1とhesCによる「二重抑制機構」であると考えられてきた。しかし、昨年度までの我々の研究成果は、そうではない可能性を支持した。そこで、本年度は「二重抑制機構」の重要なコンポーネントであるhesCとmicro1遺伝子に注目して解析を行った。それらの結果から、我々は小割球の骨形成細胞への特異化は次のような分子機構で動かされていると考えている。「hesCは、骨形成細胞と非骨形成細胞の両方の特異化にはたらく遺伝子群を抑制している。micro1は、hesCを抑制することによって小割球領域が間充織細胞へ特異化されることを促すと同時に、非骨形成細胞特異化遺伝子を抑制することによって小割球領域が非骨形成細胞になることを抑制する。」ウニ胚の発生において、最もよく研究されてきたのが小割球領域を含む間充織細胞領域の特異化プロセスであり、これまでに多数の研究者による研究結果によって、詳細な遺伝子ネットワークモデルが構築されてきた。最近は、このモデルによってこの領域の特異化に関わる分子メカニズムはほぼ解明されたと考えられている。しかし、我々は本研究成果から、その中で中核を担うとされてきた「二重抑制機構」の問題点を指摘し、骨形成細胞と非骨形成細胞の特異化プロセス全体を考え直す必要があることを提案する。棘皮動物の中でウニ類のみが16細胞期の植物極に小割球を形成し、その子孫細胞が幼生骨片をつくる。本研究は、ウニ類における幼生骨片形成機構の進化を明らかにすることを目的としている。そのために、現存する中で最も早く(約2.5億年前)に分岐し、かつ小割球形成が厳密に調節されていないことが知られているキダリス目のノコギリウニを含めて、複数の目に属するウニにおける幼生骨片形成機構の概要を調べ、段階的な分子機構進化について議論する計画である。当該年度には、ノコギリウニに加えて、実験所周辺に生息する2種:ツガルウニ(アルバシア目)、オカメブンブク(ブンブク目)と、ガンガゼ(ガンガゼ目)、タコノマクラ(タコノマクラ目)の計5目5種から、既に分子生物学的研究がよく行われているホンウニ目における幼生骨片形成に関わる遺伝子を中心に、初期調節遺伝子オーソログの単離を試み、いずれの種からも48遺伝子の単離に成功した。これまでに、ノコギリウニ、ツガルウニ、オカメブンブクについてはwhole-mount in situ hybridization法により、初期発生を通しておおまかな空間的発現解析を行った。その結果、幼生骨片形成を上流でコントロールするhairy関連遺伝子オーソログの空間的発現パターンが、ツガルウニとオカメブンブクではホンウニ目とよく似ているが、ノコギリウニでは大きく異なることが明らかになった。この結果は、少なくともキダリス目との分岐後、ホンウニ目、アルバシア目、ブンブク目の祖先(これらは約2億年前に分岐したと考えられている)に至るおよそ5000万年の間に、幼生骨片形成を制御するしくみが変化したことを示唆している。今後さらなる幼生骨片形成進化の解明によって、比較的近縁な種の間における細胞特異化メカニズムの上流変化の一例を提示し、進化発生生物学に貢献できることを期待している。本研究では、棘皮動物・ウニ類がもつ小割球系譜の特異化機構がどのように進化したかを探ることを目的としている。我々は、複数のウニ-ウニ類の多くが属する「真ウニ類」の4種(バフンウニ、ツガルウニ、ハスノハカシパン、オカメブンブク)と特徴的な発生を行う祖先型ウニ「キダリス類」のノコギリウニ-から小割球関連遺伝子を単離し、その発現パターンと機能の解析を試みてきた。これまでの遺伝子発現解析の結果は、小割球特異化に重要なメカニズムとして考えられている「二重抑制機構」は真ウニ類に共通しているがキダリス類には無い可能性を示唆していた。本年度は、バフンウニ、ハスノハカシパン、ノコギリウニを用いてhesC遺伝子のノックダウン解析を行い、上の仮説を裏付けることができた。さらに我々は、真ウニ類の間で「二重抑制機構」に関わるメカニズムにいくらかの違いがあることを見いだした。また、本年度新たに行ったノコギリウニの初期卵割期胚の観察は、この種では典型的小割球が形成されないことを明らかにした。初期卵割期胚の割球サイズ・位置の計測を行った結果、ノコギリウニでは比較的小さい割球が真ウニ類と同様に植物極に形成されることが示された。しかし、小さい割球の相対的サイズ及び胚を構成する割球サイズの分布パターンは、真ウニ類のものと明らかに異なっていた。さらに、遺伝子発現レベルでもノコギリウニの比較的小さい割球が、真ウニ類の典型的小割球と異なる特徴を持つことが示唆された。

以上のように、本年度は分子レベル、細胞レベルの両方の視点から、祖先型ウニと真ウニ類のメカニズムが異なることを示唆することができた。本年度は、派生型ウニがもつ小割球特異化に最重要な分子機構「二重抑制機構」について再考することを目的として、ハスノハカシパンとバフンウニを用いて実験を行った。その結果、間充織細胞の特異化がこれまで考えられてきた遺伝子ネットワークモデルとは明らかに異なるメカニズムで行われていることが示唆された。派生型ウニにおいて、16細胞期の植物極に形成される「小割球」は幼生の骨形成細胞へと分化する。これまで、この小割球が骨形成細胞へと特異化されるプロセスに必要かつ十分である仕組みは、2つの転写抑制因子micro1とhesCによる「二重抑制機構」であると考えられてきた。しかし、昨年度までの我々の研究成果は、そうではない可能性を支持した。そこで、本年度は「二重抑制機構」の重要なコンポーネントであるhesCとmicro1遺伝子に注目して解析を行った。それらの結果から、我々は小割球の骨形成細胞への特異化は次のような分子機構で動かされていると考えている。「hesCは、骨形成細胞と非骨形成細胞の両方の特異化にはたらく遺伝子群を抑制している。micro1は、hesCを抑制することによって小割球領域が間充織細胞へ特異化されることを促すと同時に、非骨形成細胞特異化遺伝子を抑制することによって小割球領域が非骨形成細胞になることを抑制する。」ウニ胚の発生において、最もよく研究されてきたのが小割球領域を含む間充織細胞領域の特異化プロセスであり、これまでに多数の研究者による研究結果によって、詳細な遺伝子ネットワークモデルが構築されてきた。最近は、このモデルによってこの領域の特異化に関わる分子メカニズムはほぼ解明されたと考えられている。しかし、我々は本研究成果から、その中で中核を担うとされてきた「二重抑制機構」の問題点を指摘し、骨形成細胞と非骨形成細胞の特異化プロセス全体を考え直す必要があることを提案する。申請書提出時の主な目標は、ノコギリウニとハスノハカシパンに「二重抑制機構」が存在するかを遺伝子機能解析実験から明らかにすることと、他の真ウニ類での「二重抑制機構」関連遺伝子の発現パターンを明らかにすることの2つであった。本年度の実験によってこれらの目標は達成された。これまでに、研究開始時に設定していた「ウニ類で二重抑制機構はどのように進化したか」という問題に答えることができた。今後は、祖先型ウニ・ノコギリウニでの小割球関連メカニズムがどのように真ウニ類のものと違うかを「二重抑制機構」以外の視点から調べる。平行して、真ウニ類の間でのメカニズムの多様性についても注目して研究をすすめる予定である。