hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
形態形成因子Wnt3aのシグナル伝達と拡散に関わるプロテオグリカンの役割

発生過程や生体における恒常性の維持において、Wntシグナルの厳密な調節が重要であるが、その分子機構の詳細は明らかでない。本研究において、コンドロイチン4-O-硫酸基転移酵素-1(C4ST-1)をWntシグナルの正の調節因子として同定した。C4ST-1はWnt-3aに高い親和性を示す糖鎖を合成する。したがって、C4ST-1はWnt-3aの細胞表面結合量を制御することによってWntシグナルの強さを調節すると考えられた。研究成果【具体的内容】1.コンドロイチン-4-O-硫酸基転移酵素-1(C4ST-1)を欠損した細胞においてWnt-3aに対する応答性が低下すること、およびC45T-1の発現レベルによってWnt-3aシグナル伝達が調節されることを明らかにした。2. Wnt-3aがC4ST-1によって合成される糖鎖構造と高い結合親和性をもつことを明らかにした。3.細胞は、C4ST-1の発現レベルの調節を介して細胞表面に発現する糖鎖の構造を変化させ、Wnt-3aの結合/解離を制御し、細胞表面のWnt-3a量を調節することによってWnt-3aシグナルを微細に調節することがわかった。【意義・重要性】細胞はC4ST-1の発現レベルを厳密に制御することでWnt-3aに対する応答性を微細調節していると考えられる。一般に、形態形成因子の濃度依存的に細胞応答が調節されるモデルが提唱されているが、今回の結果から、たとえ同じ濃度であっても、形態形成因子に対する結合能を細胞自律的に変化させることで異なる応答反応を起こすことができる可能性が示きれた。細胞はC4ST-1の発現レベルを制御することでWntに対する応答を調節すると考えられる。C4ST-1を欠損させたマウスでは軟骨形成過程が正常に進行しないこと、グリコサミノグリカンの合成異常がWntのシグナル伝達を変化させ変形性関節症が発症する可能性なども示されている。これらの知見と今回得られた結果を統合すると、C4ST-1の発現異常がWntシグナルの機能不全を引き起こし、変形性関節症の病因の一つになっている可能性が考えられる。(1) C4ST-1によるWnt3aの拡散の調節a. Wnt3aを安定に発現するマウス線維芽細胞(L細胞)にC4ST-1を導入した安定発現株を樹立し、C4ST-1の発現量の異なる複数のL-Wnt3a-C4ST-1細胞を得ることに成功した。c.上記のa,bで作成した細胞や確立した実験系を用いて、Wnt3a産生細胞が分泌するWnt3aの量がC4ST-1の発現量に伴い減少し、逆に細胞に保持されるWnt3aが増加することを明らかにした。【結果の意義】Wnt3aは非常に粘着性の高い性質をもつので、分泌後は細胞表面や細胞外マトリクスに結合して存在するが、産生細胞はC4ST-1の発現レベルを調節し、細胞表面や細胞外マトリクスの糖鎖構造を変化させることによって、Wnt3aの拡散を促すことがわかった。C4ST-1の発現を調節することがWnt3aの拡散開始のスイッチ機構の一つとして機能することを見いだせたことは学術的に意義深い。(2) Wnt3aによるC4ST-1の転写調節機構C4ST-1の発現は、Wntシグナルによって制御されることを見いだしているので、この転写調節機構を調べるため、C4ST-1遺伝子の5'非翻訳領域をルシフェラーゼの上流に組み込んだレポーターベクターと、その欠失変異体を作成した。これらの解析により、C4ST-1の負の調節に関わる責任領域を絞り込んだ。【結果の意義】今後、Wnt3aによるC4ST-1の転写調節に関わるDNA配列を決定し、転写調節に関わる因子を同定することができれば、C4ST-1の遺伝子発現を操作することで、Wnt3aシグナルを人為的に調節できる可能性がある。
神経幹細胞の新規未分化性維持因子を用いて癌の悪性度・未熟性を解明する

本研究の目的は神経幹細胞の新規因子を用いて癌の悪性度・未熟成を解明することである。ヒト臨床病理検体組織染色の結果、SMF1は肺小細胞癌において高い発現が認められた。さらに興味深いことにSMF1は肺小細胞癌においてもリン酸化の亢進が認められた。また、肺小細胞癌の培養株にSMF1-shRNAを導入することでSMF1欠損型-安定細胞株を作成し、これを高免疫不全マウスに皮下移植することで、SMF1非存在下での腫瘍の性質を調べた。その結果、SMF1欠損下では、腫瘍の増殖能が低下し、サイズも小さくなることが明らかとなった。神経幹細胞の因子SMF1が肺小細胞癌の悪性度に影響を与えている可能性が示唆された。本研究は神経幹細胞の新規未分化維持因子を用いて癌の悪性度・未分化性を解明することを目的としている。悪性腫瘍は、低分化で急速に増殖する未熟な細胞の特徴を有するが、その形質獲得機序の解明は十分になされていない。申請者はこれまでマウス胎仔脳発生の研究で神経幹細胞の未分化性維持を司る新規核内因子SMF1を発見し、この分子が肺癌の中でも特に悪性度の高い小細胞癌において強い発現が認められたことをヒントに“幹細胞の未分化性維持機構と癌の低分化・未熟性の獲得機構には共通のメカニズムがあるのではないかという仮説"を立てた。そこで癌細胞がどのようなメカニズムで低分化・未熟性を獲得し悪性度を高めているのか、SMF1の低分化・未熟性の獲得機構における役割とその周辺の分子基盤を明らかにし、将来癌治療に役立つ分子情報や腫瘍マーカー等のシーズを創出することを目的としている。本年度の実験計画では、SMF1を指標とした癌の悪性度・未熟性を司る分子シグナルネットワークを解明することであり、質量分析法による機能的リン酸化蛋白質の同定とその機能解析を行った。特に、SMF1結合蛋白質の解析を行った。さらに、In silico解析による癌の悪性度・未熟性を決定するSMF1を中心とした分子基盤の解明を行った。具体的には、KeyMolnet分子ネットワーク解析を用いて、同定した分子群のコンピュータ上での機能解析を行うことで、癌の悪性度・未熟性を決定する分子基盤やシグナル伝達系を解明した。本年度の実験計画では、SMF1を指標とした癌の悪性度・未熟性を司る分子シグナルネットワークを解明することを目的としており、質量分析法による機能的リン酸化蛋白質の同定とその機能解析を行ったり、In silico解析による癌の悪性度・未熟性を決定するSMF1を中心とした分子基盤の解明を行った。さらに、同定した分子群のコンピュータ上での機能解析を行うことで、癌の悪性度・未熟性を決定する分子基盤やシグナル伝達系を解明することが出来たので、おおむね順調といえる。In silico解析による癌の悪性度・未熟性を決定するSMF1を中心とした分子基盤の解明を行った。さらに、同定した分子群のコンピュータ上での機能解析を行うことで、癌の悪性度・未熟性を決定する分子基盤やシグナル伝達系を解明することが出来た。これをさらにin vitro, in vivo実験を行うことで、その分子基盤を詳細に明らかにしたい。蛋白質科学、オミックス解析SMF1コンディショナルノックアウトマウスを作製するのに、まず、キメラマウスに直接Flpマウスを交配させ、生殖系列移行の確認と薬剤耐性遺伝子の除去を同時に行い、その後にFlpトランスジーン除去のため野生型マウスとの交配を行う、という作業を行ってはじめて、floxヘテロマウスが取得出来る。この実験を行うために、SMF1コンディショナルノックアウトマウスのF1世代ヘテロマウスの交配を行っていたが、親マウスによる子マウスの食殺等が起きたため、マウスの個体数を確保するのに当初の予定よりも、大幅に時間を要した。SMF1コンディショナルノックアウトマウスのF1世代が完成したので、現在、F1世代のマウス同志を交配させて、F2世代のマウスを作製している。

また、このF2マウスのジェノタイピングを行い、ワイルド、ヘテロ、ホモ、遺伝子型を選別し、F2ヘテロマウス、F2ホモマウスをCAG-FLPマウスと掛け合わせることで、NEO薬剤耐性遺伝子の除去を行ったNEO薬剤耐性遺伝子除去を行ったSMF1コンディショナルノックアウトマウスを完成させる
国際化社会に対応した新たな地域計量モデルに関する研究

本研究では、わが国を取り巻くアジア諸国の経済成長がわが国の地域経済に与える影響を予測し、こうした状況の中で高速道路をはじめとするわが国の地域政策がその国際競争力の向上に如何なる効果を発揮するのかについて分析する新たな地域計量モデルの開発を行った。本モデルは、従来、国際経済学の分野で提案されてきた国際貿易モデルと、地域経済学の分野で提案されてきた地域計量モデルを統合したモデル構造となっており、国際的な経済環境の変化が地域経済に与える影響を把えると同時に、国内における地域政策の実施がその国際競争力に与える影響を把握することができる構造になっている。また、このモデルは、多地域一般均衡理論の枠組みで価格変数を内生化することにより、地域の国際的な価格競争力の大きさを明示的に扱うことが可能となった。さらに、本研究では、通産省の地域間産業連関表およびアジア経済研究所の国際産業連関表を用いてモデルのパラメータ推定を行った。また、2時点のデータを用いてモデルの予測精度を検討し、概ね良好な結果を得ることができた。しかし、現段階では、生産・消費に関するパラメータを外生的に与えているため、このモデルを用いて将来予測を行うためにはその内生化を図っていく必要がある。今後は、こうした課題を克服した上で、このモデルを用いて中国等の経済発展がわが国の地域経済に与える影響を予測分析すること等に取り組んでいく予定である。
過酸化物代謝酵素の脳内分布と低酸素の影響

過酸化物代謝酵素であるsuperoxide dismutase(SOD),glutathione peroxidase(GSH-PO),およびcatalase(CAT)の脳内分布をRNA probeを用いたin situ hybridization法で検討した。SODは海馬領域(海馬,歯状回),小脳Purkinje細胞に多くみられた。GSH-POは大脳皮質錐体細胞,海馬(CA1,CA2),小脳Purkinje細胞に多くみられた。CATは脳全般的に分布していた。低酸素に対して脆弱とされる細胞(例えば大脳皮質錐体細胞,海馬,小脳Purkinje細胞)に多く分布していることは,低酸素脳症の病態における過酸化物の役割や,神経細胞の選択的脆弱性を考えるうえで極めて興味深い。今後は低酸素負荷により,これら酵素のmRNAの発現がどう変化するかを検討する。さらに低酸素脳症に対する治療法の一つとして,これら酵素の可能性を追求する。
金属輸送体ZIP13が関わる花粉管伸長・破裂制御機構の解析

微量必須元素である亜鉛は、タンパク質の構造維持や酵素の活性に必要で全たんぱく質の約10%が亜鉛と結合する亜鉛タンパク質と推算されている。栄養素として必須である一方、過剰量の亜鉛は植物にとって毒となり成長障害などの過剰症をもたらす。そのため細胞内の亜鉛濃度を適切に保つ必要があり、多様な膜輸送体がその機能を担っていると考えられているが、個々の機能については一部しか分かっていない。これまでの研究からシロイヌナズナの亜鉛輸送体ファミリーZinc-regurated (Zrt)/Iron-regulated (Irt) like Protein (ZIP)の一つZIP13が成熟花粉および花粉管のゴルジ体に局在すること、ZIP13遺伝子欠損株は高温ストレス下で種子数が現象する表現型を示すことを明らかにした。in vitro花粉管伸長の観察から、遺伝子欠損株の花粉は高温ストレス下において花粉管が伸長途中で破裂しやすいために稔性が低下していることが示唆された。平成29年度はin vitroでの花粉管伸長の結果と同様にin vivoでも花粉管が伸長途中で破裂するかどうか調べるため、雌しべの中を通る花粉管の観察を行った。アニリンブルー染色により雌しべの中を通る花粉を観察したところ、ZIP13欠損株の花粉の多くは途中で伸長が停止していることが観察された。また花粉特異的プロモーターpLat52でZIP13およびGUSを発現させるコンストラクトを作製してZIP13欠損株に導入も行った。今後作製した形質転換体を用いて、ZIP13欠損株の表現型が相補されるかどうかの確認を行う予定である。病気で長期入院したこと、さらに出産に伴い産前産後休暇を取得したため、計画通りに研究を進めることが出来ませんでした。平成29年度は長期休養のために研究が予定よりも大幅に遅れた。今後は花粉管内の亜鉛濃度を蛍光プローブを用いてモニターし、ZIP13欠損花粉と野生株の花粉で違いがあるか調べる。また酵母にZIP13を発現させると亜鉛とマンガンの取り込みが増加することからZIP13は亜鉛とマンガンを輸送する可能性が高いことが示されているが、生理的な輸送基質が亜鉛とマンガンのどちらかなのかは分かっていない。ZIP13欠損株で見られた花粉管の破裂が亜鉛やマンガンを添加することで抑えられるかどうか調べることで、生理的輸送基質の特定の足がかりを掴む。その他については平成29年度に予定していたが実施できなかった実験を遂行する。これまでの研究でシロイヌナズナのZIP13は成熟花粉及び花粉菅のゴルジ体で発現すること、酵母異種発現系解析よりマンガンと亜鉛を輸送する可能性が高いこと、そしてZIP13欠損株は高温ストレス下で稔性が低下することを明らかにしてきた。in vitro花粉菅伸長実験より、ZIP13が欠損すると花粉菅の先端が異常な破裂を起こすことから、ZIP13は正常な花粉菅の伸長と破裂の制御に重要な役割を果たしていると推測された。平成28年度は、ZIP13の欠損株で見られた異常な花粉菅先端の破裂が、花粉菅内のマンガン濃度の低下、亜鉛濃度の低下、どちらに起因するものかを明らかにするために、花粉菅内の亜鉛濃度を膜透過性の亜鉛蛍光プローブZinpyr-1を用いて観察を試みた。しかし、花粉をZinpyr-1で処理すると花粉菅の先端の破裂が起こり、花粉菅内の亜鉛濃度をモニターすることはできなかった。Zinpyr-1は亜鉛特異性が高いことから、花粉菅内の亜鉛がZinpyr-1と結合して、亜鉛欠乏状態になったために花粉菅先端の破裂が起こったと推測される。この結果は、ZIP13欠損花粉で見られた花粉菅先端の異常な破裂は、亜鉛欠乏に起因する可能性が高いことを示唆している。また、ZIP13ヘテロ接合株を用いた遺伝率の解析から、ZIP13欠損花粉は野生型の花粉と競合すると受精に不利であることも明らかになった。さらに、オウンプロモーター制御下でGFP融合ZIP13を発現させ、ZIP13欠損花粉の相補実験も行なった。GFP融合ZIP13は花粉菅のゴルジ体で発現すること、GFP融合ZIP13を発現させると花粉菅先端の異常な破裂は起こらず、が野生型植物の花粉と同程度の花粉菅伸長を示すことが確認された。本研究より、ZIP13欠損株で見られた異常な花粉菅先端の破裂が、確かにZIP13欠損によるものであることが相補実験から実証され、そしてその原因が花粉菅内の亜鉛濃度低下である可能性が高いことが明らかかとなった。当初の計画では、花粉菅先端の破裂が、マンガンと亜鉛の濃度変化のどちらに起因するものであるかを明らかにするために、亜鉛蛍光プローブZinpyr-1を用いて花粉菅内の亜鉛濃度をモニターし、亜鉛濃度に変化があるかどうか調べる予定であったが、亜鉛蛍光プローブZinpyr-1を処理した時点で花粉菅の先端の破裂が起き、花粉菅内の亜鉛濃度をモニターすることはできなかった。しかし、この予期せぬ結果から、花粉菅の破裂が亜鉛濃度低下による可能性が高いことが明らかとなり、当初の研究目的は達成された。花粉菅内の亜鉛濃度のモニターについては、亜鉛との親和性がZinpyr-1よりも低い亜鉛蛍光プローブを複数入手して、解析に使えるプローブの選定を進めている。また、ZIP13ヘテロ接合株を用いた遺伝率の解析から、ZIP13欠損花粉は野生型の花粉と競合すると受精に不利であることも明らかとなった。さらに、オウンプロモーター制御下で、GFP融合ZIP13を発現させることで、ZIP13欠損株の相補にも成功し、おおむね順調に進んでいる。

微量必須元素である亜鉛は、タンパク質の構造維持や酵素の活性に必要で全たんぱく質の約10%が亜鉛と結合する亜鉛タンパク質と推算されている。栄養素として必須である一方、過剰量の亜鉛は植物にとって毒となり成長障害などの過剰症をもたらす。そのため細胞内の亜鉛濃度を適切に保つ必要があり、多様な膜輸送体がその機能を担っていると考えられているが、個々の機能については一部しか分かっていない。これまでの研究からシロイヌナズナの亜鉛輸送体ファミリーZinc-regurated (Zrt)/Iron-regulated (Irt) like Protein (ZIP)の一つZIP13が成熟花粉および花粉管のゴルジ体に局在すること、ZIP13遺伝子欠損株は高温ストレス下で種子数が現象する表現型を示すことを明らかにした。in vitro花粉管伸長の観察から、遺伝子欠損株の花粉は高温ストレス下において花粉管が伸長途中で破裂しやすいために稔性が低下していることが示唆された。平成29年度はin vitroでの花粉管伸長の結果と同様にin vivoでも花粉管が伸長途中で破裂するかどうか調べるため、雌しべの中を通る花粉管の観察を行った。アニリンブルー染色により雌しべの中を通る花粉を観察したところ、ZIP13欠損株の花粉の多くは途中で伸長が停止していることが観察された。また花粉特異的プロモーターpLat52でZIP13およびGUSを発現させるコンストラクトを作製してZIP13欠損株に導入も行った。今後作製した形質転換体を用いて、ZIP13欠損株の表現型が相補されるかどうかの確認を行う予定である。病気で長期入院したこと、さらに出産に伴い産前産後休暇を取得したため、計画通りに研究を進めることが出来ませんでした。酵母異種発現系解析ではZIP13が亜鉛とマンガンを輸送する可能性が高いことが示されている。今年度までの研究成果からは、花粉菅先端の異常な破裂が、花粉菅内の亜鉛濃度低下に因るものである可能性が高いことが示されたが、マンガンの影響については不明のままである。今後はZIP13欠損花粉で見られた花粉菅の破裂が、亜鉛やマンガン添加によって相補するかどうかについても、当初の研究計画に加えて調べる予定である。その他の実験については、当初の実験計画通りに進める。平成29年度は長期休養のために研究が予定よりも大幅に遅れた。今後は花粉管内の亜鉛濃度を蛍光プローブを用いてモニターし、ZIP13欠損花粉と野生株の花粉で違いがあるか調べる。また酵母にZIP13を発現させると亜鉛とマンガンの取り込みが増加することからZIP13は亜鉛とマンガンを輸送する可能性が高いことが示されているが、生理的な輸送基質が亜鉛とマンガンのどちらかなのかは分かっていない。ZIP13欠損株で見られた花粉管の破裂が亜鉛やマンガンを添加することで抑えられるかどうか調べることで、生理的輸送基質の特定の足がかりを掴む。その他については平成29年度に予定していたが実施できなかった実験を遂行する。計画時点は1,100千円の植物栽培人工気象機を購入する予定であったが、研究費配分時点で減額があったため、試薬など消耗品購入費が不足することを懸念して、植物栽培人工気象機を断念したことが、計画と使用額に差が出た主な原因です。
記憶アップデートの分子・細胞メカニズム

「記憶のアップデート機構」は知識の形成を通じて精神活動の基盤となる。記憶のアップデートは記憶同士の連合により行われるが、そのセルアセンブリレベルのメカニズムは不明であった。本研究では、二つの記憶情報が連合する回路レベルのメカニズムを明らかにするために、(1)CS-US連合(2)行動タグ(3)高次の連合のそれぞれについて、記憶が連合(相互作用)するセルアセンブリレベルのメカニズムを解析した。その結果、記憶が連合(相互作用)する際には、それぞれの記憶の対応する神経細胞集団の同期活動によるオーバーラップが重要な役割を担っていることが示され、記憶がアップデートされる脳内メカニズムが明らかとなった。【1】秒分時間間隔の情報:CS記憶を評価する行動実験系にUSとしてimmediate shockを組み合わせ、「CS記憶」と「CS-US連合記憶」を分けて評価する新規行動実験系を確立した。また、Arcプロモーター制御下でGFPを発現するトランスジェニックマウスを上記の実験系に供し、それぞれの記憶に応答する脳領域を検索し、少なくとも扁桃体が恐怖記憶連合に関与することを見出した。また、シナプスタグの分子機構解明のため、シナプス活動による樹状突起からスパイン内へのタンパク質輸送を、スパイン一個で定量的に解析するためFRAP法を導入した。カルシウム依存的な輸送と一酸化窒素依存的なプールが示唆される結果を得た。【2】日月間隔の情報:再固定化をシナプスレベルで解析できるin vivo LTP系を開発した。また、神経活動履歴を持つ細胞にのみ組み換えレンチウイルスを特異的に感染できる、活性化神経細胞標的化法の確立を目指した。このシステム構築のため、神経活動依存的にトリ肉腫ウイルス受容体を発現するダブルトランスジェニックマウスを作製するために、c-fos-tTAマウスとTRE-TVAGマウスを、それぞれマウスバンクであるMMRRCと米国オレゴン大学・Cliffrd Kentros博士より譲り受けた。現在、これらのマウスの人工授精による繁殖を行っている。また、高力価組み換えレンチウイルスの作製技術を構築した。この技術の確立は、複数回の経験に対応し活性化した各細胞群の同定とともに、人為的活性制御を可能とする分子の発現誘導により、経験にともない活性化した細胞が真にその経験情報を持つかを検証可能とする。【3】神経新生を人為的に制御する系を開発した。さらに、場所記憶に関しては「記憶の詳細さ」は、保存されている脳領域に依存しないことを明らかにした。【1】秒分時間の間隔で入ってくる2つの情報の間の連合による書き換えシナプスタグ: FRAP法によるスパイン輸送即ちシナプスタグの可視化法を確立した。輸送活性の分子的性質の解析から、シナプス入力で活性化したプロテインキナーゼGが輸送中のシナプスタンパク質をスパイン輸送に振分ける事を明らかにした。行動タグ:新規物体認識(NOR)課題の前後に新規環境へ暴露することで、短期NOR記憶が長期記憶へと変換する行動タグ系において、両者のタイムウィンドウは1時間前後であった。また、行動タグに関わる海馬のセルアセンブリ(セルアンサンブル)を同定した。さらに、新規環境への暴露時に活動するセルアンサンブルとNOR課題時に活動するセルアンサンブルをCatFISH法で解析し、行動タグが成立するケースでは海馬CA1における両者のオーバーラップ率が上昇することを見出した。パブロフ型恐怖条件付け: CS, USセルアンサンブルを完全に人為的に同期発火させることで、CS-US連合を人工的な方法で作り出すことができた。【2】日月の間隔で入ってくる情報間の干渉による書き換え味覚嫌悪学習(CTA)と音恐怖条件付け(AFC)を別々に学習させた数日後に、両方の課題のCSのみを連続して提示しそれぞれの記憶を連続的かつ交互に想起させることで、本来独立した記憶であったCTAとAFC記憶が連合した。再固定化を阻害すると連合が成立しなかったことより、この連合は再固定化機構を利用していることが明らかになった。さらに、両者の学習に必須である扁桃体のBLA領域において、連続交互想起はそれぞれの記憶に対応したセルアンサンブルの有意なオーバーラップを引き起こした。【1】秒分時間の間隔で入ってくる2つの情報の間の連合による書き換えシナプスタグ:樹状突起からスパインへの蛍光タンパク質融合Vesl-1Sタンパク質(VE)の輸送を、FRAP法を用いて定量的に解析し、輸送にはD-セリンに依存する構成的成分と、cyclic GMPにより活性化する活動依存的成分があることを明らかにした。行動タグ:豊富環境暴露による短期恐怖条件付けの長期化への転換系を行動タグ系として用いる予定であったが、この系の再現性が不安定であった。そこで、豊富環境暴露による短期の新規物体認識記憶の長期化への転換系を新たな行動タグ実験系として開発した。こちらの系は再現性よく働いたので、今後、行動タグ系として用いることにした。【2】日月の間隔で入ってくる情報間の干渉による書き換えLTP再固定化には、NMDA受容体機能が必須であることを明らかにした。行動系による解析では、レンチウィルス遺伝子導入系を用いて、複数回数のイベント経験時に活性化したニューロン群を同定する方法を確立した。また、味覚嫌悪学習と恐怖条件付けの2つの連合合記憶同士を連合(高次連合)させることによる記憶アップデートの系を立ち上げた。【3】週月単位で起こる遠隔記憶の書き換え:レンチウィルス遺伝子導入系を用いて、遠隔記憶の連合の際に活性化したニューロン群を同定する方法を確立した。【1】秒分時間の間隔で入ってくる2つの情報の間の連合による書き換え行動

タグ:新規物体認識(NOR)課題と新規文脈記憶課題へ暴露することで短期NOR記憶が長期記憶へと変換する行動タグ系において、新規文脈記憶課題の海馬CA1セルアセンブリ活動を光遺伝学的に抑制すると、NOR長期記憶の想起が完全に阻害された。両者のセルアセンブリのオーバーラップ(共有)が行動タグ成立のメカニズムであることを強く示唆している。シナプスタグ: EGFP融合Homer1a蛋白質の単一スパイン内での消光後蛍光回復(FRAP)のシナプス活動依存性成分はPKGの活性化のみで説明できる結果を得たので、これがシナプスタグの分子実体として有力である。【2】日月の間隔で入ってくる情報間の干渉による書き換え異なる連合記憶同士の連合(高次の連合):前年度に、味覚嫌悪学習(CTA)と音恐怖条件付け(AFC)を別々に学習させた数日後に、それぞれの課題のCSのみを連続して提示することで、本来独立した記憶であったCTAとAFC記憶が連合する系を確立した。本年度はこの系に光遺伝学を導入して、CTAとAFCの連続想起時に片方の扁桃体セルアセンブリをレーザー光照射により抑制しておくと、セルアセンブリのオーバーラップが低下すると共に、CTAとAFC間の記憶の連合が抑制された。2つのセルアセンブリ間のオーバーラップが、再固定化メカニズムを利用した記憶の高次連合に重要な役割を果たしていることを強く示唆している。再固定化:前年度までに確立した海馬歯状回のin vivo LTP系を用いて、本年度はオートファジーの亢進がシナプスレベルの不安定化を促進することを見出した。以上から記憶が書き換えられアップデートされるメカニズムに共通する原理として、セルアセンブリのオーバーラップ率の上昇が主要な役割を果たしていることが強く示唆された。【1】秒分時間の間隔で入ってくる2つの情報の間の連合による書き換え行動タグ:新規物体認識(NOR)課題と新規文脈記憶課題へ暴露することで短期NOR記憶が長期記憶へと変換する行動タグ系に、ドーパミン系が重要な役割を果たしていること、また、それぞれの記憶に対応するセルアセンブリのオーバーラップ(共有)の度合がドーパミン系により制御されていることを明らかにした。シナプスタグ: EGFP融合Homer1a蛋白質の単一スパイン内での消光後蛍光回復(FRAP)の解析から、シナプス活動によるNMDA受容体を介したPKGの活性化がシナプスタグを誘導すること、従って、その下流の効果がシナプスタグの分子実体であることを示唆する結果を得た。【2】日月の間隔で入ってくる情報間の干渉による書き換え異なる連合記憶同士の連合(高次の連合):味覚嫌悪学習(CTA)と音恐怖条件付け(AFC)の高次連合課題において、CTAエングラムとAFCエングラム間で共有されているオーバーラップ細胞群のみを特異的光遺伝学的に抑制すると、CTAとAFC間の連合が抑制された。CTA, AFCそれぞれの記憶そのものは影響を受けずに正常であった。これらの結果から、2つのセルアセンブリ間のオーバーラップが、記憶の高次連合を担っていることを明らかにした。
視神経再生過程におけるクロマチンダイナミクス解析と緑内障治療への応用

成熟期哺乳類では、中枢神経が一度損傷を受けると再生が極めて困難である。一方、新生期における中枢神経再生は比較的容易である。これはエピジェネティックな再生関連分子の発現制御機構に依存すると考えられているが、その詳細なメカニズムは不明であった。我々は中枢神経再生モデルとして、網膜-視神経系を用い、ヒストンのアセチル化によるエピジェネティックな再生分子の発現制御機構に着目し、新生期網膜神経節細胞(RGC)に発現が豊富なレチノイン酸受容体(RARβ)を成熟期に再発現させることで神経再生を促すことに成功した。成熟期ほ乳類の視神経は損傷後も再生が難しいのに対し、新生期では比較的容易に再生できることが分かってきた。これらの神経再生機構の相違を精査することは、成熟ほ乳類中枢神経再生機構解明の鍵となる。ヒストンの化学的修飾やそれによるクロマチンリモデリングは再生関連分子の遺伝子発現ON/OFF機構とその後の神経再生の可否決定機構の根幹を司る可能性がある。本研究目的は、再生程度が異なる新生期と成熟期、および成熟期の視神経損傷前後のヒストンの化学的修飾やクロマチンリモデリングパターンを調べ、神経再生が起こる条件とそのターゲット分子の探索を行う。最終的に視神経損傷後のヒストンを再生が容易な状態に強制的に修飾させ、より効率的な成熟期ほ乳類の神経再生を目指す。また、その時に発現増加する分子を同定し、補充戦略によりさらに高効率の再生を誘導させたい。本研究は、新生期では成熟期に比べ視神経の再生能力が極めて高いことに着目し、新生期の再生メカニズムを精査し、成熟期ほ乳類に応用することで効率良い再生誘導機構を探索することを目的としている。再生に必要な網膜神経節細胞のヒストンの化学的修飾パターンの精査やその標的分子探索と、網膜神経節細胞の生存および軸索伸長との関連付けを含んだ機構解明は神経発生・再生のメカニズム解明の手がかりのみならず疾病治療のターゲットともなりうるため重要である。本研究により成長時期特異的な遺伝子発現機構の根本的な相違をターゲットとして、研究を行うことでほ乳類神経再生への新たな哲学を打ち出し、ほ乳類視神経再生分野をリードしたい。成熟期の哺乳類中枢神経は損傷後の再生が困難であるが、新生期(いわゆる臨界期に相当すると考えている)では比較的容易に再生が可能であることが分かってきた。これらの神経再生分子機構の理解は、中枢神経疾患の治療につながる。ヒストンの化学的修飾やそれらによるクロマチンリモデリングは再生関連分子の遺伝子発現ON/OFF気候とその後の神経再生決定可否機構の根幹をつかさどる可能性がある。本研究では成熟期と新生期のクロマチンリモデリングのパターン(アセチル化、メチル化)や神経再生能を比較し、新生期の神経再生機構を理解することで成熟期の神経再生を可能にすることを目的としている。また、そのターゲット分子の探索を行う。成熟期ほ乳類の視神経は損傷後も再生が極めて難しい。しかし、新生期では比較的容易に再生できることが分かってきた。本研究目的は、再生程度が異なる新生期と成熟期、および成熟期の視神経損傷前後のヒストンのアセチル化修飾やクロマチンリモデリングパターンを調べ、神経再生が起こる条件とそのターゲット分子の探索を行う。再生に必要な網膜神経節細胞のヒストンの化学的修飾パターンの精査やその標的分子探索と、網膜神経節細胞の生存および軸索伸長との関連付けを含んだ機構解明は神経発生・再生のメカニズム解明の手がかりのみならず疾病治療のターゲットの探索を行う。

本研究目的は、再生程度が異なる新生期と成熟期、および成熟期の視神経損傷前後のヒストンの化学的修飾やクロマチンリモデリングパターンを調べ、神経再生が起こる条件とそのターゲット分子の探索を行うことにある。その候補分子のひとつとしてヒストンのアセチル化(ヒストンH3K9)とともにレチノイン酸受容体βの発現が誘導され再生に深く関与していることが絞り込めた。実際にヒストンのアセチル化を引き起こすトリコスタチンAによっても成熟期でレチノイン酸受容体βの誘導と神経再生が誘導されることが分かったことからおおむね順調に研究が遂行していると考える。神経化学視神経再生が比較的容易な新生期においてヒストンのアセチル化とともにレチノイン酸受容体βの発現が誘導され再生能力が高まることが分かってきた。そこで視神経再生へのその発現の必要性、また発現に必要なヒストンの化学的調節を絞り込んでいく予定である。近未来的には化合物等でヒストンの化学的修飾を起こすとレチノイン酸受容体βの発現とそれに伴う視神経再生が起こるかどうか検討していきたい。その候補分子のひとつとしてレチノイン酸受容体βが深く関与していることが絞り込めたのでおおむね順調に研究が遂行している。2014年度4月より旧所属である金沢大学医学部から新所属機関の鈴鹿医療科学大学薬学部に移動したため、移動期間の実験器具梱包やサンプル廃棄などで研究予定に遅れが生じた。視神経再生が比較的容易な新生期においてレチノイン酸受容体βの発現が高いことが分かってきた。将来的には化合物等でヒストンの化学的修飾を起こすとレチノイン酸受容体βの発現とそれに伴う視神経再生が起こるかどうか検討していきたい。マウスにおけるヒストンの強制的アセチル化によるレチノイン酸受容体の発現上昇よ視神経の再生を関連付けるため、ウェスタンブロット、免疫染色、視神経再生評価を行うための消耗品に使用する。
天体の空間分布を用いて宇宙のトポロジーを制限するための基礎研究

遠方天体の空間分布を利用して宇宙の大域トポロジーを決定するための基礎研究を行っている。前年度までに、現在標準とされている平坦な一様等方宇宙のトポロジー決定に向けた独自の統計手法を確立していた(Fujii & Yoshii 2013)が、本年度では次世代の精密宇宙論時代を見据え、より一般的な宇宙モデルへと考察を広げた。具体的には、正曲率宇宙のトポロジー決定にまつわる種々の不定性を数値シミュレーションを通して調べ、全エネルギーに対する密度パラメータが持つ不定性が最も重要であることを明らかにした。パラメータ空間を細かくサーベイする必要があり、いかに計算を短縮するかが今後の課題である。一方で、観測から天体の距離を決める際には時空計量を仮定する必要があるが、これまでの研究ではいずれも大スケールでの一様等方性(宇宙原理)を前提としていた。そのため、宇宙原理を観測的に検証しておくことが重要であると考え、最近の観測によって存在が示唆されている巨大空洞領域(e.g., Keenan et al. 2013; Szapudi et al. 2015)が、宇宙原理と矛盾しないかを調べた。公開されているN体シミュレーション(Horizon Run 2)の結果を利用し、予備的ではあるが、標準的な宇宙モデルと銀河バイアスを仮定した場合、上記のような空洞領域が観測される確率は1%未満であることを示した。さらに、時空計量の観測的な測定方法の一つである銀河計数法にも注目しており、SDSSによって取得された近傍銀河分布を用いた密度パラメータの測定を試みている。銀河進化などによる不定性をより詳細に調べる必要があるが、その他の観測と矛盾しない結果を得ている。また、非一様なStephani時空にもとづく宇宙論モデルの研究にも着手しており、本モデルにおける銀河計数を初めて定式化した。26年度が最終年度であるため、記入しない。私はこれまで、分光観測によって得られる天体の3次元分布の4点統計を用いて空間トポロジーを制限する手法を検討してきた(Fujii & Yoshii 2011 ; Fujii 2012)。本年度の進展として、1方法論の完成、および2実際の観測データへの適用と現実的なシミュレーションが挙げられる。1に関しては、4点統計を用いる際の自由度と「回転」および「反転」対称性を持つ空間トポロジーの自由度を比較し、4点統計によって得られる全ての情報を用いるように手法を改良した。2点統計ではトポロジーを決定するのに不十分であり、また6点統計以上は計算時間が膨大になるため、現状ではこの手法が最良である。2に際しては、専門書および論文にあたりどのような天体を用いるのが最良かを検討した。その結果、比較的遠方かつ分光データが豊富であるクエーサーが良いという結論に達した。クエーサーの観測的研究を行っている専門家と議論を重ね、物理的性質(光度関数、ダストトーラス、光度進化など)と観測誤差を組み込んだシミュレーションを行った。これにより「現実的な」状況で本手法が有効であることが示された。次にスローン・デジタル・スカイサーベイによって取得された遠方のクエーサー分布に対して本手法を適用し、空間トポロジーの「候補」(統計的に充分な有意性がなく、独立なチェックが必要である)を選定することに成功した。ただし、現在利用可能なデータは天域が限定されているためにトポロジーの検出率が低く、実際のトポロジーはいまだ隠されている可能性が高い。これらの成果は、現在Astrophysical Journal誌に投稿中である。研究代表者はこれまで、分光観測によって得られる天体の3次元分布を用いて宇宙の大域トポロジーを制限する手法を研究してきた。具体的には、平坦宇宙において数学的に許されるすべてのトポロジーに適用可能な、天体分布の4点統計に基づく新手法を考案した(4点統計法、Fujii & oshii 2011 ; Fujii 2012)。前年度から本年度にかけては、この手法を実際の天体分布(スローン・デジタル・スカイサーベイによって観測された遠方のクエーサー)に適用し、回転や反転を含む周期構造を持ったトポロジーを初めて観測的に検証した。その結果として、予備的ではあるものの回転角60度のトポロジーの兆候をとらえた。このトポロジー候補に対して、独立した観測によるさまざまな追加検証を検討中である。これらの成果は、8月5日発行の米天文学専門誌「Astrophysical Journal」に掲載されている(Fujii & Yoshii 2013)。また、理論的な進展もあり、4点統計法を正曲率のトポロジーへと拡張することに成功した。以前より、宇宙マイクロ波背景放射の大スケールにおける異常なふるまいが報告されており、ある種の正曲率トポロジーによってそれを説明するアイデアが提案されていた(Aurich & Lustig 2012)。4点統計法を拡張したことで、これらのアイデアを銀河観測によって検証することが可能になると期待される。

具体的には、正曲率宇宙のトポロジー決定にまつわる種々の不定性を数値シミュレーションを通して調べ、全エネルギーに対する密度パラメータが持つ不定性が最も重要であることを明らかにした。パラメータ空間を細かくサーベイする必要があり、いかに計算を短縮するかが今後の課題である。一方で、観測から天体の距離を決める際には時空計量を仮定する必要があるが、これまでの研究ではいずれも大スケールでの一様等方性(宇宙原理)を前提としていた。そのため、宇宙原理を観測的に検証しておくことが重要であると考え、最近の観測によって存在が示唆されている巨大空洞領域(e.g., Keenan et al. 2013; Szapudi et al. 2015)が、宇宙原理と矛盾しないかを調べた。公開されているN体シミュレーション(Horizon Run 2)の結果を利用し、予備的ではあるが、標準的な宇宙モデルと銀河バイアスを仮定した場合、上記のような空洞領域が観測される確率は1%未満であることを示した。さらに、時空計量の観測的な測定方法の一つである銀河計数法にも注目しており、SDSSによって取得された近傍銀河分布を用いた密度パラメータの測定を試みている。銀河進化などによる不定性をより詳細に調べる必要があるが、その他の観測と矛盾しない結果を得ている。また、非一様なStephani時空にもとづく宇宙論モデルの研究にも着手しており、本モデルにおける銀河計数を初めて定式化した。26年度が最終年度であるため、記入しない。研究計画における平成24年度および25年度の約半分が完了しているため、実際には計画よりも早いペースで研究が進んでいる。しかし、観測誤差の見積もりなど細かい箇所でのミスが幾度か発覚し、学会発表・論文出版が本年度中にはできなかった。理論的な方法論の完成という点では、当初の予定よりも早く進んでいる。一方で、Fujii & Yoshii (2013)において発見した「宇宙のトポロジー候補」に対する追加検証を考える過程で、天体のモデル不定性や観測にまつわる系統誤差が当初想定していたよりも複雑であることが浮き彫りになった。平坦宇宙における方法論については、現在投稿中の論文(Fujii & Yoshii 2013)で一定の区切りがついたと考えている。2013年3月に発表されたプランク衛星の結果はこれまでの標準宇宙論の見直しを示唆しているという見方があり、その意味でより一般的な宇宙論モデルを考慮する必要がある。現在、コペルニクス大学(ポーランド)のBoudewijn Roukema氏と共同で正曲率モデルへの拡張に着手したところである。また、HarmonicInpaintingを用いた大スケールゆらぎの復元によるトポロジーの制限(近畿大の井上開輝氏と共同)については計画通り進めてゆく。天体の物理モデルや観測における不定性を体系的に取り扱い、その系統誤差を評価する。その結果をもとに、本年度に明らかにした「宇宙のトポロジー候補」に対する追加検証をより具体的に検討していく。また、Euclid衛星をはじめとする次世代大規模分光サーベイを見据えた理論予想を行う。
フォトルミネッセンスによるシリコン結晶中の軽元素・重金属不純物の評価

酸素析出過程を反映するフォトルミネッセンス信号と重金属不純物による信号の変化を相関させて酸素析出に及ぼす重金属不純物の影響、ならびに、軽元素不純物のなかで特に重要である酸素不純物について、その析出の初期凝集形態であるサーマルドナーのフォトルミネッセンスによる評価を行なった。意図的に微量の重金属不純物Cuで汚染させたFZSiウエハ-を作製し、試料のフォトルミネッセンス(PL)スペクトル特性およびマッピング測定を行なった。軽元素不純物のNを含むウエハ-、有転位ウエハ-、スワール欠陥を含むウエハ-の測定結果より、固溶状態に近いCuに起因すると考えられる新しい発光帯の検出に成功し、その特徴的な結晶内分布をあきらかにした。軽元素不純物のなかでとくに重要である酸素不純物について、その析出の初期凝集形態であるサーマルドナーのフォトルミネッセンス評価を行なった。その結果、サーマルドナー関連欠陥の生成・消滅過程を直接的に捉えることに成功し、450°C近傍の熱処理において空格子は酸素凝集を遅らせる役割をすることが明らかとなった。本研究により、軽元素、重金属不純物の精密評価が可能となり、将来のデバイス作製上不可欠である高品位の欠陥制御に大きく貢献することが期待される酸素析出過程を反映するフォトルミネッセンス信号と重金属不純物による信号の変化を相関させて酸素析出に及ぼす重金属不純物の影響、ならびに、軽元素不純物のなかで特に重要である酸素不純物について、その析出の初期凝集形態であるサーマルドナーのフォトルミネッセンスによる評価を行なった。本研究により、軽元素、重金属不純物の精密評価が可能となり、将来のデバイス作製上不可欠である高品位の欠陥制御に大きく貢献することが期待される意図的に微量の重金属不純物Cuで汚染させたFZ Siウエハーを作製し、既有のフォトルミネッセンス測定装置により、試料のフォトルミネッセンス・スペクトル測定およびマッピング測定を行なった。出発材料として、軽元素不純物のNを含むウエハー、有転位ウエハー、スワール欠陥を含むウエハーを用い、重金属関連フォトルミネッセンス信号への影響を調べた。その結果、固溶状態に近い形態のCuに起因すると考えられる新しい発光帯の検出に成功し、その特徴的な結晶内分布を明かにした。その結果、転位およびスワール欠陥との相互作用に関して多くの知見が得られ、重金属不純物関連欠陥の制御への貢献が期待される。本実験の過程で、重金属不純物による汚染度のコントロールが非常に困難であり、フォトルミネッセンスによる定量分析法の開発を進める上で、障害となることが判明した。軽元素不純物のなかでとくに重要である酸素不純物について、その析出の初期凝集形態であるサーマルドナーのフォトルミネッセンスによる評価を行なった。CZ Si結晶育成中に融液から引き離し、急冷させることによって点欠陥を凍結させた試料のフォトルミネッセンス解析より、450°C近傍の熱処理において空格子は酸素凝集を遅らせる働きがあることを明らかにした。既有のフォトルミネッセンス測定装置に本度設備備品の散乱光集光光学系を付加することにより、微弱信号の高感度検出化、マッピング測定の高空間分解能化を図った。今年度は本研究課題の最終年度に当たり,シリコンデバイス作製において特に重要である酸素析出関連欠陥の研究を中心に行った.当初は酸素析出に及ぼす重金属不純物の挙動を調べることを目的の一つとしていたが、昨年度の研究により,現在のデバイスプロセスで問題となるような低レベルの重金属不純物汚染のコントロールは非常に困難であることが判明し,さらにそのような低濃度水準の重金属不純物のフォトルミネッセンスによる評価は,現在では,転位関連発光の検出という間接的手段に頼らざるを得ないことより,本研究期間内での研究対象からは除外した.酸素析出物発生機構を解明するため,析出の最も初期形態であるサーマルドナー関連欠陥に着目し,熱処理時間,初期酸素濃度,結晶内点欠陥分布等の依存性を調べた.450°Cにおける100時間以上の長時間熱処理を行った結果,従来,サーマルドナー欠陥に起因すると報告されていた0.767eV発光の他に0.903eV発光も現われることを見出した.これらの発光強度は、熱処理時間とともに増大/減少過程を示し,その原因となる欠陥の生成/消滅を反映している.これは酸素凝集のきわめて初期過程において析出物の構造が変化してゆくことを直接的に捉えたものである.この生成/消滅過程は試料によって様々に変化することが観察されたが,その変化は初期酸素濃度の違い,点欠陥の凝集過程への影響等により統一的に解釈された.
メチル化結合タンパクMeCP2の機能障害からみたレット症候群の発症病態の解明

レット症候群(RTT)は主に女児にみられる自閉性発達障害で、病態としてモノアミン系神経細胞の障害などがある。RTTの原因遺伝子は、DNAメチル化による転写抑制機構の中核であるMeCP2であり、この遺伝子発現抑制機構の破綻が病態形成の第一段と考えられている。RTTの症状の多様性や遺伝様式の複雑な部分を説明するのに、X染色体上にあるMeCP2のインプリンティングとX染色体不活化の関与を明らかにした。我々が開発した遺伝子改変マウスと人工染色体を組み込んだA9細胞を用いて、X染色体のエピジェネティック制御機構の関与する疾患の病態解明とMeCP2 isoformの研究を行った。その結果、親アレルの違いによる胎仔発生率の違いを明らかにした。実験計画に基づいて、遺伝子発現解析および組織学的評価を行った。1.MeCP2欠損マウスの解析(伊藤)(1)個体発生の検討:MeCP2欠損マウスを作製し、発生率を調べた。(2)病理学的・生化学的検討:組織形態学的に大脳皮質構築、シナプス形成を調べ、異常を見つけた。(1)初代培養神経細胞の確立を行った。継続してレチノイン酸で分化誘導を行い、解析を進めている。(2)機能解析:神経突起の伸展とAMPA受容体とNMDA受容体の発現と密度を調べた。3.A9細胞によるX染色体インプリンティング・不活化を受ける遺伝子の解析(栗政)(1)A9細胞によるMeCP2A, B発現解析:由来の異なるヒトX染色体(不活化を受けていないX染色体)を有するA9細胞において、MeCP2A、Bの遺伝子発現を調べた。その結果、有意差は確認できなかった。引き続き、解析を進めるとともに、メチル化の異常についても調べる。1.マウスの解析(伊藤)(1)遺伝子発現解析:MeCP2欠損マウスの脳神経細胞からmRNAを抽出し、DNAチップアッセイを行った。その結果、異常発現している遺伝子MeAを同定することが出来た。(2)MeA遺伝子導入マウスをえて、組織学的解析を行っている。(1)繊維芽細胞にさまざまな変異MeCP2を導入し、MeCP2の機能解析を行っている。(1)MeCP2A, Bのreal-time PCRを行い、発現分布の違いを明らかにした。また、特異的抗体を作製し、発達学的、組織学的解析を行っている。平成20年度は、これらの成果を発展させMeCP2のエピジェネティク機構の解明に迫る。実験計画に基づき研究を進め、以下の結果を得た。1.MeCP2欠損マウスの解析(伊藤)(1)遺伝子発現解析:MeCP2欠損マウスより同定したMeCp2下流遺伝子MeAに対するin situ hybridizationおよび作製した抗体による免疫組織化学により局在を明らかにした。(2)MeA遺伝子導入マウスを作製し、MeCP2欠損マウスとの交配を行った。その結果、症状の類似性はあったものの重症化は明らかではなかった。(1)培養神経細胞に変異MeCP2を導入し、MeCP2の機能解析を行った。その結果、heterochromachinと変異の関係を明らかにした。その結果、有意な差をみつけた。(1)MeCP2A,Bのreal-time PCRを行い、発現分布の違いを明らかにした。また、特異的抗体を作製し、発達学的、組織学的解析を行い、特徴的な分松布があることが分かった。MeCP2に関係するエピゲノム機構と疾患発症の病態を解明するには、更なる解析が必要である。
包括的ニュートリノ原子核反応の記述

最近の超新星爆発シミュレーションの発展により、ニュートリノ原子核反応は重力崩壊型超新星爆発過程において重要な役割をなすことが明らかになってきた。基本的なインプットであるニュートリノ原子核反応率の信頼のおける評価が望まれているが、反応率は非常に小さいため実験的評価は特定の原子核やエネルギーに限られてしまい、超新星爆発過程に寄与する全ての反応を評価するには理論計算に頼らざるを得ない。本研究計画は包括的ニュートリノ反応を効率よく記述する新たな定式を確立し、軽い原子核から重い原子核を含んだ広いエネルギー領域での反応率を評価ものである。陽子・中性子の自由度から出発した一貫した精密原子核理論により未知のニュートリノ原子核反応率を決定し、超新星爆発機構の解明を目指す。本年度は共同研究者との議論を通じ、研究遂行に必要となるレプトン原子核反応行列要素の定式化を行うとともに、少数核子系精密理論と原子核密度汎関数理論による定式及び計算コードの開発を行った。密度汎関数理論による方法の妥当性を確認するために、禁止遷移も含めたベータ崩壊率の計算を行い、その成果は論文として投稿中である。同時に核子ー原子核散乱核行列要素を計算する枠組みの開発・応用を行い、それらの結果は査読付き論文としてまとめられた。また、連携研究者がニュートリノ相互作用(ニュートリノ原子核反応、non-standard neutrino interaction、超新星と元素合成)に関するニュートリノ相互作用、原子核構造、反応の理論・実験研究者を交えた研究会「ニュートリノ原子核反応とニュートリノ相互作用」をKEK東海一号館で開催し、研究代表者も講演を行った。http://j-parc-th.kek.jp/workshops/2019/02-22/ニュートリノ原子核反応に関する理論では、これまでのニュートリノ反応理論において取り入れられていなかったクーロン歪曲波を考慮した定式化が成され、少数精密理論および密度汎関数理論を用いた計算コードへの実装への議論が進んでいる。密度汎関数理論に基づく系統的な計算から、弱相互作用による宇宙元素合成に重要となるニッケル78近傍核のベータ崩壊半減期における禁止遷移や原子核構造に関しての議論が行われた。また、レプトン原子核散乱に限らず、核子原子核散乱の核行列要素を評価する枠組みの開発・応用に関する研究業績が得られた。次年度はまず新たな理論手法の妥当性を検証するため、電子原子核散乱断面積の評価を行う。その後広いエネルギー、運動量移行、質量数領域において系統的なニュートリノ原子核反応率の評価を行う。その結果は超新星爆発シミュレーション等他分野で使いやすい形にして公開することを考えている。
π共役電子系とフォトクロミック分子団のシンクロナイゼーションによる発光特性制御

フォトクロミック分子であるジアリールエテンとπ共役系からなる蛍光ユニットを連結させることにより、高効率で蛍光発光がスイッチできる分子を開発した。得られた分子は、ジアリルエテンユニットの開環・閉環反応に伴い、蛍光量子収率が70%と0.1%以下の間で可逆的にスイッチ可能である。さらに単一分子蛍光測定システムを新たに構築し、この分子の蛍光スイッチング挙動を単一分子レベルで観測した。単一分子蛍光測定システムでは、共焦点光学系を採用し、100倍の対物レンズで集光照射した局所領域からの蛍光を同じ対物レンズで集光し、ピンホールを通すことで非焦点面からの散乱光を除去し、高いSNで一分子からの蛍光を観測した。検出器としてはシングルフォトンカウンティングAPDを用いた。488nmCW光を照射すると一段階で蛍光強度が低下する単一分子に特有のブリーチィング挙動が観測できた。紫外光を同時に照射すると、蛍光がON-OFFを繰り返す現象が見られた。これは、ジアリールエテンユニットの閉環反応および開環反応によるものであることが明らかになった。OFF状態の平均持続時間は可視光強度と反比例した。また、ON状態の平均持続時間は紫外光の照射強度に反比例した。これらの結果から、一分子観察に基づく光開環反応量子収率は6x10-6と見積もられた。これはバルク測定の結果とほぼ一致した。これらの結果から、単一分子フォトクロミック反応の観測に成功したと結論した。π共役系蛍光色素とフォトクロミック色素、ジアリールエテンを連結した分子の合成を行った。ジアリールエテン部が閉環体に異性化すると蛍光色素の蛍光発光波長と重なりが生じるため、エネルギー移動が生じて、蛍光が消光される。この色素の可逆的なフォトクロミズムを確認した。実際、開環体では蛍光量子収率が83%であったが、閉環体の蛍光量子収率は0.1%以下に低下した。この色素を用いて、レーザー発振を確認した。さらにレーザー発振の光可逆制御をはじめて達成した。開環状態のジアリールエテンサイトから、蛍光ユニットへのエネルギー移動を抑制する目的で、両者の間にアダマンタンユニットを導入した。この分子に関して、蛍光寿命測定を行ったところ、開環状態で4.9nsec、閉環状態では4psecの蛍光寿命を観測した。開環体においては蛍光量子収率は73%で閉環状態では0.1%以下であった。この場合には、ジアリールエテンサイトの分子構造を制御することにより、開環反応量子収率と閉環反応量子収率を制御することに成功し、蛍光強度の最大消光率96%を達成した。この色素を用いて、共焦点レーザー走査顕微鏡により高密度光記録の可能性を検討し、200Mbit程度の高密度光記録が可能であることを見出した。さらに、ターフェニル基を導入したアモルファスジアリールエテンに関して発光波長の光可逆制御に成功した。この場合には、閉環体は500nm付近に青色の発光を示し、閉環体は650nm付近に赤色の発光を示した。異性化に伴って可逆的に発光波長の制御に成功したのははじめての例である。