hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
超伝導人工原子によるマイクロ波量子光学および量子情報ネットワーク構築

遠く離れた2つの系の間での量子情報の送受信は量子情報ネットワーク構築のための基本要素であり、重要な研究課題である。光と物質のコヒーレントな相互作用が重要となるこの分野は、近年になって超伝導回路の分野でも精力的に研究が行われるようになった。特に、超伝導LC共振器にジョセフソン接合の非線形性を組み合わせた実効的な二準位系(超伝導人工原子)は原子やイオンと比べて数千倍ほど大きい双極子モーメントを持つことから、マイクロ波光子-超伝導人工原子間の強い相互作用を比較的容易に実現することができる。そのため、近年では、この強い相互作用を用いた共振器中の光子を制御する研究(回路量子電磁気学)や、超伝導人工原子を用いた量子光学に関する研究(マイクロ波量子光学)が活発に行われている。本研究では、このような超伝導量子回路の制御性を利用した高効率な量子情報ネットワークの実現を目標とし、超伝導人工原子を用いたマイクロ波量子光学および量子情報ネットワーク構築という課題名で研究を行っている。当研究課題では、特に超伝導共振器および超伝導人工原子を用いた、光子損失エラーに対して耐性のあるデュアルレール方式、特にタイムビンモード伝搬光子の生成についての研究を進めている。本年度は、昨年度提案したタイムビン伝搬光子生成が本当に可能かどうかを確認するため、シミュレーションを中心に研究を行った。その結果、現状の超伝導量子回路のパラメータにおいて、90%以上の生成効率を達成できることが明らかになった。しかし、実際の超伝導回路においては超伝導人工原子のエネルギーの動的制御に技術的な問題があり、シミュレーションで見積もられる実験結果は得られなかった。27年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では、量子情報の送受信を目的として、超伝導人工原子を用いたマイクロ波量子光学および量子情報ネットワーク構築という課題名で研究を行っている。本研究を実施する上で鍵となるのは超伝導人工原子によって生成されたマイクロ波単一遍歴光子である。この単一光子は、超伝導人工原子間、超伝導共振器間、ならびに超伝導人工原子-量子トランスデューサー間の量子情報の送受信ための有望な担い手として期待される。当研究課題では、特に、遍歴光子を介した超伝導人工原子間のリモートエンタングルメントの実現を目標として研究を進めている。本研究課題の申請時では、(1) 2つの独立した超伝導人工原子からの二光子干渉、(2)マイクロ波単一光子の波形整形によるマイクロ波光子受信の忠実度の向上という2つの課題を超伝導人工原子によるマイクロ波量子光学および量子情報ネットワーク構築という課題に取り組むにあたり、マイクロ波単一光子波形整形と二光子干渉測定を主軸として研究を進めていた。しかし、昨年、海外の研究グループから同様の結果が報告されたため、研究方針の修正を行った。本年度は、新たな研究方針としてタイムビン方式を用いる新たな方向性を見出し、現在、それに向けた超伝導回路の設計、作製ならびに測定装置系の構築に従事している。また、上記の研究と並行して、ジョセフソンパラメトリック増幅器(JPA)を用いた計測技術の立ち上げも行った。JPAは微小信号の増幅を、雑音を付加することなく行うことができるので、超伝導人工原子の単一試行の量子非破壊読み出しに利用されている素子である。マイクロ波単一遍歴光子という微小信号を扱う本研究においても、大いに有益であると期待される。JPAはスクイーズド光の生成源としても使用することが可能である。本年度は、超伝導人工原子を搭載したアルミニウム空洞共振器に、JPAで生成した真空スクイーズド状態を入射し、共振器内の光子数分布に依存した超伝導人工原子スペクトルを測定することで、その真空スクイーズド状態を測定することに成功している。量子情報ネットワーク実現において、遠く離れた2つの系の間での量子情報の送受信は魅力的かつ重要な研究分野である。本研究では、超伝導量子回路の高い制御性を利用した高効率な量子情報ネットワークの実現を目標とし、超伝導人工原子を用いたマイクロ波量子光学および量子情報ネットワーク構築という課題名で研究を行っている。本研究では量子情報の長距離送信の担い手として伝搬光子に着目しており、特に光子損失に対して耐性のあるタイムビン伝搬光子の生成のための研究を進めている。昨年度にタイムビン伝搬マイクロ波光子の生成方法を提案したので、本年度はタイムビン伝搬マイクロ波光子生成のための超伝導量子回路の作製を中心に研究を進めた。タイムビン伝搬マイクロ波光子を生成するに当たり、まずは単一マイクロ波光子を、超伝導回路を用いて生成する必要がある。単一光子を生成するためには、超伝導共振器内に1光子状態を生成しなければならないので、最初の段階として共振器中の光子を制御できる超伝導素子を作製する必要がある。本研究では、超伝導量子回路中の伝送線路共振器はニオブ、超伝導人工原子はアルミニウムとアルミニウム酸化膜によるジョセフソン接合を用いることで作製した。作製した超伝導回路をマイクロ波透過測定で評価すると、伝送線路共振器中の光子と超伝導人工原子の相互作用の強さは60 MHz、共振器の緩和レートは4 MHz、人工原子の緩和レートは0.2 MHz程度であることがわかった。これは、共振器中の光子と人工原子が強く結合していることを示しており、共振器中の光子を、人工原子を用いて制御すること可能であることを意味する。また、本年度はジョセフソンパラメトリック増幅器の特性の改善にも努めた。

超伝導量子干渉計アレイを用いることで、パラメトリック増幅器の飽和強度を14 dB向上させることに成功した。遠く離れた2つの系の間での量子情報の送受信は量子情報ネットワーク構築のための基本要素であり、重要な研究課題である。光と物質のコヒーレントな相互作用が重要となるこの分野は、近年になって超伝導回路の分野でも精力的に研究が行われるようになった。特に、超伝導LC共振器にジョセフソン接合の非線形性を組み合わせた実効的な二準位系(超伝導人工原子)は原子やイオンと比べて数千倍ほど大きい双極子モーメントを持つことから、マイクロ波光子-超伝導人工原子間の強い相互作用を比較的容易に実現することができる。そのため、近年では、この強い相互作用を用いた共振器中の光子を制御する研究(回路量子電磁気学)や、超伝導人工原子を用いた量子光学に関する研究(マイクロ波量子光学)が活発に行われている。本研究では、このような超伝導量子回路の制御性を利用した高効率な量子情報ネットワークの実現を目標とし、超伝導人工原子を用いたマイクロ波量子光学および量子情報ネットワーク構築という課題名で研究を行っている。当研究課題では、特に超伝導共振器および超伝導人工原子を用いた、光子損失エラーに対して耐性のあるデュアルレール方式、特にタイムビンモード伝搬光子の生成についての研究を進めている。本年度は、昨年度提案したタイムビン伝搬光子生成が本当に可能かどうかを確認するため、シミュレーションを中心に研究を行った。その結果、現状の超伝導量子回路のパラメータにおいて、90%以上の生成効率を達成できることが明らかになった。しかし、実際の超伝導回路においては超伝導人工原子のエネルギーの動的制御に技術的な問題があり、シミュレーションで見積もられる実験結果は得られなかった。本研究を進めるに当たり局所磁場印可による超伝導人工原子のエネルギーの動的制御は必須である。本研究では、超伝導人工原子が持つ超伝導量子干渉計(SQUID)を貫く磁束を制御することによって超伝導人工原子のエネルギーの動的制御を試みている。しかし、本研究で作製した人工原子は数100 MHz程度の範囲で動的に制御できるように局所磁場印可用のバイアスラインとSQUID間の相互インダクタンスを大きめに設計したのであるが、実際に評価したところ10 MHz程度しか動的に制御できていなかった。なお、直流電流を印可したところ相互インダクタンスは設計値通りであるので、バイアスラインの高周波応答に何らかの原因があると考えられる。次のステップとして、バイアスラインの高周波応答をシミュレーションし、バイアスラインの構造の最適化を行う必要があると考えている。もう1つの問題は、超伝導人工原子のコヒーレンス時間である。上記の動的制御の関係で相互インダクタンスを大きくしているのであるが、そのため人工原子が磁束ノイズの影響を強く受け、コヒーレンス時間が100 ns以下と非常に短くなっている。なので、上記の動的制御を踏まえた上で、SQUIDの再設計も検討する必要がある。以上の2点が、タイムビン量子ビット生成における大きな問題であり、現状のサンプルでは人工原子のエネルギーの動的制御による単一光子生成すら実装できていない。
東アジアの生活保障システムと年金・退職金制度

この共同研究は、20052007年度に実施した「東アジアの福祉システムの行方--企業内福祉と国家の社会保障制度」を継承したものである。この研究では、東アジア7カ国・地域(中国、台湾、韓国、タイ、マレーシア、シンガポール、インドネシア)の社会保障制度の枠組みの実態とその発展過程を明らかにすると同時に、経営者の福祉に関する見方、企業が提供するさまざまな企業独自の福祉制度や福利厚生のサービスの実態(社宅、社員食堂、送迎サービス、企業医療サービス、子弟の教育補助、慶弔金など)、公定と公定外福利厚生の構成比などを、詳細な企業アンケート調査(900社)にもとづき、日本で初めて明らかにした。今回の共同研究は、この調査の結果を踏まえた上で、国家が提供する年金制度、国家が保障する退職金制度(韓国・台湾)、企業が独自に提供する年金制度(プロビデントファンド:タイ、マレーシア、シンガポール)、政府の多種多様な高齢者対策(中国、韓国、シンガポール、インドネシア)、そして、国家と企業がカバー仕切れないために、老後の生活に不安を覚え、その結果、急速に成長している生命保険業の実態(東アジア7カ国・地域)を取り上げ、分析した。そして、これらの国・地域では経済成長の成果とは別に、所得保障や雇用保障の面で「社会的リスク」が改善されていないことを明らかにした。平成20年度は、(1)定例研究会の実施、(2)研究対象国での現地調査の実施、(3)東アジア7カ国・地域の社会保障制度について、企業福祉に焦点をあてた本の作成、の3つを中心に研究活動を行った。第一の定例研究会は8月を除いて4月から毎月実施し、中国の「高齢者事業白書」の検討、台湾の高齢者対策、韓国の「老齢者対策事業」、タイのプロビデントファンドなどについて、メンバーがそれぞれ報告を行った。また、日本の退職金制度について、早稲田大学の鈴木宏昌氏から、「老いてゆくアジア」について、日本総研の大泉啓一郎氏から、それぞれ研究会で報告を受けた。第二の外国での現地調査は、株本(韓国)、上村(台湾)、木崎(中国)、末廣・宮島(タイ、カンボジア)、鳥居(マレーシア)、浜島(シンガポール)が、予定通り実施し、聞き取り調査と資料収集を行った。ただし、タイで予定していたプロビデントファンドの企業アンケート調査は、政治の混乱や国際空港の占拠事件で延期となった。そこで科研費補助金を繰り越して、平成21年5月に調査を無事完了させ、201社の企業から質問票を回収した。第三の本の作成は、平成20年12月に、第1章と第2章の総論部分(末廣ほか)の草稿を検討し、平成21年1月から3月まで、国別の草稿の検討を行った。予定では、平成21年度内に、末廣昭編『東アジア福祉システムの展望:7カ国・地域の企業福祉と社会保障制度』(ミネルヴァ書房、420頁相当)として刊行される。平成21年度は、東アジアの7カ国・地域(中国、台湾、韓国、タイ、マレーシア、シンガポール、インドネシア)について、主として高齢者に対する対策の現状、福祉の制度化・社会化と並んで、東アジアで急速に進んでいる養老保険タイプの生命保険業の著しい発展、、政府が設計する退職金制度の枠組み(韓国と台湾)について、現地での調査や文献調査を行い、定例の研究会で報告・検討を行った。その成果については、末廣昭編『東アジアの生活保障システム-高齢者対策と生命保険業』(科研基盤研究B研究成果中間報告書、2010年2月、204頁)として刊行した。また、タイにおける政治混乱(スワンナプーム国際空港の占拠など)によって中断していた「タイにおけるプロビデント・ファンドの実態調査」を、科研費の繰り越しによって、2009年5月に滞りなく実施することができた。同時に、この科研プロジェクトの前提となっている前回の科研プロジェクト「東アジアの福祉システムの行方-企業内福祉と社会保障制度」の研究成果と、現在進行中の「高齢者対策と年金・退職金制度」の研究成果を、メンバーの間で改めて整理・統合した上で、末廣昭編著『東アジア福祉システムの展望-7カ国・地域の企業福祉と社会保障制度』(ミネルヴァ書房、2010年3月、410頁)として、商業出版を実現した。

なお、この本は、日本における初めての「東アジアの企業福祉」に関する本格的な研究書として、社会政策、福祉国家に関する研究者だけではなく、アジア・ラテンアメリカの地域研究者の間でも、大きな話題となっている。平成22年度は、東アジアの7カ国・地域(中国、台湾、韓国、タイ、マレーシア、シンガポール、インドネシア)について、(1)高齢者に対する所得保障制度とその実態(中国、台湾、韓国)、(2)高齢者に対するケアの制度とその実態(マレーシア、シンガポール)、(3)政府の年金制度を補完する本人と使用者の双方が負担する企業年金制度(プロビデントファンド、タイ)、(4)日本を含む北東アジアにおける失業保険の4点について調査を実施し、その成果をまとめた。また、これと並行して、平成20年度から実施している「東アジアの生命保険業の発展」についても、データのアップデートと補充を行い、不安定化している「老後の所得保障」への対抗措置として、貯蓄型の生命保険業が、東アジア各国・地域で伸びている事実を確認した。これらの調査結果については、末廣昭編著『東アジア福祉システムの展望-7カ国・地域の企業福祉と社会保障制度』(2010年、ミネルヴァ書房、410頁)、末廣昭編『東アジアの生活保障システム-高齢者対策と生命保険業』(2010年、東京大学社会科学研究所、204頁)に引き続き、『東アジアの生活保障システムと年金・退職金制度』(2011年、東京大学社会科学研究所、249頁)として、それぞれ刊行した。この研究を通して明らかになったのは、経済発展が著しい東アジアは、同時に「中進国」の課題である急速な高齢化問題にも直面しており、その結果、雇用、医療、所得、介護の4つの分野において、不安定性が増している(生活保障制度の未発達)という事実である。以上の共同研究の結果については、社会科学研究所の紀要である『社会科学研究』(第63巻第3号、2012年3月)に「特集形式」で論文を掲載する予定でいる。
空間知覚における多感覚統合過程の影響

複数の感覚情報の統合課程により,空間の知覚や酔いなどの生理的反応に対して以下のようにさまざまな影響を及ぼすことを明らかにした.(1)ヘッドマウントディスプレイ上で自己の手の長さ,形態,位置,運動方向などの視覚フィードバックを変化させると,3次元空間知覚や自己受容感覚による身体位置知覚に影響が生じことを示した.(2)視野外に対象があるときの音源定位において,対象が視野内に存在した時の位置や運動の影響により腹話術効果と同様のバイアスを生じること,自己の回転運動により対象が視野外に位置した場合の空間定位では,前庭覚,体性覚の感覚情報を伴う運動の場合に,より定位の精度が上がることを示した.(3)視覚刺激と前庭,体性感覚刺激の自己運動情報が不一致となるようにした場合では,能動的に自己運動反応を行う条件において感覚情報の強い予期により感覚不一致の効果が強く,酔いの程度が大きくなることを示した.高齢者を対象とした実験では,白質病変が酔いやすさをより誘発しやすくすることを示した.(4)視覚と前庭,体性感覚を厳密に操作するため電動で運動を制御することができる回転椅子を作成した.回旋眼球運動の解析を高い空間分解能で行うことのできる解析手法を確立し,眼球運動と酔いの関係について検討した.(5)オプティックフローの操作が空間知覚に及ぼす影響について検討し,多感覚の情報による歩行距離の判断に影響することを示した.ただし,現実的な環境の操作に比べドットによるオプティックフローの情報を現実的な環境に付加することによる影響は小さいことも示した.(6)対象の3次元構造の方位の違いによって知覚-運動協応に関連する頭頂間溝(IPS)の活動パターンが異なり,呈示した視覚刺激の3次元の方位を識別可能であることを示し,IPSが対象の視覚情報に対する把持などの手の運動出力への処理に関連することを示唆した.自己身体の視覚フィードバックや前庭感覚が視覚的な空間表象に及ぼす影響について,実験,および実験環境の構築を行い,以下の成果を得た.1.自己身体の視覚フィードバック情報が現実と異なる場合に,3次元空間の知覚が変容するかについて検討を行った.ヘッドマウントディスプレイ(HMD)に提示するバーチャルな手と現実の手との類似性,および手の長さを操作した上で,被験者は目標物までの到達運動課題を繰り返し行い手の視覚情報に順応させ,その後に物体間の奥行き距離判断課題を行った.実験の結果,手のモデルの長さの操作により3次元空間知覚が変容し,かつ現実の手との類似性に依存してその変容の特性が異なることを示した.また,リーチングによって対象の距離知覚が変容し,奥行きのスケーリング知覚の特性も変化することを示した.2. HMDを用いて視覚情報と前庭覚情報を独立に操作し検討を行った.実験の結果,身体の回転知覚は各情報間の不一致の度合いに応じて重み付けが動的に変化し,差が小さい場合は視覚優位,差が大きい場合は前庭覚優位となる傾向が見られた.各感覚情報が不一致の場合にどのような酔いの影響が生じるかについても検討し,前庭刺激の回転情報が視覚刺激の回転情報を上回った際に特に酔いの程度が大きくなることを示した.また,次年度以降の検討のため,前庭感覚を構成する半規管と耳石器の動特性に着目した視覚誘導性自己運動感覚(ベクション)の実験系をVR空間内に構築した.特に,半規管が反応しないと考えられる1 Hz以下の低周波数で振動するような視覚刺激を用いて実験が行えるようになった.本年度に予定していた,1.拡張した自己身体によるリーチング運動の視覚的フィードバックによる空間知覚への影響,2.前庭感覚と視覚の統合過程による空間定位の特性,酔いの計測は順調に実施できている.かつ当初予定していなかった1.手のサイズの大きさの操作,2.逆の運動方向同士の統合過程などについても検討を行い,計画以上の進展があった.ただし,3.白質病変を有する被験者が予備実験と同様の高い酔いを示すかを検討する計画については,十分な数の参加者による実験的検討ができていないため,次年度も引き続き検討を行う.本年度は3つのテーマ別に以下の研究成果を得た.1.身体の視覚フィードバックが空間知覚におよぼす影響について検討した結果,球のような抽象的な形状による手の位置のフィードバックはバーチャルな手と比べて空間知覚の変化の個人差が大きくなり,視覚フィードバックの特性によって空間知覚への影響が異なることを示した.また,この空間知覚の変化が奥行き方向への到達運動でのみ生じるかを検討した結果,運動方向によらず手の知覚位置および空間知覚が同程度に変化することを示した.さらに奥行き方向の運動ではドリフト量が小さく,かつ遠近法によるサイズの変化の影響もないことを示した.2.ヘッドマウントディスプレイ(HMD)と回転椅子を用いて視覚情報と前庭覚情報を独立に操作し,両情報が矛盾する場合の酔いへの影響を検討した.バーチャルな空間の移動を自ら決定する能動条件と受動的に観察するのみの条件を設定し,さらに感覚矛盾の有無,感覚矛盾がある場合の手がかり情報の有無の影響を検討した.実験の結果,能動条件において感覚矛盾の効果が大きく生じ,能動的に自己の運動方向を決定する場合には感覚情報の強い予期が生じ,そのため矛盾の有無の効果が大きく,また受動条件よりも酔いの程度が大きくなることを示した.オプティックフローの操作が空間知覚に及ぼす影響についても検討し,歩行時の距離知覚が変化すること,提示視野によって自己運動知覚の強度が異なることを示した.

回転椅子によって音源となる対象が視野から外れた場合の音源定位により前庭覚,視覚,聴覚の統合過程も検討した.3. HMDと回転椅子による映像酔いの実験を白質病変の被験者と健常者の被験者で比較検討した.実験の結果,白質病変の被験者は健常者よりも有意に酔いの程度が大きくなることを示した.このことから,白質病変は多感覚情報の矛盾による影響がより強く生じることが示唆された.平成29年度以降に予定していた,1.拡張した自己身体によるリーチング運動の視覚的フィードバックによる空間知覚への影響,および2.前庭感覚と視覚の統合過程による空間定位の特性,酔いの計測は順調に実施できており,当初予定していた実験計画はほぼ全て実施し,かつ運動方向の効果,遠近法手がかりの効果,提示視野の効果など当初予定していなかった要因についても検討を行い,計画以上の進展があった.ただし,モーターでコントロールできる回転椅子についてはメーカーの開発・販売が遅れたこと,および自前での設計・作成ができなかったため,実験の実施には至らなかった.また,3. fMRIによる白質病変を有する被験者および健常者による脳領域間結合解析については,前年度に十分に検討できなかった行動実験の実施および解析を中心に行ったことにより,fMRIによる検討にまで至らなかった.複数の感覚情報の統合課程により,空間の知覚や酔いなどの生理的反応に対して以下のようにさまざまな影響を及ぼすことを明らかにした.(1)ヘッドマウントディスプレイ上で自己の手の長さ,形態,位置,運動方向などの視覚フィードバックを変化させると,3次元空間知覚や自己受容感覚による身体位置知覚に影響が生じことを示した.(2)視野外に対象があるときの音源定位において,対象が視野内に存在した時の位置や運動の影響により腹話術効果と同様のバイアスを生じること,自己の回転運動により対象が視野外に位置した場合の空間定位では,前庭覚,体性覚の感覚情報を伴う運動の場合に,より定位の精度が上がることを示した.(3)視覚刺激と前庭,体性感覚刺激の自己運動情報が不一致となるようにした場合では,能動的に自己運動反応を行う条件において感覚情報の強い予期により感覚不一致の効果が強く,酔いの程度が大きくなることを示した.高齢者を対象とした実験では,白質病変が酔いやすさをより誘発しやすくすることを示した.(4)視覚と前庭,体性感覚を厳密に操作するため電動で運動を制御することができる回転椅子を作成した.回旋眼球運動の解析を高い空間分解能で行うことのできる解析手法を確立し,眼球運動と酔いの関係について検討した.(5)オプティックフローの操作が空間知覚に及ぼす影響について検討し,多感覚の情報による歩行距離の判断に影響することを示した.ただし,現実的な環境の操作に比べドットによるオプティックフローの情報を現実的な環境に付加することによる影響は小さいことも示した.(6)対象の3次元構造の方位の違いによって知覚-運動協応に関連する頭頂間溝(IPS)の活動パターンが異なり,呈示した視覚刺激の3次元の方位を識別可能であることを示し,IPSが対象の視覚情報に対する把持などの手の運動出力への処理に関連することを示唆した.視覚フィードバックの影響について,手の拡張の範囲を広げてスケーリング課題および自己受容感覚による位置判断課題によって検討する.
炭素クラスター複合体の精密有機合成化学

2002年よりフラーレン,ナノチューブの大量合成が企業化され,ナノテクノロジーの中核技術としてますます注目されている.フラーレンやカーボンナノチューブなどの炭素クラスターそのものの性質は相当程度解明されたといえるが,それらの材料としてのポテンシャルを高めるためには,「化学修飾炭素クラスターの精密合成化学」の研究を展開することが必須である.本研究の目的は,炭素クラスター同士の複合体,炭素クラスターと有機分子,金属,生体分子などとの複合体を,炭素共有結合形成を鍵にして高効率・高選択的に作り出すことである.その結果,次世代の材料科学,ナノテクノロジーや医学に資する新しい物質科学を創成できると同時に,精密合成化学,触媒化学など基礎化学分野での新発見が期待できる.本年度は,機能性炭素クラスター分子合成の取りまとめとして,五重付加型フラーレン誘導体およびアミノ化フラーレン誘導体の工業製品レベルの大量供給の方法を確立した.また,フラーレン誘導体からさらに修飾して得られるフラーレン-遷移金属錯体についてもいくつか代表的なものについては簡便に大量合成を行う方法を開発した.さらに,官能基化されたフラーレン遷移金属錯体や多核のフラーレン-遷移金属錯体を合成する手法も確立し,今後,電子デバイスへの実用化に向けた研究を展開することが可能となった.新しい分子集合の様式で液晶性を示す炭素クラスター複合体液晶分子(シャトルコック液晶分子)についても,より液晶相を発現させやすく,種々の誘導化が簡便な第二世代のシャトルコック分子を大量合成を可能にする研究を行った。また,金属内包フラーレンイオン種の種々の反応(ケイ素化反応,カルベンとの反応,ジアゾ化合物との反応など)について研究を行い,得られる化合物の反応性と物性を調査した.本研究は,炭素クラスター科学の展開の鍵は「化学修飾炭素クラスターの精密合成化学」にあるとの考えに基づき,炭素クラスター同士の複合体,炭素クラスターと有機分子,金属,生体分子などとの複合体を,炭素共有結合形成を鍵にして望みのままに作り出すことを目的として行った.これによって炭素クラスター複合体の構造構築と物性の高精度制御を実現,これによって次世代の材料科学,ナノテクノロジーや医学に資する新しい物質科学を創成すると同時に,精密合成化学,触媒化学など基礎化学分野での新発見を目指す.本年度の基礎研究課題としては炭素クラスター凸面上での反応化学の理解を深めるべく申請者が開発してきた新反応を中心に,密度汎関数法計算を用いて反応経路解明を行った.これに基づきフラーレンの多重官能基化反応の一般性の拡大を図った.さらに核酸結合性フラーレンと二重鎖DNAの会合体の生物活性と,その構造を原子間力顕微鏡観察によって明らかにした.水溶性フラーレンの水中でのベシクル形成,電導性ポリマーへのフラーレンドーピングについても検射した.分担者澤村と共同して,これまでに明らかにした有機銅試薬の反応機構の知見をもとに,有機銅試薬の反応原理の解明および他の一般的求核剤への展開を行い,フラーレンにアルケニル基を導入する方法を開発し,その金属錯体を合成して発表した.分担者赤阪はLa@C82,Pr@C82,Gd@C82等の金属内包フラーレンをアーク放電法により合成し,多段階HPLC法により分離精製を行った.これらの開殻構造の金属内包フラーレンを酸化・還元することで,閉殼構造の金属内包フラーレンイオン種を合成した.新しい物質の大量供給を可能とすることで,医学,ナノテクノロジーなど広く物質科学分野に波及効果をもつ研究が展開しつつある.代表的な研究成果は以下のようなものである.1)高効率多重付加反応の開拓:研究代表者の中村は,高効率・高選択的炭素クラスター化学修飾反応をさらに機能性分子合成に有効な手法とすべく研究を進め,有機銅試薬の多重付加反応が広範な官能基の導入に適したものであることを示した.研究分担者である赤阪はいまだ構造の定まらなかった高次金属内包フラーレンの完全構造決定に成功した.中村・赤阪は,高次金属内包フラーレンを基礎骨格とした有機物質の供給を可能とすべく,化学修飾金属内包フラーレンの創製に共同で取り組んでいる.2)材料科学への展開:フラーレンシクロペンタジエンを基礎骨格として,機能性材料へ応用可能なさまざまな有機物質を創製した.フラーレン骨格から共役π電子系を「切り出す」ことにより最短ナノチューブの合成を行い,「球と羽根」の新しい形式での分子認識によるフラーレン液晶をつくりだすことに成功した.また,フェロセンとフラーレンが融合したバッキーフェロセンの合成に成功した.3)生物学への展開:独自に見いだしたフラーレン-アミン複合体による遺伝子導入手法をさらに深化させるべく研究を進め,フラーレンがDNA単分子の凝縮剤として作用することを見いだした.本特別推進研究では,実験および理論化学的手法を駆使して「感銘直截・高効率・高選択的」な究極的有機合成を炭素クラスターの世界に実現し,これによって次世代の材料科学,ナノテクノロジーや医学に資する新しい物質科学を創成することを目的として研究を行っている。本年度は,これまでに確立した炭素クラスターの化学修飾反応の適用範囲を拡大すると同時に,最適化した化学修飾反応を鍵として炭素クラスターを基にした機能分子の設計・合成を引き続き行った。例えば,フテーレンへ10個の有機基を導入することにより,これまで合成が達成されていなかった環状共役系「[10]シクロフェナセン」の合成を行い,その構造や化学的に安定な性質,そして,電気化学的性質や光化学的性質を明らかにした。また,水中でフラーレンに無保護糖を5つ導入する方法も開発した。

さらに,球状のフラーレンにコーン状またはカップ状の部位を取り付け,球とコーンおよびカップの分子認識による分子集合体の構築を行い,その液晶などの機能性を明らかにした。赤阪は,金属内包フラーレンの化学修飾反応にも取り組み,閉殻の金属内包フラーレンイオン種を合成する方法を確立し,それらの熱安定性,光安定性を解明した。分担者の松尾は中村と協力して有機金属化学,触媒化学方面への展開を行い,フラーレンの光や電子に対する刺激応答性を利用した新しい触媒になることが期待される種々のフラーレン-遷移金属錯体を合成した。2002年よりフラーレン,ナノチューブの大量合成が企業化され,ナノテクノロジーの中核技術としてますます注目されている.フラーレンやカーボンナノチューブなどの炭素クラスターそのものの性質は相当程度解明されたといえるが,それらの材料としてのポテンシャルを高めるためには,「化学修飾炭素クラスターの精密合成化学」の研究を展開することが必須である.本研究の目的は,炭素クラスター同士の複合体,炭素クラスターと有機分子,金属,生体分子などとの複合体を,炭素共有結合形成を鍵にして高効率・高選択的に作り出すことである.その結果,次世代の材料科学,ナノテクノロジーや医学に資する新しい物質科学を創成できると同時に,精密合成化学,触媒化学など基礎化学分野での新発見が期待できる.本年度は,機能性炭素クラスター分子合成の取りまとめとして,五重付加型フラーレン誘導体およびアミノ化フラーレン誘導体の工業製品レベルの大量供給の方法を確立した.また,フラーレン誘導体からさらに修飾して得られるフラーレン-遷移金属錯体についてもいくつか代表的なものについては簡便に大量合成を行う方法を開発した.さらに,官能基化されたフラーレン遷移金属錯体や多核のフラーレン-遷移金属錯体を合成する手法も確立し,今後,電子デバイスへの実用化に向けた研究を展開することが可能となった.新しい分子集合の様式で液晶性を示す炭素クラスター複合体液晶分子(シャトルコック液晶分子)についても,より液晶相を発現させやすく,種々の誘導化が簡便な第二世代のシャトルコック分子を大量合成を可能にする研究を行った。また,金属内包フラーレンイオン種の種々の反応(ケイ素化反応,カルベンとの反応,ジアゾ化合物との反応など)について研究を行い,得られる化合物の反応性と物性を調査した.
皮膚自己免疫疾患発症に関する末梢免疫寛容機構の解明

デスモグレイン3(Dsg3)特異的T細胞(H1T細胞)を用いて、末梢性免疫寛容機構の同定及び解析が可能な2つの実験系を確立した。ヌードマウスへの胸腺移植により胸腺でのみDag3を欠損するマウスを作成し、H1-tgマウスの骨髄を移植する。するとDsg3欠損胸腺で成熟したH1T細胞がDsg3の存在する末梢組織中で消失する。他方、H1-Dsg3-/-マウスの末梢組織中のH1T細胞を野生型マウスに養子移入すると、移入された細胞は分裂後に消失する。これらを応用し、末梢性免疫寛容機構が皮膚リンパ節での抗原提示から始まること、分裂と消失の過程に分けられ、複数の細胞群から成立していることを明らかにした。本研究では天疱瘡自己抗原であるデスモグレイン3(Dsg3)に対する末梢免疫寛容機構を解明し、自己反応性T細胞除去、不活化に関わる重要な細胞集団、あるいは分子を同定することを目的としている。本年度は我々が独自に開発したDsg3特異的T細胞受容体トランスジェニックマウスを利用して、Dsg3特異的な末梢免疫寛容機構の存在を同定することを試みた。胸腺組織を欠くヌードマウスへの胸腺移植を施すことにより、胸腺でDsg3による選択を受けずに分化したDsg3特異的T細胞をDsg3が存在する末梢組織で観察した。その結果、脾臓、皮膚所属リンパ節でDsg3特異的T細胞の割合は優位に減少していた。またDsg3特異的T細胞を野生型マウスに移入する、より簡便なシステムにおいても、同様の現象が確認され、Dsg3特異的な抹消免疫寛容機構が存在することが示された。一方、抹消免疫寛容に関与するとされる胸腺外Aire発現細胞(eTAC)の皮膚所属リンパ節での解析を試みたが、eTACが皮膚所属リンパ節に存在する確証を得ることはできなかった。この結果は、Dsg3特異的抹消免疫寛容においてeTACが重要でないことを支持する。本年度の我々の研究成果により、皮膚自己抗原特異的T細胞に対する抹消免疫寛容の存在を明らかにし、初めて抗原特異的な細胞の挙動として観察できる系を確立することができた。来年度以降は、この実験系を用いて、寛容機構のより詳細な仕組みについて検討をしていく予定である。昨年度までにDsg3特異的な末梢免疫寛容機構が存在することを示し、Dsg3特異的T細胞をマウスに移入すると、T細胞が分裂をして消失を示す実験系を確立した。本年度はホストに様々な遺伝子改変マウスを用いることにより、末梢免疫寛容に関わる細胞集団の同定を試みた。その結果、Langerin-DTAマウス、Aire-KOマウスでは末梢免疫寛容は維持されており、ランゲルハンス細胞およびAire分子は本実験系における免疫寛容には必須ではなかった。一方、CD11c+樹状細胞(DC)を除去する目的で、CD11c-DTRマウスを野生型マウスあるいはLangerin-DTAマウスに骨髄移植を行った。続いてこのマウスにジフテリア毒素を投与し樹状細胞を除去した条件では、Dsg3特異的T細胞は分裂するが、消失しなかった。これらのマウスにはradio-resistant DCが残存していたことから、これらがT細胞を分裂させる一方で、免疫寛容の誘導はradio-sensitive DCが担っていることが判明した。一方、樹状細胞の状態が定常状態である必要性を検討するため、ホストマウスにDNFBやLPSなどを投与したところ、T細胞は消失せずに残存する傾向が確認できた。以上より、本年度はDCの亜集団が免疫寛容に重要であり、かつホストが定常状態である必要性が明らかになった。来年度以降は、DCの亜集団を分子レベルで特徴づけることにより、より詳細な寛容機構を検討していく予定である。字数制限のため前述できなかったがCCR7-/-マウスも含め、当初計画していた通りの遺伝子組み換えマウスを用いて、免疫寛容機構の解析を進めることができた。その結果、Dsg3特異的末梢免疫寛容を担う重要な細胞集団を除々に絞りこむことができている。また、radio-resistant DCあるいはradio-sensitive DCは過去に一報のみ報告はあるものの、機能的な解析は詳細にはなされていない。本年度の成果は免疫学的に重要な成果であるばかりでなく、本研究を今後さらに推進し、分子レベルでの解析を展開していくための足がかりとして重要な成果であると考えられる。以上の理由から上記のように達成度を自己評価した。昨年度までにDsg3特異的な末梢免疫寛容機構が存在することを示し、Dsg3特異的T細胞をマウスに移入すると、T細胞が分裂をして消失を示す実験系を確立し、CD11c陽性細胞のうち放射線感受性細胞亜集団が一定の役割を持つことを示して来た。本年度はホストに様々な遺伝子改変マウスを用いることにより、末梢免疫寛容に関わる細胞集団の同定を進めた。

野生型マウスからMHCクラスIIノックアウトマウスへの骨髄移植によりキメラマウスを作成し、Dsg3特異的T細胞移入後の消失の程度を観察した。その結果、抗原提示細胞がMHCII分子を欠失するとT細胞が分裂をしなくなることが明らかになった。一方、MHCクラスIIノックアウトマウスから野生型マウスへ骨髄移植したマウスではT細胞が分裂後、消失を免れることがわかった。以上のことから、Dsg3に対する末梢免疫寛容において、血管内皮細胞を含む間葉系細胞などからの抗原提示が、自己反応性CD4+ T細胞の消失には重要である可能性が示唆された。さらにこの実験系における重要分子を同定するため、抗原提示にかかわる細胞集団や免疫寛容を受けるDsg3特異的T細胞の単離方法を検討し、最適化をおこなった。そして、実際に細胞集団を単離し、mRNAの発現プロファイルを解析するために、RNA-sequencingを現在施行している。今後、これらの結果から、末梢免疫寛容機構に重要な分子を同定し、免疫制御を人為的に調節する治療法の開発に役立てていく予定である。デスモグレイン3(Dsg3)特異的T細胞(H1T細胞)を用いて、末梢性免疫寛容機構の同定及び解析が可能な2つの実験系を確立した。ヌードマウスへの胸腺移植により胸腺でのみDag3を欠損するマウスを作成し、H1-tgマウスの骨髄を移植する。するとDsg3欠損胸腺で成熟したH1T細胞がDsg3の存在する末梢組織中で消失する。他方、H1-Dsg3-/-マウスの末梢組織中のH1T細胞を野生型マウスに養子移入すると、移入された細胞は分裂後に消失する。これらを応用し、末梢性免疫寛容機構が皮膚リンパ節での抗原提示から始まること、分裂と消失の過程に分けられ、複数の細胞群から成立していることを明らかにした。当初計画していた通りに、Dsg3特異的抹消免疫寛容の存在を、Dsg3特異的T細胞受容体トランスジェニックマウスを利用し、複数の方法を用いて明らかにすることができた。またeTACについての解析は、少なくとも我々の系において、eTACの皮膚所属リンパ節における重要性の低さを示唆するものである。研究計画にあるように免疫寛容に関与する細胞としてeTAC以外の多種類の細胞集団を解析予定としており、今年度の解析結果が我々の研究計画に与える影響はほとんどないばかりか、責任細胞集団を絞り込む上で、重要なステップであると考える。以上の理由から上記のように達成度を自己評価した。当初の研究計画は予定どおり遂行しており、大きく研究計画を変更する予定はない。効率よく研究を遂行できるように努める予定である。28年度が最終年度であるため、記入しない。皮膚科学当初の研究計画は予定どおり遂行しており、大きく研究計画を変更する予定はない。
協力行動の進化的基盤ー哺乳類と鳥類の比較ー

ヒト以外の動物の協力関係を調査するために、げっ歯類(ラット・スナネズミ)と霊長類(コモンマーモセット)と鳥類(オカメインコ)を対象に、ひも引き協力課題などの行動実験をおこなった。その結果、げっ歯類では協力行動の生起が認められ、特にスナネズミは「協力における相手の存在の必要性」を認識できることも示された。一方、マーモセットや鳥類では協力的と考えられる行動が全く認められなかった。社会的に上下関係が形成されている動物では、優位個体が装置を独占する傾向があった。報酬の公平分配など、協力行動の成立には「パートナーを認める」能力が必要であり、げっ歯類は協力行動を検討する動物モデルとして有用と考えられる。ヒト以外の動物を対象とした協力行動に関する事例は自然観察場面において多く報告されている一方で、実験的な分析にもとづいた研究はごく最近のことである。他者と協力作業を行うためには、相手の行動を正確にモニターし、それに合わせて自己の行動を調整する必要がある。本研究では、比較認知科学的アプローチによって、鳥類、げっ歯類、霊長類という系統発生的に離れた3種の動物を対象に、協力行動に関する課題を用いた比較検討をおこない、その成立要因の解明を目指すことを目的とした。本年度は、げっ歯類(SDラット、Long-Evansラット、スナネズミ)を中心に、すでにゾウや大型類人猿などで報告例のある「ひも引き協力課題」と呼ばれる手続きを用いた検討をおこなった。この課題の装置は、2個体が同じタイミングでひもを引くことで報酬の入った容器を自身の手元まで引き寄せることができる仕掛けになっている。もし一方の個体が相手を待たずにひもを引いてしまうと、ひもは容器を通り抜け、両個体とも報酬を獲得することはできなくなってしまう。動物種間や個体ごとのペア間において、ひも引き協力行動を獲得するまでに要した訓練数には差が認められたものの、全ての動物種において課題を達成することができた。また遅延ひも引き協力課題と呼ばれる、2個体間で装置内に入るタイミングを遅らせる手続きを取ったところ、SDラットとスナネズミについては、先にスタートした個体が相手を待つことができ、課題を達成することができた。他者の存在無くしては報酬を獲得することはできないというこの課題の性質を、動物が十分に理解しているのであれば、たとえ個体間で装置に入るタイミングに遅延が生じても、先に入った個体は遅れて到着するパートナーを待つ必要がある。これらの結果から、げっ歯類が協力場面において他者の必要性を認知できる可能性が示唆された。ヒト以外の動物を対象とした協力行動に関する事例は自然観察場面において多く報告されている一方で、実験的な分析にもとづいた研究は少ないことから、本研究では鳥類、げっ歯類、霊長類という系統発生的に離れている動物を対象に協力行動に関する要因を同一の課題から調査することが全体の目的であった。今年度は、鳥類、げっ歯類を対象とした研究成果を踏まえ、霊長類を対象とした研究に着手すること、そして、それぞれの動物の課題達成の状況を見ながら、協力相手であるパートナーとの関係の影響、および、自己と相手が得られる利益とコストの関係について調査することを目標とした。オカメインコ、スナネズミ、マーモセットを対象に2つの課題を用いて協力行動の生起について調べた。2個体が同時にひもを引くことで報酬の入った容器を手元まで引き寄せられる仕掛けになっている装置を利用した「ひも引き協力課題」で、スナネズミは扉に外カギがついていて、単独では抜け出せないようなケージに閉じ込められたパートナーを救出し、この課題を達成することができた。一方、オカメインコとマーモセットでは、個体同士がタイミングよく装置前に座ることさえも全く観察されなかった。先の「ひも引き協力課題」を達成することができなかったオカメインコとマーモセットを対象に、複数の個体が群飼されているケージ内に、報酬の入った容器を設置し、この容器に単独では持ち上げられないぐらいの重い蓋をして、彼らの様子を観察した(ふた開け協力課題)。その結果、いずれの動物においても、上位個体が容器を占有したり、常に特定の個体しか装置に近づかないといったように、複数個体が協力するような行動は認められなかった。ヒト以外の動物を対象にした協力に関する事例は自然観察場面において多く報告されている一方で、実験的な分析に基づいた研究は少ない。本研究では、鳥類(オカメインコ)、げっ歯類(ラット、スナネズミ)、霊長類(コモンマーモセット)という系統発生的に離れている動物を研究対象に協力行動の生起要因について、同一の実験課題より調査することが全体の目的であった。鳥類とげっ歯類についてはデータ収集が進んでいるため、今年度は霊長類の課題に重点をおいた。霊長類の研究に際しては、実験実施の都合上、短期間で結果を出す必要があるため、不測の事態を想定し、3つの実験装置を用いて協力行動の生起について調べた。すでにチンパンジーなどで成功が報じられている、2個体が同時にひもを引くことで報酬の入った容器を手元まで引き寄せられる仕掛けになっている装置を利用した「ひも引き協力課題」ではマーモセットでは個体同士がタイミングよく装置前に座ることは全く観察されなかった。また、「ひも引き」という行動指標は変えずに、2個体の反応にズレが生じても課題解決できる別の装置を用いても、協力するような反応は認められなかった。

2個体が同時にレバーを押すことで報酬の入った容器の蓋が開く仕掛けの装置をセットし、協力行動が生起するかビデオ観察をおこなったところ、この課題では2個体による同時レバー押し反応が認められた。「他者との協力が必要である」という課題解決のための条件をマーモセットが理解できていたかどうかについては慎重に考える必要がある。しかし、一連の実験において課題遂行次に2個体の距離が近いと、優位個体が装置を独占する行動が認められたことから、協力できても他者との目的(報酬)を共有することは難しいことが分かった。ヒト以外の動物の協力関係を調査するために、げっ歯類(ラット・スナネズミ)と霊長類(コモンマーモセット)と鳥類(オカメインコ)を対象に、ひも引き協力課題などの行動実験をおこなった。その結果、げっ歯類では協力行動の生起が認められ、特にスナネズミは「協力における相手の存在の必要性」を認識できることも示された。一方、マーモセットや鳥類では協力的と考えられる行動が全く認められなかった。社会的に上下関係が形成されている動物では、優位個体が装置を独占する傾向があった。報酬の公平分配など、協力行動の成立には「パートナーを認める」能力が必要であり、げっ歯類は協力行動を検討する動物モデルとして有用と考えられる。それぞれの動物によって、認められるパフォーマンスに違いが認められ、その背景には、それぞれの動物の特性を表す可能性も考えられている。特に鳥類については別々の個体が交代して、同じ役割を担うことはできても、同じタイミングで同一の目標を達成することは難しいことが分かってきている。またマーモセットを対象とした実験から、個体内の社会的関係が協力行動の生起に大きく関わることも考えられる。スナネズミのみに望ましい結果が認められているため、一連の実験結果から何らかの結論を導くにはもう少し実験的分析をおこないたいが、概ね計画通りと考えられる。比較認知科学実際の自然場面を想定し、それぞれの動物がいつ、どの相手と協力するかという点について、集団飼育ケージ内に実験装置を導入することで検討することが残っている。またオカメインコとマーモセットはいまだ「ひも引き協力課題」にパスしていないため、その原因が動物自身にあるか、それとも実験の手続き上の問題なのかを同定する必要がある。研究計画の最終年度ということもあり、それぞれの動物の社会構造の違いに注目して、協力行動の成立にどのような要因が必要かを調査する。げっ歯類を対象とした実験課題は確立されつつある。より安定した明確な確証を示して論文発表するためには、いま以上にさらに多くのデータ数が必要と考えられるが、すでに所属の学会で研究発表することまで進めることができている。げっ歯類を対象とした実験装置や手続きを単純に鳥類と霊長類の実験課題に当てはめることができるかどうかについては未知な部分もあるが、概ね当初の計画通りに進展していると考えられる。実験装置を自作することや、装置事態の拡充よりも実質的に実験を進めることを優先したため、昨年度に実験装置のセットアップに関わる経費を一部、繰り越すことになった。今年度は予定していた金額を使用したが、昨年度の繰越金の一部が、次年度に残ることとなった。
植物の栄養応答における葉緑体場の代謝制御

本研究では、様々な外部刺激で駆動する葉緑体の緊縮応答と呼ばれる機構に着目し、葉緑体を場とする植物の栄養応答を制御する新たな仕組みを明らかにすることである。緊縮応答はもともと、細菌に普遍的に保存された栄養飢餓応答制御機構として知られていたが、近年、その関連遺伝子が様々な高等植物のゲノム上に保存されていることがわかってきた。分子系統解析の結果、これらの遺伝子は、シアノバクテリアの細胞内共生によって植物細胞にもたらされたと考えられる。しかしその因子の生理学的役割は明らかとなっていない。本研究では、モデル植物シロイヌナズナを材料に、様々な組換え体を作成し、それらを解析することで、葉緑体で機能する緊縮応答が、植物の栄養応答にどのような役割を果たすのかを明らかにすることを目指した。昨年度に確立したLC-MS/MSを利用したppGppの高感度定量系を用いて、シロイヌナズナ内のppGpp量の日周変動を調べた。その結果、夜間に一過的な上昇を示すことがわかった。このppGpp量の上昇により、葉緑体および植物体全体がどのような影響を受けるのかを検証する目的で、一過的にppGpp合成を誘導する系の構築を進めた。具体的には、枯草菌由来のppGpp合成酵素を、エストロゲン処理で誘導されるプロモータ下に配置したコンストラクトを作成し、それを野生型シロイヌナズナに導入した。得られた組換え体に対し、ppGppの過剰合成を、エストロゲン処理により誘導したところ、数日後に葉の白化が観察された。このことから、ppGpp蓄積により、葉緑体の機能が全般的に抑制されると考えられた。26年度が最終年度であるため、記入しない。そこで本研究では、モデル植物シロイヌナズナを材料に、様々な組換え体を作成し、それらを解析することで、葉緑体で機能する緊縮応答が、植物の栄養応答にどのような役割を果たすのかを明らかにすることを目指した。緊縮応答の中核を担う分子は、特殊な核酸分子ppGppで、この分子の細胞内存在量により緊縮応答は制御される。したがって、ppGppの濃度を測定することが、本研究の遂行に必須である。しかし植物内のppGpp量は、バクテリア内のそれに比して非常に少なく、測定が極めて困難であった。そこで本年度は、植物内のppGpp量を定量する系の構築を進めることとした。具体的には、近年導入されたLC-MS/MSを用い、ppGppの高感度定量系の構築を進めた。系の構築の3段階に分け、第一の行程では、細胞からの核酸画分の分離法を検討、第二の行程では、LCによる核酸の分離条件、第三の行程では、ppGpp検出におけるS/N比の向上を目指したフラグメントイオンの同定条件検討、を行った。その結果、これまでの検出法に比べ、検出感度を46桁上昇させることができた。またこの方法により、バクテリア(大腸菌)内のppGpp量を調べたところ、既知の報告と一致した。このことから、本定量系は本研究の目的にかなうものとなりつつあることがわかった。

26年度が最終年度であるため、記入しない。当初の研究目標は二つあり、それぞれ、1ppGppの高感度定量系の構築、2ppGppターゲットタンパク質の同定、であった。1に関しては、順調に研究を進めることができ、予想を遥かに超える高感度定量系の構築を確立しつつある。しかし、2に関しては研究があまり進展していない。これは、研究計画で予定していた放射性同位体ラベル化ppGppの作成が困難であることに起因している。この点の改善が今後必要と考えられる。ppGppの高感度定量系に関しては、本年度順調に研究を進めることができ、予想を超える高感度定量系の構築を確立しつつある。実際大腸菌のppGppの高感度定量に成功している。今年度はこれを応用し、植物内のppGpp定量を行う。これまでに何度か植物サンプル由来のppGpp定量を行ったが、実際の検出には成功していない。これは液体クロマトグラフィーによる核酸分離の前処理において、植物の細胞壁由来物質等により精製が不十分であるためと考えられた。今後、植物由来サンプルに特化した前処理条件の検討を行う必要がある。具体的には、疎水性カラムとイオン交換カラムをタンデムに配置し、精製度を高めることを検討している。ppGppターゲットタンパク質の同定に関しては研究があまり進展していない。本年度は上記2つの実験に加え、ppGppを過剰に蓄積する組換え植物体の作成を進めることを検討している。得られた組換え体の表現型と、その植物内ppGpp量の相関を調べることで、植物の栄養応答における葉緑体型緊縮応答の生理機能解明に迫れるのではないかと考えている。
小胞体ストレス応答を制御する転写因子XBP1の解析

当研究では、哺乳類の「小胞体ストレス応答」を制御する中心的な因子である「XBP1」の活性化機構の全容を明らかにすることを目的としている。これまでにXBP1に結合する因子としてUBC9(SUMO化経路のE2酵素)とRHA(クロマチンリモデリング因子)を単離した。これらの因子がXBP1の発現にどのように関わっているか調べるために本年度は以下の実験を行った。前年度までにUBC9とXBP1が結合することを酵母細胞内や哺乳類細胞内で既に調べたが、共免疫沈降法によっても両タンパク質の結合を調べた。HeLa細胞にpXBP1(S)とMycタグを付加したUBC9(Myc-UBC9)を発現させ、抗Myc抗体を用いてUBC9を免疫沈降すると、pXBP1(S)が共沈降してきた。興味深いことに、pXBP1(U)とMyc-UBC9を発現させて免疫沈降した場合もpXBP1(U)が共沈降してくるが、その度合いはpXBP1(S)に比べると少なかった。この結果から、UBC9はpXBP1(U)よりもpXBP1(S)に対してより親和性が高いことが示唆された。これまでに得られた実験結果から、UBC9がXBP1の正の制御因子であるといえる。そこでUBC9がどのようにXBP1の発現を制御しているのか調べることにした。まず、UBC9を過剰発現した細胞でXBP1タンパク質の分解が抑制されているかどうか調べた。ヒトHeLa細胞にプロテアソーム阻害剤であるMG132を処理してタンパク質の分解を阻害したときのXBP1タンパク質の量がUBC9を過剰発現したヒトHeLa細胞におけるXBP1タンパク質の量とほぼ同等であった。このことからUBC9がXBP1タンパク質の分解抑制因子であると考えられる。ただし、UBC9を過剰発現したためにXBP1 mRNAの量が増加してXBP1タンパク質の量が増加したという可能性も排除できない。そこで次に、UBC9を過剰発現したときのXBP1 mRNAの量を調べた。コントロール細胞とUBC9を過剰発現した細胞を比較すると、小胞体ストレス非存在下、小胞体ストレス存在下に関わらず、コントロール細胞とUBC9を過剰発現した細胞との間にXBP1 mRNA量の差はなかった。UBC9を過剰発現してもXBP1 mRNAの量は変化しないが、XBP1タンパク質の量は増加するという以上の結果から、UBC9はXBP1の分解抑制因子であるといえる。前年度までにyeast two-hybridscreeningによってXBP1に結合する因子としてUBC9(SUMO化経路のE2酵素)とRHA(クロマチンリモデリング因子)を単離した。UBC9がXBP1の分解を制御しているのではないかという仮説を検証するため、XBP1のみを導入した細胞とXBP1とUBC9を導入した細胞でXBP1の分解速度を比較した。その結果、両者間に大きな差は見られなかった。この実験は導入した遺伝子量の割合や細かい時間で分解速度を調べる必要があるなど改善の余地があるため、引き続き実験を行う予定である。また、小胞体ストレスの有無によってUBC9の局在が変化する可能性を検証するために、MycタグをつけたUBC9を導入した細胞を用いて小胞体ストレス条件下でのUBC9の経時的な局在変化を蛍光観察で調べた。その結果、有意な変化は見られなかった。また、小胞体ストレスをかけた細胞と小胞体ストレスをかけていない細胞をそれぞれ核画分と細胞質画分に分けて内在性UBC9の局在変化を調べたが、顕著な差は見られなかった。小胞体ストレスの有無でXBPIとUBC9の結合力に違いがある可能性を検証するため、XBP1とGSTを導入した細胞とXBP1とGSTが繋がったUBC9を導入した細胞に小胞体ストレスをかけてpull down assayを行った。その結果、両者間の差は検出されなかった。次年度は免疫沈降法によって小胞体ストレスの有無による結合力の差を調べる予定である。RHAに関しては、小胞体ストレスの有無によって細胞内のRHA量は変化しないことがわかった。今後はUBC9と同様に小胞体ストレスによる局在変化が起こっていないか調べ、RHAの発現を抑制することでXBP1による転写が促進するか調べたい。