hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
片腕運動-両腕運動の運動学習統一理論モデルの構築、実証とその応用

片腕運動時と両腕運動時の脳内情報処理の関係は明らかでなく、片腕、両腕運動を統一的に議論できる理論的枠組みは数少ない。本研究では、運動プリミティブの枠組みを発展させ、片腕運動時における運動学習過程と両腕運動時における運動学習過程を同時に記述する片腕-両腕運動統一理論モデルの構築を行った。これにより、従来別々のモデルで別々に考慮されていた片腕運動、両腕運動を統一的に扱うことが可能となった。加えて、提案モデルを実証する行動実験、より生物学的に妥当な数理モデルによる実装を行った。1年目は本研究課題の軸となる両腕運動と片腕運動の運動学習を統一的に説明する数理モデルの構築に関する研究成果をNeural networks誌にオープンアクセス誌として発表した(Takiyama & Sakai, 2017, Neural networks)。本研究課題前に、申請者は片腕運動から両腕運動への運動学習効果の転移を説明する数理モデルを発表していた(Takiyama & Sakai, 2016, Scientific Reports)。この自身の先行研究モデルを発展させ、従来別々に提案されてきた片腕運動の運動学習モデル(Thoroughman & Shadmehr, 2000, Nature)と両腕運動の運動学習モデル(Yokoi et al., 2011, JNS)を統一的に説明できる数理モデルを提案した。また、行動実験の結果のみならず、片腕運動、両腕運動におけるニューロン活動も同時に説明できることを示した。更に、提案した数理モデルは右半球における運動野、左半球における運動野間の結合において、興奮性と抑制性の結合がバランスしているときに脳内実装できることも示した。本研究成果と並行して、Node perturbationと呼ばれる強化学習アルゴリズムに基づく運動学習の数理モデルをJournal of Physical Society of Japan誌に、右腕の運動計画情報と左腕の運動計画情報を最適に統合する生物学的に妥当な神経回路網モデルに関する研究成果をJournal of Physics A誌に発表した。本研究課題の軸となる神経回路網モデルを学術論文誌として成果報告することが出来た。現在はモデル実証のための行動実験を進めている。2年目は片腕運動-両腕運動という運動パターンに限定せず、投擲運動、跳躍運動などより多様な運動パターンを考慮可能な、運動パターン普遍に運動学習過程を記述するための数理モデルを構築することに従事した。これにより、様々な運動パターンによる効率的なリハビリテーション、様々な運動パターンによる効率的なスポーツトレーニング方法の提案可能性が期待できる。本目的を達成する第1段階として、目標となる運動を達成する目標指向型の全身運動における動作計測を行い、各身体部位の各時刻の動きがパフォーマンスに寄与する割合を同定する機械学習手法を提案するに至った。具体的には、投擲動作、跳躍動作において、本来身体運動が従う非線形な運動方程式を考慮せずとも、比較的単純な線形な機械学習手法により、身体運動とパフォーマンスの関係性を記述できることを示した。本研究成果はオープンアクセスジャーナルであるScientific Reports誌に掲載された(Furuki & Takiyama, 2017, Sci Rep)。本研究成果と並行して、下記の研究に従事した。身体運動が従う運動方程式はユークリッド幾何ではなく、リーマン幾何に従う。それに加えて、身体運動は各試行毎にばらつく。リーマン幾何上における各試行毎のばらつきを考慮した、確率的運動計画法の提案を行い、本研究成果はNeural networks誌に掲載された(Takiyama, 2017, Neural Networks)。更に、前年からの研究を引き継ぎ、神経可塑性が存在する中で右腕の運動計画情報と左腕の運動計画情報を最適に統合する生物学的に妥当な神経回路網モデルに関する研究成果をJournal of Physics A誌に発表した(Takiyama, 2017, J Phys A)。提案した数理モデルを実証するための行動実験を行い、片腕運動-両腕運動の統一理論モデルの妥当性を示す。そしてモデルシミュレーションに基づく効果的な片腕運動、両腕運動のトレーニング方法を提案する。身体運動制御・身体運動学習当初予定していた研究計画より、効率的・効果的に実験を進めることができた結果、節約することができた。モデル実証のための追加実験を行い、被験者謝金として使用する。
お風呂に入ることができる福祉機器の開発

筋電図によるアクティブな制御が可能な防水型福祉機器のために、筋電図用防水アクティブ電極を開発した。また、水中と空気中で計測した波形の質を比較し、性能の低下がほとんど見られずに計測できることを確認した。また、無線による通信のために、消費電力を抑えるシステムを構築した。さらに、防水型の義手の試作として、安価なサーボモータを用いた義手を製作した。関節角度とインピーダンスを可変に設定することで、位置だけでなく力の大きさも筋電図による制御可能とした。福祉機器を操作する元になる信号を水中でも計測できる装置にするため、耐水性筋電アクティブセンサの開発を行った。これまでにも電極上で信号を増幅するアクティブ型の筋電センサを開発してきたが、これまでの筋電センサの問題点を考慮し高インピーダンスでもSN比が高い電極を作成するために、バッファアンプを備えた電極を試作した。また、防水性も考慮に入れた電極のケースを設計・試作し,水中での計測を行った。さらに、信号を無線で計算機などに送信するため、無線モジュールの開発を行った。市販の無線モジュールに生体信号処理用の増幅回路や筋電図から力を計算するローパスフィルタなどの回路を追加し、防水型電極の信号を計算機に取り込めるような回路を設計した。この結果、水中でも空気中とほぼ同様に信号が計測できることを確認した。また、ロボットの自由度を2自由度とし、手首の屈曲・伸展と指の曲げ伸ばしを同時に行ったとしても各自由度の角度を精度良く推定するために必要な条件を検討した。この結果、手首の関節角度は、筋骨格モデルを用いることで力だけでなく角度や剛性も推定できることがわかった。また、指については、解剖学的なモデルの作成が難しいため、人工神経回路モデルにより関係を学習させた後、その結果をモデルに取り入れることで精度を向上することができた。さらに、手先に1kg程度のおもりを乗せても動かせる程度の手首ロボットを作成した。防水を考慮に入れ、サーボモータを用いた構成で施策を行った。常用、あるいは緊急時でさえも意識せずに、自分の身体と同様の感覚で使用できるように、福祉機器の制御機構だけでなく、防水性を考慮した福祉機器を開発することを目的とする。例えば、義手を考えた場合、これまでの電動義手はメカニカルな部分にゴム製のカバーを被せることで耐水性をあげていた。しかし、カバーが破れてしまえば、耐水性がないため故障の原因になっていた。本研究では、より一般的な状況で、義手などを意識せず、自分の体の一部として使用できるための設計指針を与え、試作によりその性能を確かめることを目指している。今年度は、福祉機器を操作する元になる信号を水中でも計測できる装置にするため、耐水性筋電アクティブセンサの開発を行った。また、防水性も考慮に入れた電極のケースを設計・試作し、水中での計測を行った。電極の数を増やすことである程度独立して角度を推定できることを確認したが、より精度を向上させるため、アルゴリズムの改良を行っていく。今年度は、福祉機器を操作する元になる信号を水中でも計測できる装置にするため、耐水性筋電アクティブセンサの開発と計測した信号を無線で計算機に送信できるシステムの試作を計画していた。アクティブ型センサについては、入力インピーダンスの変化に対応できるように、バッファアンプを追加した計測回路を設計し実装した。通常での使用において、問題なく筋電信号を計測することに成功し、当初の目的を達成した。この結果、水中においては、ノイズレベルが若干増加するが、筋電図自体は精度良く計測できることを確認した。市販の無線モジュールを使用し、USBで計算機と接続し筋電図を500Hz以上のサンプリングレートで計測できることを確認した。どれだけ多くの複数のチャンネルを同時に計測できるかについては、今後検討をする。2自由度のロボットの設計については、どの自由度を実現するか筋電図より推定できる関節角度を調べた。その結果、手首と指の開閉については、筋電図を計測するチャンネルを増やすことで、推定精度が向上することを見い出した。

これらの結果より、今年度の計画は、当初の計画通り概ね順調に進んでいると判断した。今年度は、次の2項目を中心に研究を推進する。一つ目は、無線モジュールと電極を用いて計算機上のハンドを操作し、試作した電極により得られる筋電図の品質の評価を行う。また、無線モジュールと電極を一体化し、計測実験を行う。これらの研究を通じ運動や水分などのアーチファクトがある自然な環境でどの程度筋電図が計測できるのかを検証する。上腕に電極を複数固定する方法についても、防水性を考慮に入れて設計する。これまでに、電極を表裏に3個ずつ設置した場合、関節角度の推定精度が高かった。このため、電極を3個ずつにまとめ信号を計測する。二つ目は、ロボットの試作を行う。筋電図計測部から送られてくる信号から関節角度を推定し、その結果をロボット部に送信し、その指令に応じてロボットの角度を操作するための受信モジュールと、関節角度を計算する回路を作成する。無線モジュールの開発を、今年度は試作せず、市販の無線モジュールを使用し計測実験を行ったため、費用を抑えることができた。未使用額は、次年度の無線モジュールの試作のために使用する。次年度は、より小型化し電源を電池などで供給できる仕様にした無線モジュールを設計試作する。また、複数の電極を一列に並べて、バンドなどで固定しやすくできるものを試作する。また、ロボットについても、無線でロボットの制御情報を受け取り、モータを制御する回路を設計試作する。
環状テルペノイドおよびヌクレオシド系抗生物質生合成マシナリーの解明と再構築

1糸状菌が生産するFusicoccinの12位水酸基を除去した誘導体が新規抗がん剤のリード化合物として期待されている。そこで生合成工学により、目的中間体を蓄積する菌株を育種した。2カビ由来のインドールジテルペンの生合成に関与するプレニル基転移酵素PaxC、PaxD、AtmDの機能解析を行った。3メナキノン新規生合成経路中間体であるフタロシンの生成機構の解明を行い、S-アデノシルメチオニン由来のアデノシルラジカルを直接基質に用いる新規酵素の機能解明に成功した。4非タンパク性のアミノ酸をリン酸化し、次いでペプチドのアミノ基を求核剤に用いてアミドを形成する新規ペプチドリガーゼを見出した。1.フシコクシン生合成マシナリーの同定と再構築:フシコクシンA(FCA)は糸状菌が生産するジテルペン配糖体であり、その12位の水酸基を除去した誘導体が新規抗がん剤のリード化合物として期待されている。しかし、合成法による水酸基の除去は複雑で低収率であることから、本水酸基導入遺伝子の同定と破壊を最終目標にFC生合成マシナリーの全容解明を行った。ドラフトゲノム解析により同定した染色体上で離れて存在する2つのクラスターに見出した13の生合成遺伝子について解析を行った。合計5つのP450遺伝子Orf3、Orf5、Orf7、Orf10、Orf13に関しては、酵母を用いた異種発現、および相同組換えによる破壊実験により、ORF5、ORF3、ORF7、ORF10、ORF11が、各々8、16、9、12、19位を水酸化することを明らかにした。またORF10破壊株は、12位に水酸基の無い生合成中間体FCHのみを野生株のFCAと同程度生産した。FCHからは半合成で容易に抗がん剤に誘導体化可能であり当初の目的を達成した。さらにジオキシゲナーゼ(ORF2)、酸化還元酵素(ORF4)、糖転移(ORF6)、メチル基転移(ORF8)、およびプレニル基転移酵素(ORF11)に関しては、各々を組換え酵素として発現させ、生合成中間体を基質に用いたin vitroアッセイにより予想される活性を検出した。2.インドールジテルペン生合成酵素の解析:パキシリンの生合成に関与すると推定される3つのプレニル転移酵素のcDNAを生産糸状菌から取得した。現在、これらの機能解析を行っている。3.ポリオキシン・フタロシンの生合成マシナリーの同定と再構築:ヌクレオシド系抗生物質であるポリオキシンやメナキノン新規生合成経路中間体であるフタロシンが持つヌクレオシドの5'位の炭素-炭素結合生成メカニズムの解明を目的に解析を行った。ポリオキシン生合成の初発反応に関しては、UMPの3'位にフォスフォエノールピルビン酸が付加する反応が報告されている(詳細は未解明であるが、その後5'位に転位されると予想されている)。追試した結果、報告通りポリオキシン生合成遺伝子クラスター内のPolAが本反応を触媒した。現在、次の反応を触媒する酵素をクラスター内に探索している。1.インドールジテルペン生合成酵素の解析(計画班、及川先生との共同研究):Aspergillusflavusが生産するaflatrem生合成遺伝子クラスター中に存在するatmDを機能解析した結果、paxillineの20位または21位をリバースにモノプレニル化することが分かった。さらにpaxilline生合成中間体であるpaspalineの21位または22位をレギュラーにモノプレニル化すること、farnesyl indoleの5位または6位をレギュラーにモノプレニル化することも判明し、AtmDは寛容な基質特異性、位置特異性、レギュラー/リバース特異性を有することが分かった。また、糸状菌Phomopsis amygdaliに見出したatmDと相動性を有する遺伝子(amyD)について組換え酵素を用いて機能解析した結果、paxillineの20位と21位をダイプレニル化することが分かった。なおAmyDは本活性を有する酵素としては初めての例である。さらに、AtmDとAmyDについて酵素学的諸性質を詳細に検討した。2.ポリオキシン・フタロシンの生合成マシナリーの同定と再構築:ヌクレオシド系抗生物質であるポリオキシンやメナキノン新規生合成経路中間体であるフタロシンが持つヌクレオシドの5'位の炭素ー炭素結合生成メカニズムの解明を目的に昨年度に続き解析を行った。フタロシンに関しては、Texas A & MのBegley教授との共同研究により、生合成メカニズムの解明に成功した。

MqnA酵素がコリスミ酸を芳香化した後、Radical SAM酵素(MqnE)により生じたアデノシルラジカルがフォスフォエノールピルビン酸由来の二重結合に付加することにより生成することが分かった。ポリオキシンに関しては、5'位の炭素ー炭素結合に関与すると推定されるpolC, D, K, H)を破壊した。1.インドールジテルペン生合成酵素の解析(計画班、及川先生との共同研究);昨年度までに、糸状菌由来の3つのプレニル転移酵素、PaxD、AtmD、AmyDについてpaxillineを基質に用い機能解析した。今年度は、有機合成した非天然型のインドール誘導体139サンプルを及川研から供与を受け、これら酵素の基質となり得るか検討した。その結果、AtmDが最も許容性が高く8つの化合物が基質となり、殆どの基質で複数の生成物が得られた。また、変換率に関してもAtmDが高い活性を示し、最大、40%の値が得られた。2.ヌクレオシド系抗生物質生合成マシナリーの解明;メナキノン新規生合成経路中間体であるフタロシンが持つヌクレオシドの5'位の炭素ー炭素結合生成メカニズムに関しては、昨年度までに解明を終えた。ポリオキシンに関しては、5'位の炭素ー炭素結合に関与すると推定されるpolC, D, K, Hの破壊を試みたが破壊株が取得できなかったことから中断した。3.ペプチドリガーゼ相同遺伝子の機能解析;つい最近筆者は、非タンパク性のアミノ酸のカルボン酸をリン酸化し、次いでリボソームで合成されたペプチドのアミノ基を求核剤に用いてアミドを形成する新規ペプチドリガーゼを見出した。そのオーソログは放線菌など多様な微生物ゲノムに見いだされ、何れも個々に固有な遺伝子とクラスターを成していた。4つについて機能解明のため、Streptomyces lividansを用いて異種宿主発現させた結果、何れにおいても特異的生産物を検出できた。一つを構造解析した結果、amidino-Arg、Leu、Pheからなるトリペプチドと判明したが、後者2つのアミノ酸がペプチド結合では無く、カルボニルメチレンで結合した構造を有していた。現在、その生合成機構の解明を試みている。インドールジテルペン生合成酵素の解析:本年度は、パキシリンの生合成に関与するプレニル基転移酵素PaxCとPaxDの機能解析を行った(計画班、及川先生との共同研究)。これまでにScottらにより、パキシリン生産菌Penicillium paxilliに生合成遺伝子クラスターが同定され、paxB, C, G, M, P, and Qによりパキシリンが生成することが明らかにされている。このうち、paxCは、ゲラニルゲラニルインドールの生成に関与すると推定されていたが真の基質をはじめ詳細は未解明であった。そこで組換え酵素を用いて解析した結果、PaxDは、GGDPをindoleとindole-3-glycerol phosphateの両方に転移可能であるが後者がより良い基質であることを明らかにした。また、上記paxQの隣には、機能未知でプレニル転移酵素と相動性を有するpaxDが存在することから、組換え酵素を用いて解析した結果、パキシリンの20と21位にジメチルアリル2リン酸を2分子転移する活性を有することも明らかにした。このプレニル化パキシリンは、生産菌の培養液中にも微量存在したことから最終産物はプレニル化パキシリンであることが分かった。さらに、PaxCとPaxDの酵素学的諸性質を詳細に検討した。ポリオキシン・フタロシンの生合成マシナリーの同定と再構築
熱帯域の海洋・大気循環の変動

1.海洋研究グループは三次元の太平洋モデルを完成し,鉛直粘性や拡散の効果によって赤道潜流等の構造が著しく変化することやリチャードソン数依存性を考慮した混合層モデルにより西太平洋の厚い等温層を再現しうることを明らかにした.実際の風を用いて熱帯太平洋の変動のシュミレーションを行った結果, ENSOの前年に西太平洋に蓄積した暖水がENSO年の初期にケルビン波として東進し,中央部太平洋に於ける海面水温を上昇させることが明らかになった.更に, ENSO年前の西太平洋に於ける暖水の蓄積が中部及び西太平洋上にあらわれる東風のアノマリーによることもわかった.2.気象研究グループは全球に分布する気象及び海水温のデータを用いて, ENSOの全球構造を明らかにした.特に,インド洋上に出現する地上気圧と大気循環のアノマリーは東部太平洋へ伝播するが,ユーラシア大陸の積雪分布のアノマリーが先駆現象として現われる.このアノマリーはインドモンスーンの準2年振動に対応し,海洋グループの指摘する西太平洋の海面水温変動と密接な関連がある.モデルグループは大気大循環モデルを用いて,世界に先駆けて季節内変動を再現し,そのメカニズムを調べた.ENSOとの関連等で季節内変動の研究は現在国際的に最も活発な一分野を形成するに至っている.3.相互作用研究グループは熱帯域の大気海洋相互作用のありうる形態を3通りに分類し, ENSOを引き起こすと考えられる不安定の機構を明らかにした.特に導出した不安定の必要条件は簡明なもので広く利用されている.さらに新しく開発した大気海洋結合モデルを用いて, 1982/83年, 1986/87年のENSO現象を外力をいっさい用いないで自動的に再現することに成功した.この成功はより完全な大気海洋結合モデルを作製する際に指導原理を与えることになる.1.海洋研究グループは三次元の太平洋モデルを完成し,鉛直粘性や拡散の効果によって赤道潜流等の構造が著しく変化することやリチャードソン数依存性を考慮した混合層モデルにより西太平洋の厚い等温層を再現しうることを明らかにした.実際の風を用いて熱帯太平洋の変動のシュミレーションを行った結果, ENSOの前年に西太平洋に蓄積した暖水がENSO年の初期にケルビン波として東進し,中央部太平洋に於ける海面水温を上昇させることが明らかになった.更に, ENSO年前の西太平洋に於ける暖水の蓄積が中部及び西太平洋上にあらわれる東風のアノマリーによることもわかった.2.気象研究グループは全球に分布する気象及び海水温のデータを用いて, ENSOの全球構造を明らかにした.特に,インド洋上に出現する地上気圧と大気循環のアノマリーは東部太平洋へ伝播するが,ユーラシア大陸の積雪分布のアノマリーが先駆現象として現われる.このアノマリーはインドモンスーンの準2年振動に対応し,海洋グループの指摘する西太平洋の海面水温変動と密接な関連がある.モデルグループは大気大循環モデルを用いて,世界に先駆けて季節内変動を再現し,そのメカニズムを調べた.ENSOとの関連等で季節内変動の研究は現在国際的に最も活発な一分野を形成するに至っている.3.相互作用研究グループは熱帯域の大気海洋相互作用のありうる形態を3通りに分類し, ENSOを引き起こすと考えられる不安定の機構を明らかにした.特に導出した不安定の必要条件は簡明なもので広く利用されている.さらに新しく開発した大気海洋結合モデルを用いて, 1982/83年, 1986/87年のENSO現象を外力をいっさい用いないで自動的に再現することに成功した.この成功はより完全な大気海洋結合モデルを作製する際に指導原理を与えることになる.各班ともに順調に計画を遂行しただけでなく、九州大学において全体集会を全国から60名以上の参加を得て成功させることができた。WCRPのTOGA計画の助走としての役割にとどまらず、既にいくつかの研究は米国や英国に類似の研究を促すことにもなった。以下に各班の成果を簡潔にまとめることとする。1.杉ノ原班は海洋循環の精密な解像をめざして三次元レベルモデルを完成した。特に鉛直粘性,拡散の効果によって赤道潜流及び土屋潜流の形成を確認した。定常循環を正確に再現することは、現実的な大気海洋結合モデルへの着実な一歩となる。2.竹内班はリチャードソン数依存性を取り入れた赤道海洋混合層モデルを作製し、フロリダ州立大の風のデータを用いて、海面水温の気候値,季節変動,経年変動を再現する試みを行った。特に西太平洋のサーモスタッドを良く再現することができた。3.安成班はグローバルな気象及び海面水温データを用いて、過去20年間のENSO(エル・ニーニョと南方振動)の実態を明らかにした。特に変動の東方伝播や準二年振動(QBO)との関連を明らかにした。4.松野班はENSOとの類似性や引金としての役割を注目されている大気の3050日振動を大気の「水惑星モデルを用いて、世界に先駆けて再現した。加えてモデル解析により雲のスーパー・クラスターを予想し、静止衛星画像処理により検証した。5.山形班は大気海洋結合モデルの物理的性質を簡単化し分類するとともに海洋混合層を取り入れた結合モデルを作製しENSOの振動を再現した。加えて簡潔な湿潤モデルにより3050日振動の機構を検討した。これらはAMSのBulletin等で評価された。
原子間力顕微鏡を用いた溶液中生体分子の物性マッピング手法の開発

個々のタンパク質が機能している状態の構造や物性を直接観察することは、タンパク質の動作メカニズムを解明するために極めて重要である。本研究の目的は、溶液中かつナノ分解能で観察できる原子間力顕微鏡を用いて、生体分子の電位分布を観察する技術を開発することである。具体的には、半導体探針先端に光照射することで光起電力を誘起し、試料表面の局所電荷との静電的相互作用力を直接検出できるかどうか検討する。前年度、光起電力を利用した探針-試料間静電的相互作用力は微小な信号として表れている可能性があることがわかった。そこで今年度は、溶液中原子間力顕微鏡の力検出感度の高感度化のために、前年度、理論的には有効であることを示したQ値を実効的に増大できるQコントロール法による位相変調方式原子間力顕微鏡の力検出感度に対する効果について実験的に評価した。まず、カンチレバーの変位信号から測定した位相ノイズ密度スペクトルから位相ノイズを求め、位相ノイズから見積った検出可能な最小の相互作用力の実効的なQ値依存性を調べた。その実験結果は理論と一致しており、理論の正当性が示された。さらに、Q値を高めることによって力検出感度が従来の原子間力顕微鏡の限界を超える可能性もあることも示された。また、Q値を1桁以上向上させることにより、カルサイト(CaCO_3)の液中高感度原子分解能イメージングを実現した。今後、この高感度力検出法を用いて、溶液中での光起電力による探針-試料間静電的相互作用力の検出を目指していく。本研究の目的は、生体分子の機能メカニズムを解明するために、溶液中かつナノ分解能で観察できる原子間力顕微鏡(AFM)を用いて、生体分子の電位分布を観察する技術を開発することである。今年度は、1.溶液中AFMの変位検出の高感度化(Q値制御法の検討、光てこ変位検出計の最適化)、2.光起電力を利用したDNAの構造・電位同時観察を行ってきた。1.溶液中AFMの検出感度が低い原因は、溶液中での低いカンチレバーのQ値にある。そこでカンチレバーのQ値を実効的に増大することができるQ値制御法の理論的検討を行った。その結果、位相変調方式の変位検出におけるQ値制御は高感度化が可能であることがわかった。また、AFMの光てこ変位検出計の光学系や検出回路の最適化により、変位検出計の雑音を一桁低い15fm/√Hzまで低減することに成功した。今後、Q値制御法の実験的評価を行い、生体分子の高分解能観察を行っていく予定である。2.1で実現した高感度変位検出計を用いて、DNAの電位分布観察を行った。シリコン製の探針にカンチレバーの共振周波数より十分に低い周波数で変調をかけたレーザー光を照射することによって誘起させた電位(光起電力)と、試料の持つ電位との間にはたらく相互作用力を検出することで、DNAの表面電位分布を観察した。得られた電位分布像から、DNAと不純物との間に違いが表れていることがわかった。しかしこの違いは、レーザー光がカンチレバーにも照射されてしまうために起こるカンチレバーの熱膨張が余計な振動を引き起こし、電位分布像に異なる情報を与えていることもわかった。今後はレーザーをより高い周波数で変調させるか、近接場光による照射によって、カンチレバーの熱膨張を抑えて電位分布を観察する予定である。
野生型および変異型プリオン蛋白遺伝子の病態発現機構の解明

クロイツフェルト・ヤコブ病(CJDと略)の病原因子としてプリオン仮説が提唱されている。プリオン蛋白遺伝子の点変異が、家族性CJDで検出されてから、プリオン蛋白遺伝子の検索はCJD症例で注目されるようになった。我々は日本人のCJD患者を中心とする初老期痴呆患者の中で新しくcodon105,codon102/219,codon145,codon178,codon180,codon210,codon232の変異と3種の挿入変異(96bp,144bp,168bp)を見いだした。これらのうち、異常プリオン蛋白がシナプスに沈着する型としてcodon178,codon180,codon232の変異があり、細胞外にアミロイド斑として沈着する型としてcodon105,codon102/219,codon145,挿入変異があげられることを明らかとした。シナプス型は臨床的に急速に進行する痴呆として特徴づけられ、一方アミロイド斑の沈着する局所症状より始まるゆっくりと進行する痴呆がその特徴であることを報告してきた。さらにcodon145の変異がstop codonであることを利用し、野生型プリオン蛋白と変異型プリオン蛋白の動態を患者の脳内で解析したところ、変異型プリオン蛋白のみから細胞外のアミロイド斑が形成されることを見いだした。つまり変異型プリオン蛋白のみから異常なアミロイド斑形成が行われていることを証明した。この報告は、1994年アメリカ、イタリアのグループが他の変異で追試を行い再現性を確認している。さらに感染実験をそれぞれの変異で行い、現在のところシナプスをおかずプリオン病からの感染実験の成功率は非常に高いもので、これを比較し、細胞外のアミロイド沈着型では低いという結果も得ている。プリオン蛋白遺伝子の点変異が、家族性CIDで検出されてから、プリオン蛋白遺伝子の検索はCJD症例で注目されるようになった。我々は日本のCJD症例で新たに、codon105、codon145、codon180、codon210、codon219、codon232の変異と3種類の挿入変異を見いだし、異常プリオン蛋白の沈着形式により細胞外にアミロイド斑として沈着するタイプは、codon105、codon145と3種類の挿入変異であることを、一方、中枢神経系のシナプスに沈着するのは、codon180、codon232の変異であることをみいだし、プリオン蛋白の一次構造が、異常プリオン蛋白の沈着部位を決定していることを報告してきた。また、我々のみいだした新しい変異は、すでに全てクローニングを終了し、蛋白の発現系も一部の変異に関してはすでに完成している。また、特にcodon145の変異に関しては、non-senseの変異であったため、蛋白レベルでの解析が容易であり、codon145以後のC末が欠失した変異プリオン分子のみから、アミロイド斑が構成されることを証明した。また、codon180とcodon129の変異を別々のアレルにもつ症例の検討より、両方の分子とも異常になりうることを初めて明らかとした。このような分子機構のみでなく、日本人CJD患者が予想を上まわって変異の頻度が多いことも明らかとなった。来年度は、さらに検索するとともに、どのような分子機構で異常プリオン蛋白の沈着部位が決定されるのかを検討する。

我々は日本のCJD症例で今年度新たに、codon 219Lysの正常多型がcodon 102Leuの変異アレルに存在する家系と、codon 178変異を日本人家系でみいだした。codon 102変異は、ゲルストマン・ストロイスラ-症候群(GSSと略)の変異として有名であるが、これにcodon 219Lysの正常多型が加わることにより、典型的な小脳変性症型のGSSとはならず、剖検例でもCongo Red染色では陰性でアミロイド斑をみとめず、免疫染色にてはじめてびまん性のプリオン斑がみられるというものであった。同一家系内に4名の発症があり、患者の全てで、codon 102とcodon 219Lysを認めた。一方、codon 178の変異は、イタリアの家系でfatal familial insomnia(FFI)として報告されているもので、non-italianでは初めての検出であった。進行性痴呆の病型をとり、insomnia病状はないものの、視床変性症としての病理像を示した。日本では、古くから分類不明の痴呆を伴う視床変性症の症例報告があるが、今後このような視床変性症の患者の遺伝子検索をする必要があると思われる。本研究をはじめた時の予想をはるかにこえ、日本人の初老期および老年期の痴呆患者のなかには、プリオン病の比率が多いことが明らかとなり、今後痴呆患者の診断にはプリオン蛋白遺伝子解析が不可欠なものとなろう。
幼児期から児童期にかけての睡眠習慣・睡眠問題に関する縦断的研究

保育園児では昼寝の日課があるために、昼寝の平均持続時間および回数が多く,午後の長い昼寝の習慣は,夜間睡眠の就床時刻を遅らせ,さらに寝起きの悪さや午前中の機嫌の悪さと関連している可能性が示唆されている。では,このような幼児期の睡眠パターンは,児童期の睡眠パターンに影響を与えるのであろうか。かつて保育園と幼稚園のいずれかに通園していた児童を対象に,現在の睡眠パターン等について調査を行った。その結果、小学校1年生と4年生において,平日の就床時刻がかつて保育園に通園していた児童で有意に遅く、2年生で遅い傾向があった。平日の睡眠時間は1年生と4年生で,幼稚園出身児童に比較して保育園児出身児童で有意に短かった。1週間あたりの昼寝の頻度と起床時の気分と夜更かしの頻度に関してはどの学年においても両群間に差は認められなかった。以上を要約すると,夜間睡眠の就床時刻と夜間睡眠の長さに関しては,保育園出身児童で就床時刻が後退しており、夜間睡眠時間も短かったが、回帰直線の傾きからは、その差が加齢とともに減少していく傾向が読み取れた。それに対して、幼児期に保育園児の就床時刻を決定する主要な原因であると考えられた昼寝の頻度に関しては、両群の間に統計的に意味のある差は認められなかった。また、就床時刻の後退とともに保育園児に認められた起床時の気分の悪さや、高頻度の夜更かし傾向などについても両群の間に有意な差は認められなかった。このことから、睡眠パターンを規定する要因であった昼間睡眠の習慣がなくなり、昼間睡眠それ自身も習慣として定着することは無かったにも関わらず、就床時刻や夜間睡眠の長さといった要素は,小学校に進学した後も数年間はその状態が持続する可能性があると考えられ、幼児期の睡眠の習慣がその後の睡眠習慣の形成に対して重要な位置を占めていると考えられた。幼児期の睡眠パターンの発達的変化ならびに幼稚園児と保育園児の睡眠関連現象の比較を中心に検討を行った。幼稚園児124名と保育園児317名を対象に睡眠関連習慣についての質問紙と10日間にわたる睡眠日誌の記入を依頼した。幼児期には夜間睡眠は殆ど変化しないが昼間睡眠は顕著に減少していた。しかし保育園では午後に昼寝を取らせるため保育園児の平日の昼間睡眠は3年間ほぼ一定であった。一方、保育園児では夜間睡眠時間が短く就床時刻が遅かった。また、夜更かし、寝不足感、寝起きの気分、登園拒否傾向、寝付くまでの時刻、寝付きの悪さなどの問題は保育園児で有意に多くみとめられた。つぎにこれらが母親の就労による生活の夜型化によるものかを検討したが、保育園児の母親とと幼稚園児の母親の間で起床時刻、就床時刻、睡眠持続時間とも、有意な差は認められず就労そのものが夜型化の主要な要因とは考えられなかった。また、母親の就床時刻と幼児の就床時刻との間にも関連が認められなかった。幼稚園児に比較して保育園児では夕食の時刻が遅かったが、同時に保育園児では夕食の時刻と就床時刻の間に強固な関係が認められず、夕食の時刻が夜型化の要因とも考えにくかった。一方、昼間睡眠の夜間睡眠に対する効果を調べるため、昼間睡眠のあった日となかった日とで、その前日の睡眠時間と当日の就症時刻を比較したところ、前日の睡眠時間の長さには有意な差は認められず、当日の就床時刻は昼間睡眠のあった日に有意に遅くなっていた。以上の結果を総合すると、保育園児における就床時刻の遅延は保育園で行っている午後の昼間睡眠が原因である可能性が高く、このため睡眠覚醒リズム振幅が低下し寝起きの気分の悪さなどの様々な睡眠関連問題が生じていると考えられた。

保育園での昼間睡眠の日課は少なくとも年長児については再検討が必要と思われた。保育園では午後に約90分間の昼寝の日課がある。これに対して幼稚園児では午後の昼寝は本人の自然な欲求に基づいてとられている。実際、幼児期の昼寝の発達パターンを比較すると、保育園児で昼寝の平均持続時間および回数が多い(坂下と福田、1995)。また、午後の長い昼寝の習慣は、夜間睡眠の就床時刻を遅らせ、さらに寝起きの悪さや午前中の機嫌の悪さと関連している可能性が示唆されている(Fukuda,1999)。では、このような幼児期の睡眠パターンは、児童期の睡眠パターンに影響を与えるのであろうか。保育園と幼稚園のそれぞれに通園していた児童(小学1年生から3年生)を対象に、現在の睡眠パターン等について調査を行った。調査対象児童は、保育園出身児童が78名、幼稚園出身児童が38名であった。その結果、小学校1年生と2年生において、平日の就床時刻が保育園児で有意に遅く、3年生では両群に差が認められなかった(幼稚園出身児童:1年生(20:45)、2年生(20:53)、3年生(21:16);保育園出身児童:1年生(21:08)、2年生(21:23)、3年生(21:18);1年生:t=2.04,df=39,p=0.048;2年生:t=2.27,df=34,p=0.029;3年生:t=0.185,df=37,p=0.854)。また、平日の睡眠時間は1年生でのみ、保育園児出身児童で有意に短かった(幼稚園出身児童:1年生(9:38)、2年生(9:28)、3年生(9:14);保育園出身児童:1年生(9:08)、2年生(9:11)、3年生(9:03);1年生:t=2.29,df=39,p=0.027;2年生:t=1.28,df=31,p=0.208;3年生:t=1.023,df=38,p=0.313)。以上から、幼児期の睡眠パターンは、小学校に進学した後も12年間は、その影響が持続する可能性があると考えられた。実際,幼児期の昼寝の発達パターンを比較すると,保育園児で昼寝の平均持続時間および回数が多い(坂下と福田,1995)。また,午後の長い昼寝の習慣は,夜間睡眠の就床時刻を遅らせ,さらに寝起きの悪さや午前中の機嫌の悪さと関連している可能性が示唆されている(Fukuda,1999)。では,このような幼児期の睡眠パターンは,児童期の睡眠パターンに影響を与えるのであろうか。昨年度に引き続き,保育園と幼稚園のそれぞれに通園していた児童を対象に,現在の睡眠パターン等について追跡調査を行った。調査対象児童数は,昨年とほぼ同様ではあるが,対象児童の学年が1学年繰り上がっているため,4年生のデータが追加されたことと,2年生と3年生の延べ人数が増加した点が昨年度と異なる点である。その結果,小学校1年生において元保育園児で就床時刻が有意に遅く,睡眠時間が有意に短いという幼児期の特徴が持続していた。また,2,3年においては,有意ではなかったが,元保育園児で就床時刻が遅く睡眠時間が短いという傾向が持続し,4年生になって就床時刻はほぼ同一の値をとったが,睡眠時間は依然として保育園児で短い傾向がわずかながら認められた。以上から,幼児期の睡眠パターンは,小学校に進学した後も約3年間は,その影響が持続する可能性があると考えられた。
ヘテロ接合を用いたサブミリ波検出器の開発

本研究では、常温動作可能なサブミリ波検出器としてヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)構造を用いた検出器の開発を行った。従来から用いられているショットキ・バリア・ダイオード(SBD)は、寄生容量や直列抵抗を極めて小さくできることから、5THz以上までの高い周波数の電磁波を検出することが可能であるが、本研究では、100GHz1THzの周波数帯において、SBDを上回る感度をもつ検出器を開発することを目的とした。まず、Siバイポーラ・トランジスタを用いたマイクロ波モデルの結果に従って、直径5μmのエミッタをもつHBTの製作を行った。ベース・エミッタ構造を形成するためのフォトリソグラフィ、選択ウエットエッチング・オーミック電極形成などを行い、良好なベース・エミッタ電圧電流特性を得た。次にコレクタ構造の形成に取りかかったが、選択ウエットエッチング行う際、電極周辺のエッチングむらが生じ、良好なトランジスタ構造を得ることが困難であった。そこで、ECRプラズマを用いたRIBEを試みた。エッチングガスには塩素を用い、イオンの加速電圧は200Vとし、半導体への損傷をできるだけ押さえてエッチング加工を行った。製作したトランジスタの電圧電流特性を測定したが、リーク電流が多く、現在までに、十分なトランジスタ特性を有するものは得られていない。また、電圧・電流特性測定中に素子の劣化及び破壊が多く見られた。これらは、プロセス中にベース不純物の拡散が生じ、構造物劣化が生じたか、エミッタ電流が30mA程度になることもあり、急速に素子の劣化が著しく進んだと考えられる。今後、本検出器を安定に移動させるためには、まず安定に動作するトランジスタ素子を製作することが必要である。現在のエミッタ電流が大きすぎることが明らかになったため、エミッタ電極を直径1μm以下のものにして素子の製作を行う予定である。本年度はヘテロ接合を用いた検出器の製作に着手した。エミッタ、ベース、電極引き出しの各パターンのフォトマスクを製作し、それを用いてフォトリソグラフィ、化学選択エッチングを行ない、n-AlGaAsエミッタ、及びp^+-GaAsベースを形成した。n^+-GaAs/n-AlGaAs/p^+-GaAs層の化学選択エッチングには、クエン酸アンモニア過酸化水素水、及び熱フッ酸を用いているが、それらのエッチング条件を決定した。エミッタは直径が36μmのアレイ状のものとし,周囲にベース領域を設けている。電極の引き出しは,現在、タングステンカーバイドプローブ、または尖端を機械的に研磨したPtの細線を用いている。次の段階ではエアーブリッジ構造の電極配線を採用する予定である.化学選択エッチング工程のテスト用電極を用いて、エミッタ・ベースI-V特性を測定した。タングステンカーバイド製のプローブを用いてn-GaAs/n-AlGaAsとの間のショットキ接触のI-V特性測定を行いながら化学選択エッチングをくり返すと,立ち上がりが鋭く直列抵抗の少ないn-AlGaAs/P-GaAs接合の特性が得られた。これらより選択エッチングの条件はほぼ確立された。現在ベース電極形成プロセスの改良を行っているところである。今後、トランジスタ特性を確かめた後、マイクロ波及びミリ波帯で、まずはロングワイヤアンテナと組み合わせて検出特性を測定する予定である。

従来から用いられているショットキ・バリア・ダイオード(SBD)は、寄生容量や直列抵抗を極めて小さくできることから、5THz以上までの高い周波数の電磁波を検出することが可能であるが、本研究では、100GHz1THzの周波数帯において、SBDを上回る感度をもつ検出器を開発することを目的とした。まず、Siバイポーラ・トランジスタを用いたマイクロ波モデルの結果に従って、直径5μmのエミッタをもつHBTの製作を行った。べース・エミッタ構造を形成するためのフォトリソグラフィ、選択ウエットエッチング、オーミック電極形成などを行い、良好なベース・エミッタ電圧電流特性を得た。次にコレクタ構造の形成に取りかかったが、選択ウエットエッチング行う際、電極周辺のエッチングむらが生じ、良好なトランジスタ構造を得ることが困難であった。そこで、ECRプラズマを用いたRIEを試みた。エッチングガスには塩素を用い、イオンの加速電圧は200Vとし、半導体への損楊をできるだけ押さえてエッチング加工を行った。製作したトランジスタの電圧電流特性を測定したが、リーク電流が多く、現在までに、十分なトランジスタ特性を有するものは得られていない。また、電圧電流特性測定中に素子の劣化及び破壊が多く見られた。これらは、プロセス中にベース不純物の拡散が生じ、構造的劣化が生じたか、エミッタ電流が30mA程度になることもあり、急速に素子の劣化が著しく進んだと考えられる。今後、本検出器を安定に動作させるためには、まず安定に動作するトランジスタ素子を製作することが急務である。現在のエミッタ電流が大きすぎることが明らかになったため、エミッタ電極を直径1μm以下のものにして素子の製作を行う予定である。
精神障害者の病いの認識に関する研究

本研究の目的は,地域で生活している精神障害者13人からライフストーリーの聞き取りをおこない1.精神の病いを経験した人びとが,生きていくうえで直面している困難は何か,そして,2.彼ら/彼女らはその困難にたいしてどのような取り組みをしてきたか,を明らかにすることである。1の問いについて,精神障害者たちの語りには,病いだけではなく当事者たちの人生そのものを精神医療に取り込む力にさらされてきたという困難が,つぎの3つの体験としてあらわれていた。(1)病いに対する説明もないまま,長い入院を強いられる。病状のみに関心があり,働くことや結婚することに対して,関心がないという医療者の態度からもたらされた,人としてあたりまえの生活を望めないような体験。(2)専門職とのかかわりにおいては,「子ども扱い」,働く場では,「怠惰とみなされる」という,病いと理解されても,されなくても,一人前とみなされない体験。(3)日々暮らしていく上で抱いている差別されるのではないかという不安や恐れと病いとさとられないための意図的な行動。これらの困難を抱え,当事者が絶望するのは,病いになったこと自体ではなく,病いになったことで受ける,「人として尊重されないような扱い」であることがわかった。2の問いについては,精神障害者自身が自分の病いや自分の存在をどのように捉えてきたか,その変遷と変遷を促した要因を描き出すことで,困難にたいして,どのような取り組みをしてきたかを考察した。語り手たちの多くは,病いになった自分のことを「価値のない存在」として認識していた。その認識が「病いになっても価値ある存在」と変化していったきっかけは,病名を知ることで,現実と向き合うこと,信頼できる医師や共同作業所,同じ病いの仲間たちと出会うことで,人として尊重される体験をしたことだった。語り手たちは,病いになってから,入院や服薬,症状や障害など,自分が受け入れていくことばかり要求されてきた。しかし,語り手たちは,<受け入れること>より<受け入れられること>で,<なくすこと>より<語ること>で,体験した出来事や病いの認識を捉えなおしていた。Iインタビューを実施し,ライフヒストリーを聞き取る.(2005年4月2006年3月)すでに,依頼ずみの精神障害者25名にインタビューを実施した.聞き取りは1人の対象者に対して,2時間から3時間,共同研究者2人で実施した.再度,電話で調査の内容を説明し依頼したのち,対象者の指定した場所に出向いてインタビューを実施した.インタビューの冒頭には,調査の趣旨,プライバシー保護への配慮を説明し,あわせて録音の許可も得た.インタビューの内容は,生活史を語ってもらうよう依頼するが,基本的には語りたいことを語ってもらった.しかし,15年度の研究により,インタビューを重ねるに連れ,語り手がくり返す語りに共通牲がみられることが判明しているので,そのトピックについてはたずねた。インタビュー実施地域は,福岡県,佐賀県,山形県,北海道,東京都で実施した.インタビュー対象者25名には,謝金を支払った.IIテープおこし・原稿チェック(2005年4月2006年3月)インタビュー終了後は,全記録を文章化する.テープを文章化するのは,研究者自身とテープおこしボランティア(1時間テープ5000円)に依頼した.2006年3月現在,23名終了.III

データ整理・対象者から確認をとる(2005年4月2006年3月)テープおこしの原稿をよみかえし,内容や固有名詞など確認し,時系列順に内容を表すテーマを付けまとめなおした.対象者に内容や論文にとりあげてよいか,原稿を郵送し確認した.2006年3月現在,10名確認済み.本研究の目的は,地域で生活している精神障害者13人からライフストーリーの聞き取りをおこない(12人はケーススタディとして呈示し,1人は抜粋),1.精神の病いを経験した人びとが,生きていくうえで直面している困難は何か,そして,2.彼ら/彼女らはその困難にたいしてどのような取り組みをしてきたか,を明らかにすることである。1の問いについて,精神障害者たちの語りには,病いだけではなく当事者たちの人生そのものを精神医療に取り込む力にさらされてきたという困難が,あらわれていた。具体的に,人生そのものを精神医療に取り込む力は,つぎの3つの体験としてあらわれていた。(1)病いに対する説明もないまま,長い入院を強いられる。病状のみに関心があり,働くことや結婚することに対して,関心がないという医療者の態度からもたらされた,人としてあたりまえの生活を望めないような体験。(2)専門職とのかかわりにおいては,「子ども扱い」,働く場では,「怠惰とみなされる」という,病いと理解されても,されなくても,一人前とみなされない体験。(3)日々暮らしていく上で抱いている差別されるのではないかという不安や恐れと病いとさとられないための意図的な行動。これらの困難を抱え,当事者が絶望するのは,病いになったこと自体ではなく,病いになったことで受ける,「人として尊重されないような扱い」であることがわかった。2の問いについては,精神障害者自身が自分の病いや自分の存在をどのように捉えてきたか,その変遷と変遷を促した要因を描き出すことで,困難にたいして,どのような取り組みをしてきたかを考察した。語り手たちの多くは,「人として尊重されないような扱い」を受け,病いになった自分のことを「価値のない存在」として認識していた。その認識が「病いになっても価値ある存在」と変化していったきっかけは,病名を知ることで,現実と向き合うこと,信頼できる医師や共同作業所,同じ病いの仲間たちと出会うことで,人として尊重される体験をしたことだった。語り手たちは,病いになってから,入院や服薬,症状や障害など,自分が受け入れていくことばかり要求されてきた。しかし,語り手たちは,<受け入れること>より<受け入れられること>で,<なくすこと>より<語ること>で,体験した出来事や病いの意味を捉えなおしていた。そして,その作業は,同時に,自分の病いと向きあい,受け入れていく過程でもあった。その結果として,語り手たちは,具合が悪いときは,原因を考え,対処する--医師に相談する,お題目を幻聴にたたき付けていく,よく眠る,成功したことを思い返し,自分をプラスに持っていく--という,自分の症状やスティグマに対して,主体的に取り組むようになっていった。
脂質代謝におけるミトコンドリア型CYP1A1の作用メカニズム

CYP1A1は多環芳香族炭化水素(PHAs)によってミクロソームおよびミトコンドリアにおいて発現が誘導されることから、ミクロソーム型、ミトコンドリア型の作用の違いを検討したところ、ミクロソーム型がPHAsの代謝に重要であることが分かった。また、食事由来のPHAsが脂質代謝の異常を誘導するが、PHAsの代謝遅延によるトランスポーターの発現異常が原因であった。ミトコンドリア型CYP1A1はミトコンドリアDNAの変異抑制に関与している可能性が推察される。生体異物である多環芳香族炭化水素(PAHs)の代謝に重要な酵素であるチトクロームP450(CYP)1A1は生体異物の暴露によってミクロソームにおいて発現が増加するが、ミトコンドリア内膜においても発現が増加している。この異なったオルガネラの発現誘導は何を意味しているか?食生活の欧米化に伴い食事から動物性脂肪のみならずPAHsの過剰摂取が考えられ、絶えず脂質代謝系とCYP1A1による生体異物系が同時に活性化していると考えられる。脂質代謝に関与するCYPはミトコンドリアに存在することから、ミトコンドリアにおいてミトコンドリア型CYP1A1による生体異物および他のCYPによる脂質代謝カスケードの間に生ずる負のクロストークが生活習慣病の発症頻度を増加させているかもしれない。21年度の本応募研究では生体異物代謝におけるミクロソーム型(Mc)、ミトコンドリア型(Mt)CYP1A1の機能解析についてノックインマウスを用いて検討した。Mt CYP1A1はMc CYP1A1にはないErythromycin N-demethylase活性を有するが、BaP hydroxylase活性はMc CYP1A1の46%であったことからMtとMcのCYP1A1では基質特異性が異なることが示唆された。BaPによってのCyp1a1遺伝子欠損マウスで誘導される脾臓および胸腺の委縮などの毒性は、Mt CYP1A1では誘導されたが、Mc CYP1A1では、誘導されなかった。Mc CYP1A1はBaPを速やかに代謝しているが、Mt CYP1A1はBaPの代謝が遅延していた。さらにMt CYP1A1はCyp1a1遺伝子欠損マウス同様にBaP-DNA付加体形成が増加していた。これらの結果から生体異物代謝にはミクロソーム型CYP1A1が重要であることが示唆された。今後、Mt CYP1A1の脂質代謝系への関与を検討する。生体異物である多環芳香族炭化水素(PAHs)の代謝に重要な酵素であるチトクロームP450(CYP)1A1は生体異物の暴露によってミクロソーム(mc)において発現が増加するが、ミトコンドリア(mt)内膜においても発現が増加している。この異なったオルガネラの発現誘導は何を意味しているか?多くの食品中にPAHsが含まれていることが報告され、食生活の欧米化に伴い食事からの動物性脂肪およびPAHsの過剰摂取が推察できる。脂質代謝に関与するCYPはmtに存在することから、mt CYP1A1による生体異物および他のCYPによる脂質代謝カスケードの間に負のクロストークが生じ、生活習慣病の発症頻度を増加させているかもしれない。21年度において生体異物代謝にはmc CYP1A1が重要であることを示した。このことはmt CYP1A1が生体異物代謝以外の関与の可能性を示唆している。そこで22年度ではmt CYP1A1の脂質代謝における関与を検討する目的で、CYP1A1による生体異物代および脂質代謝カスケードの間クロストークの有無についてCyp1a1遺伝子欠損マウスを用いて検討した。PAHsおよび高脂肪・高コレステロール負荷によりCyp1a1遺伝子欠損マウスにおいて動脈硬化のリスクファクターが増加していること、また、コレステロールおよび胆汁酸が増加していることを見出した。このことはCYP1A1がコレステロール及び胆汁酸代謝へ関与していることを示唆している。現在、このモデル系の結果を基にmc CYP1A1およびmt CYP1A1ノックインマウスを用い、mt CYP1A1のコレステロールおよび胆汁酸代謝への関与についての検討を行っている。生体異物である多環芳香族炭化水素(ベンゾ(a)ピレン(BaP))の代謝に重要な酵素であるチトクロームP450(CYP)1A1は生体異物の暴露によってミクロソームにおいて発現が増加するが、ミトコンドリア内膜においても発現が増加している。この異なったオルガネラの発現誘導は何を意味しているか?について検討を行ってきた。21年度のミクロソーム型(mc)1A1、ミトコンドリア型(mt)1A1の生体異物代謝系における機能解析、22年度はCyp1a1遺伝子欠損マウスを用いてコレステロール及び胆汁酸代謝におけるCYP1A1の関与について検討し、BaPの代謝にはミクロソーム型CYP1A1が重要であること、BaP暴露時においてCYP1A1のコレステロール及び胆汁酸代謝への関与が示唆された。

23年度では、BaP暴露時におけるミトコンドリア型CYP1A1についても検討したところ、コレステロールおよび胆汁酸の血液および肝臓中での動態変化は、BaPの代謝遅延によって誘導されるトランスポーターの発現異常が要因であり、ミトコンドリア型よりもむしろミクロソーム型CYP1A1がコレステロール、胆汁酸代謝の正常化に重要であることが示唆された。このことからミトコンドリア型CYP1A1は脂質代謝にはほとんど関与していないと考えられる。また、BaPのミトコンドリアDNAの付加体形成について検討したところ、ミトコンドリア型CYP1A1がミトコンドリアDNAの付加体形成を抑制することを示唆する結果が得られた。現在、ミトコンドリアの代謝異常における防御機構にミトコンドリア型CYP1A1が関与しているかについての検討を継続しており、ミトコンドリア型CYP1A1の役割について早期に解明し、報告したい。