hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
複雑な生態ネットワーク上において種の重要性を定量的に特定するための手法の開発

もっとも単純な食物網において,静的アプローチと動的アプローチが全く同じ2次的絶滅の結果を与えるようなパラメータ範囲を明確にすることを試みた.また,一方のモデルで現れる2次的絶滅が,他方では決して現れない条件を特定することも重要である.しかし,単純な食物網でさえ,これらの問題に対する結果をわかりやすく整理して示すことは予想以上に困難な作業であったもっとも単純な食物網において,静的アプローチと動的アプローチが全く同じ2次的絶滅の結果を与えるようなパラメータ範囲を明確にすることを試みた.また,一方のモデルで現れる2次的絶滅が,他方では決して現れない条件を特定することも重要である.しかし,単純な食物網でさえ,これらの問題に対する結果をわかりやすく整理して示すことは予想以上に困難な作業であった単純な食物網について,除去されると多くの2次的絶滅を引き起こすような重要な種を定量的に特定する方法を開発するために,本年度は以下のような研究をおこなった.まず,単純で定量的なモデリングとして,Pimm (1979, 1980)のような動的なアプローチと,Jordan et al.(1999)のような静的なアプローチが知られている.前者は種間相互作用を具体的に組み込むことができるし,後者は解析が容易であるために複雑な食物網が扱いやすいという利点を持っている.逆の見方をすれば,現実に見られる食物網の数理的解析をおこなうためには,どちらのアプローチにも不足している部分がある.したがって,現実的な複雑ネットワークとしての食物網を解析するためには,両者のアプローチを融合させることが必要である.そのために,生物間相互作用が比較的近接していて間接効果が大きいと考えられるグループごとに分類し,それらを統合するという階層構造を考えた.このような視点は,実際の野外調査で見られる研究手法とも類似しているので,理論と実証の比較がおこないやすいと思われるからである.一方,ボトムアップ効果とトップダウン効果に非対称性を入れることによって,静的アプローチと動的アプローチの類似点や相違点を明らかにするという試みをおこなった.これらの新しいアプローチとそれによって得られる結果を,従来までの結果と比較検討し,今年度の計画に結びつけるための準備をしているところである.昨年度に引き続き,単純な食物網を使って,除去されると多くの2次的絶滅を引き起こすような重要な種を定量的に特定する方法を開発することを目指した.特に今年度は,Pimm(1979,1980)の動的アプローチと,Jordan et al.(1999)の静的アプローチの類似点と相違点を明確にすることを試みた.ある構造をもつ食物網に対して直感的に予想される結果は,全く異なっているこの2つのアプローチからも理論的な解釈にもとづいて予想される場合があるはずである.食物網の構造が単純であればその傾向は強いだろう.そこで,まず,もっとも単純な食物網によって,両者が全く同じ結果を与えるようなパラメータ範囲を明確にする.次に,徐々に複雑な食物網を構成し,それらに対して同様のアプローチを適用することによって,両者の同一性の程度が明らかになるのではないかと考えた.このとき,食物網構造の複雑さを表す定量的な指標が必要であり,その指標と両者のアプローチの同一性の程度の間に相関関係を示すことができればわかりやすい.逆に,前者(あるいは後者)のモデルで現れる2次的絶滅が,後者(あるいは前者)では決して現れない条件はどのようなものであるかを明らかにしようとした.さらに,直感的には説明できない結果は,これらのモデルに基づいてどのように解釈することができるのかを示そうとした.しかし,これらの解析は予想していたような単純な結果としてまとめることができなかったために,来年度以降もこれを継続した研究が必要である.本研究課題は,単純な食物網について,除去されると多くの2次的絶滅を引き起こすような重要な種を定量的に特定する方法を開発することである.この目的を達成するために,3年間の研究期間中に以下のような研究をおこなった.2次的絶滅に関する単純で定量的なモデリングの代表的な先行研究が,Pimm (1979, 1980)の動的なアプローチと,Jordan et al. (1999)の静的なアプローチである.現実的な複雑ネットワークとしての食物網を解析するためには,両者のアプローチを融合させることが必要となる.そのために,生物間相互作用が比較的近接していて間接効果が大きいと考えられるグループごとに分類し,それらを統合するというネットワークの階層構造を考えた.一方,ボトムアップ効果とトップダウン効果に非対称性を入れることによって,静的アプローチと動的アプローチの類似点や相違点を明らかにできるだろう.そこで,まず,もっとも単純な食物網において,両者が全く同じ結果を与えるようなパラメータ範囲を明確にしてから,徐々に複雑な食物網を構成することによって,この問題を解決しようと試みた.このとき,食物網構造の複雑さを表す定量的な指標が必要であり,その指標と両者のアプローチの同一性の程度の間に相関関係を示すことができればわかりやすい.逆に,前者(あるいは後者)のモデルで現れる2次的絶滅が,後者(あるいは前者)では決して現れない条件を特定することも重要である.しかし,単純な食物網でさえ,これらの問題に対する結果をわかりやすく整理して示すことは予想以上に困難な作業であった.そのため,今後もこの方針に沿った研究を継続していく予定である.研究の目的である「複雑なネットワークにおいて,重要な位置を占めている種を定量的に特定するための手法を開発する」ことに向けて,これまでの静的なアプローチと動的なアプローチを統合するという,新しい試みをおこなっている.

しかし,具体的な食物網を用いて,これまでの研究を統合して重要な種を特定するための方法を開発するまでにはいたっていないため.24年度が最終年度であるため、記入しない。「研究実績の概要」の項目で記載した内容について,継続して,目標の課題に取り組んでいく予定である.すなわち,(1)静的アプローチと動的アプローチの両者が全く同じ結果を与えるようなパラメータ範囲を明確にしたり同性の程度を明らかにすること.(2)食物網構造の複雑さを表す定量的な指標として,種間結合度に替わる,今回の目的に合うような新しい指標を開発すること.(3)前者(あるいは後者)のモデルで現れる2次的絶滅が,後者(あるいは前者)では決して現れない条件はどのようなものであるかを明らかにすること.このとき,動的アプローチでは,全く他の動的モデルを組み入れることも検討していきたい.24年度が最終年度であるため、記入しない。
フラビンを含む光センサー蛋白質における光情報変換機構の解明

生物は光を情報へと変換するため、光センサーと呼ばれる一群の蛋白質をもっている。これまでに知られている動物の視物質、植物のフィトクロム、細菌のイエロープロテインはいずれも発色団の異性化反応によって光のエネルギーを蛋白質内部に取り込むが、最近になって発見されたフォトトロピンなど植物の青色光センサー蛋白質は、発色団として構造上、異性化反応が不可能なフラビン類をもつことが明らかになった。本研究では、フラビンを発色団とする光センサー蛋白質の光反応機構の解明を目的として、分光学的な解析を行った結果、以下のような成果が得られた。(1)フォトトロピンの光反応は、フラビンと近傍のシステインとの共有結合形成であるが、両者は4Å以上離れており、三重項励起状態において、反応を促進するような機構(システインからのプロトン移動、水素原子移動、電子移動などの反応)が考えられている。我々は低温赤外分光法を用いて、三重項励起状態においてシステインがプロトン化していることを明らかにし、プロトン移動説、水素原子移動説を否定することができた。(2)フォトトロピンはなぜ2つのフラビン結合部位をもつのかを明らかにするため、phy3のLOV1とLOV2の構造変化を比較したところ、キナーゼ活性をもつLOV2だけがβシートにまで及ぶ広範な構造変化を示すことがわかった。さらに同位体標識を用いて、アミドの信号などを帰属した。(3)フラビンの近傍には2個の水分子が存在することが結晶構造によりわかっているが、低温赤外分光を用いて、活性化する際の水分子の水素結合変化を明らかにした。これらのフラビン結合型蛋白質の研究成果に加えて、異性化を初期反応とするロドプシンなどの研究も行った。これらの成果として、2005年に12編、2006年に15編の原著論文を世界の一流紙に発表することができた。本研究では、フラビンを発色団とする光センサー蛋白質の光反応機構の解明を目的として、分光学的な解析を行っている。本年度は、以下のような成果が得られた。(1)フォトトロピンの光反応は、フラビンと近傍のシステインとの共有結合形成であるが、両者は4Å以上離れており、三重項励起状態において、反応を促進するような機構、具体的には、システインからのプロトン移動、水素原子移動、電子移動などの反応が考えられている。

これらの成果として、2005年に12編の原著論文(総説などを加えると16編)を世に出すことができた。生物は光を情報へと変換するため、光センサーと呼ばれる一群の蛋白質をもっている。これまでに知られている動物の視物質、植物のフィトクロム、細菌のイエロープロテインはいずれも発色団の異性化反応によって光のエネルギーを蛋白質内部に取り込むが、最近になって発見されたフォトトロピンなど植物の青色光センサー蛋白質は、発色団として構造上、異性化反応が不可能なフラビン類をもつことが明らかになった。本研究では、フラビンを発色団とする光センサー蛋白質の光反応機構の解明を目的として、分光学的な解析を行っている。本年度は、以下のような成果が得られた。これまでに我々のグループでは、赤外分光法を用いてフォトトロピンの発色団ドメインにおけるフラビンと近傍のシステインとの共有結合形成に伴うスペクトル変化を報告したところ、単一の中間体における温度依存的なスペクトルを観測し、これが蛋白質の段階的な構造変化によるものと考察した。しかしながら、得られた赤外スペクトルには発色団に由来する成分と蛋白質に由来する成分が混在しており、厳密な議論は両者の成分を分離して初めて可能になる。そこで、発色団と蛋白質をそれぞれ13Cで標識した試料の測定を行ったところ、それぞれの振動バンドを完全に帰属することができた。以前の予想通り、蛋白質の骨格は温度依存的な二次構造変化をすることが明らかになった。フラビン結合型蛋白質の研究成果に加えて、異性化を初期反応とするロドプシンなどの研究も行った。これらの成果として、2006年に15編の原著論文を世に出すことができ、平成18年度には9件の国際会議における招待講演を受けている。
エネルギー自立型下水処理システムの構築に関する研究

本年度はまず現在の下水道システムのエネルギー消費を定量的に求めるために、日本全国の377市町村に下水道施設の運転に伴うエネルギー消費アンケート調査を行った。その結果、296市町村から回答が得られ、下水1m^3を処理するのに必要な電力量としては0.46kWh/m^3、下水1m^3を処理したときに発生する汚泥量として0.006m^3/m^3の値を得た。下水1m^3の保有熱量を求めると約1000kcal/m^3であり、未利用エネルギーなどを用いた汚泥の乾燥が可能であれば、60%以上の電力の自給が可能であることが試算された。また、電力消費量の約85%は処理場内消費であり、その半分はエアレーションであった。次に、下水汚泥からエネルギー回収として、1.凍結・融解処理により得られる低含水率の汚泥の燃焼による熱回収、2.消化による得られるメタンガスの燃焼による熱回収、3.高温・高圧下での油化により分離された重油状物質の燃焼による熱回収の3方式について、エネルギーフローを分析し、取り出しうるエネルギーを算定した。ここでは、エネルギー消費比率ECRを用いて評価を行った。まず、1.の凍結・融解処理であるが、プロセス中の乾燥過程にヒートポンプを有効利用する事を考え、エネルギーの利用効率を格段に高めたが、処理に投入するエネルギーよりも回収されるエネルギーが小さく、ECRは1.8とエネルギー投入型となった。2.の消化であるが、発生したメタンガスによりコ・ジェネレーションを行い電力と熱を取り出す事を想定した結果、ECRは0.93とエネルギー回収型となった。しかし、その効果は小さいことがわかった。3.の油化はECRは0.55と投入したエネルギー量の約2倍のエネルギーが回収できることが判明した。このことから、実際の装置制作上の種々の問題が解決されれば、油化が最もエネルギー回収率の大きな処理方法であり、開発が有望であることを示した。本研究は,莫大なエネルギー多消費都市施設である下水処理場についてエネルギ自立および熱供給を可能する熱システムの構成を新たな視点から検討を行うものである.平成7年度は初年度であり,まず文献調査により下水汚泥処理の現状と問題点を把握した.最初に、札幌市における下水処理年報から汚泥発生量とその含水量,有機質量などの質について分析し,利用可能熱量の推定を行うと同時に,下水処理場で消費される電力量,汚泥処理に必要とされる重油消費量の実態を調査した。その結果、下水および汚泥の保有するエネルギー量は,現在の処理に使われているエネルギー量の約80%に上ることが明らかになった.したがって,下水および汚泥から積極的に熱回収を行い,さらには清掃工場などとの複合的な施設を考えればエネルギ自立型の下水処理場の実現可能が高いことを明らかにした。また,実際に下水の熱回収,および下水汚泥からの熱利用を行っている,利用形態・地域の異なる5つの施設を対象にエネルギー発生量と利用量に関する調査を行った.下水の熱利用に関しては下水をヒートポンプの冷温熱源として用いるものである.

現在では大規模な地域熱供給の熱源として利用されており,補助熱源や冷却塔などを必要とせず運転している実績が国内でも数件ある.また,下水汚泥を用いた熱利用には,消化ガス利用と乾燥汚泥の焼却熱の大きく2つに分類される.現在の熱利用を行っている施設では,汚染処理に関してエネルギー的にほぼ自立できる状況であることがわかった.熱回収のためには施設が複雑となり建設コストが大きくかかる欠点も有するが,熱利用により汚泥の脱水性の向上や,減量化につながっている面もある.文献調査により従来の汚泥の凍結乾燥についての評価を行ったところ,連続処理ができないことに加え,凍結温度が低すぎること,脱水の後行程の問題などにより実例がほとんどないことが浮きぼりにされた.これらの,問題を解決できる方法と装置の開発が必要である.実験に関しては平成7年度は初年度であることから,結乾燥について従来の問題点を解決できる実験装置を考案し,試作を終えたところである.現在,ヒートポンプの利用を模擬したシャーベット状凍結汚泥の生成と処理後の脱水性の向上の検討,中温度での加熱による真空乾燥促進効果に関する実験について進めているところである。本年度はまず現在の下水道システムのエネルギー消費を定量的に求めるために、日本全国の377市町村に下水道施設の運転に伴うエネルギー消費アンケート調査を行った。その結果、296市町村から回答が得られ、下水1m^3を処理するのに必要な電力量としては0.46kWh/m^3、下水1m^3を処理したときに発生する汚泥量として0.006m^3/m^3の値を得た。下水1m^3の保有熱量を求めると約1000kcal/m^3であり、未利用エネルギーなどを用いた汚泥の乾燥が可能であれば、60%以上の電力の自給が可能であることが試算された。また、電力消費量の約85%は処理場内消費であり、その半分はエアレーションであった。次に、下水汚泥からエネルギー回収として、1.凍結・融解処理により得られる低含水率の汚泥の燃焼による熱回収、2.消化による得られるメタンガスの燃焼による熱回収、3.高温・高圧下での油化により分離された重油状物質の燃焼による熱回収の3方式について、エネルギーフローを分析し、取り出しうるエネルギーを算定した。ここでは、エネルギー消費比率ECRを用いて評価を行った。まず、1.の凍結・融資処理であるが、プロセス中の乾燥過程にヒートポンプを有効利用する事を考え、エネルギーの利用効率を格段に高めたが、処理に投入するエネルギーよりも回収されるエネルギーが小さく、ECRは1.8とエネルギー投入型となった。2.の消化であるが、発生したメタンガスによりコ・ジェネレーションを行い電力と熱を取り出す事を想定した結果、ECRは0.93とエネルギー回収型となった。しかし、その効果は小さいことがわかった。3.の油化はECRは0.55と投入したエネルギー量の約2倍のエネルギーが回収できることが判明した。このことから、実際の装置制作上の種々の問題が解決されれば、油化が最もエネルギー回収率の大きな処理方法であり、開発が有望であることを示した。
日本沿岸の浅海性魚類の遺伝的分化と表現型多型の遺伝基盤

これまで日本沿岸の浅海性カジカ類(ニジカジカグループ)に着目して本グループの分子系統解析および日本海太平洋間の遺伝的集団分化の検証を行ってきた。しかしながら、ミトゲノム、核ゲノム間で不一致が複数認められ、本グループにおける系統推定に問題が生じていた。この不一致は、ミトコンドリアDNAの部分配列と数個の核シングルコピー遺伝子の比較ではデータセットとしてが情報が不足していることに起因していると考えられた。本年度はこの問題を解消すべく、ミトゲノムおよび核ゲノムから効率的にデータを取得できるRNA-sequence(RNAseq)に着目した実験をアナハゼ属、スイ属、イダテンカジカ属の数種を用いて行った。ニジカジカ類7種の脳組織からRNAを抽出しNGSによってデータ取得を行った。アナハゼ属1種については、リファレンス配列を作成するため、心臓と肝臓についてもRNAseqを行った。結果、ミトコンドリアゲノム全長配列および核の20Mbpの塩基配列を取得できた。これらのデータを利用した分子系統解析によって、ミトコンドリアと核の系統推定の不一致は解消されたことから、本法が両ゲノムの効率的なデータ取得と系統推定の比較において有効であることがわかった。また、他の分類群においてはこれまでほとんど知見のない板鰓類の系統分類、集団構造解析にも着手した。表現型(側線や感丘)の観察を容易にできるように生体の蛍光染色法の検証も併せて行った。日本海と太平洋間の遺伝的分化と表現型多型とを結びつけるためにアウトライヤー遺伝子の探索を実施予定であったが、本年度はまずは本グループの系統推定の精度向上に力を注いたため実施できなかった。また、本グループにおける日本海および太平洋間の遺伝的分化の程度は比較的大きく、遺伝的分化指数に基づくアウトライヤー解析では中立マーカーのバックグラウンドも高くなると考えられる。そのため、アウトライヤー遺伝子座の選定が難しくなると予測される分岐の深い種においては分析法の再考が必要であり、分岐の浅い種を中心に研究を進める必要があるとの結論に至った。本年度に引き続き、ニジカジカグループをモデルケースとして研究を進める。ニジカジカグループにおいて繁殖生態を中心に研究を進めている研究者の協力を仰ぎ、表現型多型に関するデータを収集する。分子アプローチとしては分岐の浅い種を中心にゲノムワイドなデータを多検体から取得する方法を検証する。最終的にこれらの分析から得られた分子データと表現型多型との関連を検証する。日本沿岸に広く生息する磯魚の中で特に北方起源と想定される浅海性のカジカ科魚類(ニジカジカグループ)を中心に、日本海と太平洋間の遺伝的分化に着目した遺伝的・形態的差異の有無を検証した。日本沿岸のニジカジカグループ10種のミトコンドリアDNA3領域の部分配列に基づく分子系統解析により、すべての種で両海域間の遺伝的分化が生じていることを申請者らの過去の研究で報告したが、このような差異が核ゲノムの複数領域で認められるかをシングルコピー遺伝子の配列情報を用いて検証した。その結果、想定したより多型性が低く、属レベルのまとまりは認められるもののミトコンドリアDNAで認められるような日本海と太平洋間の種内分化の検出には至らなかった。ミトコンドリアDNAの配列データを用いた分岐年代推定において、ツマグロカジカの種分化時期に較正点を置くもの、およびニジカジカグループの日本海系統の集団拡大時期に年代較正点を置くものといった2つの補正による分岐年代推定を行った。その結果、対象とするような時間スケール(属間や種内レベルの分岐)では、集団拡大時期に較正点を置くほうがより良い結果を導く可能性があることがわかった。また、キヌカジカ種群において全国各地からサンプルを収集し、系統地理的分析を行った結果、5つの系統の存在が明らかとなり複合種群を形成していることがわかった。形態計測に関しては本グループにおいて、計数形質および計量形質で差異の生じている種が複数見出された。日本沿岸の浅海性魚類のうち北方起源種であるニジカジカグループを対象に、日本海および太平洋間の遺伝的分化の程度や分岐年代推定の精度向上が行われた。また、多検体が採集できたキヌカジカ種群に関して系統地理的な解析も実施した結果、種内に存在する5つの系統の地理的分布様式が明らかになった。他方、その他の分類群における系統地理分析には着手できなかったこと、表現型多型について、その遺伝的背景へのアプローチには取り組めていないことから、より幅広い分析が必要であるといえる。

これらのデータを利用した分子系統解析によって、ミトコンドリアと核の系統推定の不一致は解消されたことから、本法が両ゲノムの効率的なデータ取得と系統推定の比較において有効であることがわかった。また、他の分類群においてはこれまでほとんど知見のない板鰓類の系統分類、集団構造解析にも着手した。表現型(側線や感丘)の観察を容易にできるように生体の蛍光染色法の検証も併せて行った。日本海と太平洋間の遺伝的分化と表現型多型とを結びつけるためにアウトライヤー遺伝子の探索を実施予定であったが、本年度はまずは本グループの系統推定の精度向上に力を注いたため実施できなかった。また、本グループにおける日本海および太平洋間の遺伝的分化の程度は比較的大きく、遺伝的分化指数に基づくアウトライヤー解析では中立マーカーのバックグラウンドも高くなると考えられる。そのため、アウトライヤー遺伝子座の選定が難しくなると予測される分岐の深い種においては分析法の再考が必要であり、分岐の浅い種を中心に研究を進める必要があるとの結論に至った。出来る限り幅広い分類群を対象にした系統地理的分析を実施するが、まずはこれまでの研究実績がある北方起源のニジカジカグループを対象に以下の方針で研究を進める。(1)データベース上に存在するカジカ科魚類のミトコンドリアDNAのデータも含めて解析することで本グループの系統関係を再構築し、日本沿岸で多様化した種のスクリーニングを行う。(2)より正確な系統関係の推定を行うために、新たに次世代シーケンシング(RADseqおよびRNAseq)によるゲノム情報の取得を目指す。このデータの取得によりミトゲノム解析および表現型多型の遺伝基盤を明らかにするための基礎を構築する。(3)ニジカジカグループにおける種内の表現型多型の分散を把握するために個体数および分析地域数を増やすとともに、次世代シーケンスデータを利用したアウトライヤー遺伝子の探索を行う。本年度に引き続き、ニジカジカグループをモデルケースとして研究を進める。ニジカジカグループにおいて繁殖生態を中心に研究を進めている研究者の協力を仰ぎ、表現型多型に関するデータを収集する。分子アプローチとしては分岐の浅い種を中心にゲノムワイドなデータを多検体から取得する方法を検証する。最終的にこれらの分析から得られた分子データと表現型多型との関連を検証する。本年度実施予定であった分析を次年度に実施できるように繰り越した。
セルオートマトンを用いた完全可逆記述法によるディジタル音信号の非線形動力学特性

我々はこれまでに,1次元2状態3近傍セルオートマトンのルール系列を用いて,ディジタル信号(発話データや音楽データ等)を完全可逆・圧縮記述できることを示した.本研究では,本手法で得られたルール系列が生み出すアトラクター構造の特徴を明らかにすることが,研究の目的である.特に,本年度は,完全可逆記述を与えるルール系列の動的特長をWolframの分類に従い明らかにすることを主な研究の目的として実施した.具体的には,記述を与えるルール系列が記述データの動的特性を反映し得るのかを明らかにするために,計算機シミュレーション実験を実施した.シミュレーション実験での記述対象データとして,(1)ロジスティック写像から生成される周期データ及びカオスデータを生成し,それに16bits量子化を施しディジタル化したもの,及び(2)16素子から成るCML (Coupled Map Lattice)モデルより生成される周期データ,部分同期データ及びカオスデータ,とした.得られた結果は,以下の通りである.(1)いずれの記述対象データの場合にも,動的特性が複雑になると(周期→部分同期→カオス),データの完全可逆記述を与えるルール系列から生成されるビットパターンも複雑になる傾向がある.(2)更には,生成されるビットパターンの周期が長くなる傾向がある.以上の結果より,Wolframの意味で,記述を与えるルール系列が記述データの動的特性を反し得ることが明らかとなった.我々はこれまでに,1次元2状態3近傍セルオートマトンのルール系列を用いて,ディジタル信号(発話データや音楽データ等)を完全可逆・圧縮記述できることを示した.本研究では,本手法で得られたルール系列が生み出すアトラクター構造の特徴を明らかにすることが,研究の目的である.特に本年度は,ルール系列とデータ特性との関係に注目し,より高圧縮記述を可能とするようなルールをデータ毎に明らかにすることを研究の目的として,研究を実施した.以下に,主な成果をあたえる.(1)1次元2状態3近傍セルオートマトンの256個のルールの可能な2つのルール対について,以(1)ビットパターン生成能力,(2)記述能力及び(3)圧縮率という,3種類の評価量から,セルオートマトンのルール系列によるデータ記述について研究した.これにより,16回のルール対の繰り返し適用で16ビット量子化データの可能な2^<16>個全ての状態を生成可能なルール対は4つあるが,必ずしも圧縮率が高くないこと,一方,(#90,#180)というルール対は生成能力はさほど高くないが記述能力が高く最も圧縮率が高いことが分かった.(1)時系列データの各区間データ間のハミング距離と,ルール対による記述を行った場合のルール系列長の関係について研究した.これにより,一般のルール対もハミング距離の近い区間では,ルール系列長は短い傾向にあるが,高圧縮可能なルール対(#90,#180)はハミング距離の遠い区間に対してでも短いルール系列長で記述可能なことが分かった.つまり,高圧縮を実現するためには,ハミング距離の遠い関係にあるパターンをいかに生成するかが重要となることが明らかとなった.我々はこれまでに,1次元2状態3近傍セルオートマトンのルール系列を用いて,ディジタル信号(発話データや音楽データ等)を完全可逆・圧縮記述できることを示した.本研究では,本手法で得られたルール系列が生み出すアトラクター構造の特徴を明らかにすることが,研究の目的である.特に,本年度は,完全可逆記述を与えるルール系列の動的特長をWolframの分類に従い明らかにすることを主な研究の目的として実施した.具体的には,記述を与えるルール系列が記述データの動的特性を反映し得るのかを明らかにするために,計算機シミュレーション実験を実施した.シミュレーション実験での記述対象データとして,(1)ロジスティック写像から生成される周期データ及びカオスデータを生成し,それに16bits量子化を施しディジタル化したもの,及び(2)16素子から成るCML (Coupled Map Lattice)モデルより生成される周期データ,部分同期データ及びカオスデータ,とした.得られた結果は,以下の通りである.(1)いずれの記述対象データの場合にも,動的特性が複雑になると(周期→部分同期→カオス),データの完全可逆記述を与えるルール系列から生成されるビットパターンも複雑になる傾向がある.(2)更には,生成されるビットパターンの周期が長くなる傾向がある.以上の結果より,Wolframの意味で,記述を与えるルール系列が記述データの動的特性を反し得ることが明らかとなった.
教員養成における音楽授業プログラムの国際比較研究：領域横断的な視点から

21世紀型能力育成の国際的潮流から、日本でも教科領域を横断させた各学校独自のカリキュラムが展開されている。現状の実践例では、教科横断的な資質・能力の育成にとらわれるあまり、音楽科本来の知識・技能の習得が十分になされない傾向も見られる。そのため、教員養成に学ぶ学生が、音楽科ならではの見方・考え方を十分に培うことがこれまで以上に求められる。世界各国で音楽学習に活用されてきた音楽教育メソードに基づく授業や、周辺芸術領域(舞踊、演劇、美術)との比較を通じて、音楽の本質を探るカリキュラムに取り組む欧米の教員養成大学の音楽授業プログラムへの現地調査等を手がかりに、日本の音楽授業プログラムの構築を目指す。
免疫組織化学によるラット臼歯の歯周硬組織の接着機構について

上記研究課題を解明する上で最初に、無細胞セメント質と象牙質、および歯槽骨とシャーピ線維を含む線維骨の初期接着機構についての検討を試みた。材料として生後20日齢と25日齢ラットの上顎臼歯部を用い、さまざまな抗プロテオグリカン抗体を使って免疫組織化学的に検索した。歯根象牙質が石灰化を開始すると同時に象牙質表面に抗コンドロイチン抗体陽性の幅が1μmほどの薄層が出現し、主線維はこの層に付着を開始した。またセメント質表面の主線維は歯根膜中央部のものよりも同抗体に強い陽性を示した。上記薄層は抗ケラタン硫酸、抗デルマタン硫酸抗体についても弱いながらも陽性を不した。歯槽骨への主線維の初期付着部においても既存の歯槽骨表面に、抗コンドロイチン抗体陽性の薄層が出現し主線維はその層に付着を開始した。歯槽骨表面の主線維はその他の部位よりも同抗体に強い陽性を示した。抗プロテオグリカン抗体の他、抗オステオポンチン抗体を使って検索したところ、象牙質と歯槽骨表面に出現する薄層は同抗体にも強い陽性を示した。歯根膜全体にわたり主線維は同抗体に強い陽性を示した。上記結果から、主線維の歯根象牙質および歯槽骨への初期接着において、1)オステオポンチンおよびコンドロイチンを含むプロテオグリカンが硬組織上に沈着し主線維と硬組織の接着を仲介し、2)コンドロイチンを含むプロテオグリカンは硬組織表面で主線維を凝集し初期接着に寄与する、ということが示唆された。
非活動高齢者を巻き込む介護予防ナッジのデザインー行動ログと主観の評価から

申請者らは、これまで京都府の生涯入居型高齢者施設において、施設内の生活拠点を中心に屋内外30か所にビーコン受信機を設置し、カード型の発信機を携帯する入居者の行動ログを取得する環境を整えた。本研究では、この施設において、さらに入居者との日常的なコミュニケーションを可能にするIoTを活用したデバイスの導入を目指す。そのうえで、本人の自由意思のもと行動を変える行動経済学理論を活用した健康行動変容アプローチを試行し、長期縦断的なヘルスデータの分析により多様な高齢者の態様に応じて最適な健康行動変容アプローチの在り方を探る。
細胞の極性化における細胞骨格とメンブレントラフィックの制御機構

多くの細胞の機能発現においては、細胞の極性情報が重要である。例えば、神経軸索では方向性を伴った細胞の極性成長が、その活動に不可欠である。また細胞極性情報をもとに上皮細胞は組織を形成することができる。本研究では、細胞形態が最もシンプルでよく調べられている分裂酵母Schizosaccharomyces pombeを研究対象に用いて、細胞極性情報の発信と、その下流での細胞形態の形成機構について研究を行った。これまでに私たちは分裂酵母の低分子量Gタンパク質Rhoとその活性制御因子について解析してきた。それらのうち、Rga4がCdc42のGTP加水分解活性を促進することに着目した。米国カルフォルニア大学の塩崎研究室の建部恒博士らとの共同研究により、Cdc42は極性成長をしている細胞端に強く集積することが確かめられた。同時に、Rga4は細胞の胴体部分に集積し、細胞端への局在性が排除されていることが観察された。このRga4の局在様式にはPom1キナーゼが関わる可能性が示唆されている。以前から、pom1遺伝子変異株では分裂酵母の両極性の成長が単極生成長に置き換わることが知られていたが、この原因は不明であった。興味深いことに、今回の建部博士との研究により、pom1遺伝子変異株においてRga4の活性を抑制するとCdc42の局在が単極性から両極性に回復することが判明した。つまり、Pom1はRga4の局在性を制御することでCdc42の細胞端への局在様式を調節していたと考えられた。Pom1は微小管細胞骨格系の支配下でその局在様式が決定されること、Cdc42はアクチン細胞骨格の形成制御に中心的な役割を果たすことを併せると、本研究成果は微小管からアクチン細胞骨格へ、細胞内の空間的構造を配置化する分子機構の一端を解明した点で重要である。細胞極性は、酵母のような単細胞真核生物の生育からヒトなどの高次生命システムの構築や機能発現に至るまで不可欠である。極性情報の下では、細胞骨格の分布や配向が制御され、方向性を伴った細胞内のメンブレントラフィックが促される。この過程で、アクチン細胞骨格は小胞などを輸送するミオシンなどのモーター蛋白質のレールとして、あるいはそれ自体が重合することで物質輸送の原動力となる。また、細胞質微小管は、生体物質の合成や輸送に携るオルガネラの空間的配置を制御することで、細胞の極性化を推進する。一方、メンブレントラフィックを介して、細胞極性や細胞骨格の制御因子が極性部位に輸送される事例が報告されている。これより、細胞骨格とメンブレントラフィックの相互関係が細胞の極性化に重要であると考えられる。ここ数年の研究から、この過程において低分子量GTPaseを介在したシグナル伝達経路が、極めて重要な役割を果たすことが判明した。本研究においては、最も単純なモデル系として分裂酵母の細胞の極性成長に着目し、これらの因子の働きを解析する。今年度は、低分子量GTPaseの1つであるRho3について興味深い研究成果が得られた。Rho3は、極性維持因子Pob1を制御することで、極性部位への小胞輸送に関わるアクチンケーブルの形成と小胞の繋留に関わるエクソシスト複合体の働きをカップルさせている可能性が高いことが判明した。分裂酵母は、アクチンケーブルによる輸送系か、小胞繋留システムの両方の機能が同時に損失した場合に限り、極性成長ができなくなることが判明した。哺乳類などの細胞と較べると分裂酵母は小型であるため、小胞輸送系が木全であっても、細胞内拡散である程度は機能がカバーできる可能性が考えられた。さらに、Pob1はアクチン重合促進因子For3と結合することでアクチンケーブルの形成と配向を制御している可能性が示唆された。

Pom1は微小管細胞骨格系の支配下でその局在様式が決定されること、Cdc42はアクチン細胞骨格の形成制御に中心的な役割を果たすことを併せると、本研究成果は微小管からアクチン細胞骨格へ、細胞内の空間的構造を配置化する分子機構の一端を解明した点で重要である。
過酸化水素・オゾンの非残留性に着目した金属の高度分離・回収・精製法の創成

過酸化水素・オゾンの非残留性に着目した金属の高度分離・回収・精製法に関する研究を実施した。共沈法は金属の分離、濃縮に利用される方法である。申請者は微量成分を濃縮した共沈担体に溶離液に過酸化水素を適用した。その結果、ランタン水酸化物共沈殿から共沈担体が溶出させることなくモリブデン、タングステンなどが溶出可能であった。また、ペルオキシ化合物の一種である過酢酸を利用した鉄鋼試料の溶解についても実施し、鉄鋼試料の効果的な溶解が可能であることを示した。工業的な金属回収法としては、簡便かつ大量の試料を処理可能である沈殿法が用いられている。一般的に生成した沈殿からの金属の回収には沈殿を酸で溶解する工程を含むが、酸としては硝酸、塩酸、硫酸が使用されることが多い。これらの強酸は腐食性、毒性、窒素の排出規制など、環境面において負荷がかかる。そこで本研究では安全かつ穏和な条件における水酸化物共沈担体からの金属溶出を考慮し、溶離液に過酸化水素(H2O2)を用いた。H2O2は、水素と酸素原子のみで構成されている。加熱により速やかに水と酸素分子に分解し、強い酸化作用を持つ。今回は、ランタン(La)水酸化物を担体とする共沈法により、各種対象金属(V, Mo, W, Sb, Seなど)を共沈させた。La水酸化物沈殿を回収後、溶離液としてH2O2を添加した。その際の沈殿からの金属溶出挙動を調査した。この場合には、Sb(III), Se(IV), W(IV)の回収率が50%を超えた。一方、共沈担体であるLaは過酸化水素相へはほとんど溶出されていなかった。水酸化物共沈法で一般的に用いられる強酸による水酸化物沈殿の溶解による金属溶出メカニズムではなく、過酸化水素との錯形成もしくは酸化・還元作用に基づく溶出、あるいはLa水酸化物の構造変化が溶出をもたらしたものと推測される。一方、鉄鋼や触媒などへの機能の付与には少量の異種金属を添加することが行われている。今回は、それらの試料からの金属溶出にペルオキシ化合物を利用した際の金属溶出挙動について把握した。その結果、過酢酸や過炭酸などのペルオキシ化合物が、これらの試料からの金属溶出に良好な効果を与えることが判明した。本年度はペルオキシ試薬の一種である過酢酸を用いて鉄鋼試料からの金属溶出について調査した。過酢酸は酢酸のカルボキシル基に酸素が一つ余分に結合したペルオキシ試薬である。ペルオキソ基の分解に伴う酢酸、酸素ラジカル発生により強い酸化力を有している。弱酸の一種であり分解すれば酸素と酢酸に分解するため、通常の強酸(硝酸、塩酸、硫酸など)に比較して安全性の高い試薬である。また、先述した強酸とは異なり非毒劇試薬であるため、管理上有利である。本研究では、高速度鋼、ステンレス鋼など3種の鉄鋼試料からの金属溶出挙動について評価した。過酢酸による高速度鋼からの金属溶出では、過酢酸濃度の上昇に伴い各金属の溶出率は増加した。酢酸のみでは、V:7.9, Mo:39.3, W:36.6, Cr:43.1, Mn:68.2, Co:81.5, Fe:77.9%であるが、0.6 mol dm-3の過酢酸を含む場合ではV:20.6, Mo:80.8, W:71.6, Cr:68.7, Mn:94.0, Co:99.0, Fe:97.8%となった。溶出のメカニズムの詳細を把握するために、鉄鋼中に含まれる各金属のモデル化合物に対して同様の溶出を試みた。その結果、Mo, W単体、MoO3,WO3などの酸化物、Mo2C, WCに対して酢酸と比較して効果的に過酢酸の溶出効果が確認できた。また、金属リサイクルにおいては、回収効率の評価、工程管理で金属濃度を定量する機会も多く、簡便な金属濃度の定量法も重要となる。そのために、レアメタルの一種であるクロム、セレンの新規蛍光検出法の確立を行った。その結果、ジアミノナフタレンを同一の蛍光誘導体試薬として定量出来ることを明らかとした。それぞれの誘導体化成分を高速液体クロマトグラフ法で分離検出することで、2種の成分を分離定量出来た。鉄鋼試料からレアメタル成分を分離する条件について検討した。H26年度の成果で報告したように、過酢酸は鉄鋼、特に高速度鋼などの非クロムメッキ鉄鋼試料の溶解に効果を発揮する。その過酢酸溶解液は鉄、ニッケルなどを高濃度に含む。これらの主成分と対象のレアメタル成分を一斉分離する方法として、試料中に含まれる鉄を利用した共沈分離法を適用した。本方法は、溶液にアルカリを添加するのみのきわめて簡易な方法である。鉄鋼を構成する主成分の鉄、コバルト、マンガンなどは難溶性の水酸化物を形成しやすく、一方モリブデンやタングステンは塩基性域ではオキソアニオンを形成し水溶性が高くなる。この現象を利用することで一斉分離が可能となるものと着想した。過酢酸溶解液に水酸化ナトリウムを添加しろ過して沈殿相と溶液相を分離した。それぞれの相について誘導結合プラズマ質量分析法による元素分析を行った。その結果、鉄、クロム、コバルト、マンガンなどが沈殿相に98%を超える移行率を示した。

一方、モリブデン、タングステン、バナジウムは溶液相に90%以上の定量的な残存を示した。外部から特に共沈担体を加えることなく、容易に分離できる方法としての可能性を示した。本年度は、過酢酸による鉄鋼の溶解に関する査読付き論文1編が発行された。学会発表については、国際(招待)1件、国内1件を行った。過酸化水素・オゾンの非残留性に着目した金属の高度分離・回収・精製法に関する研究を実施した。共沈法は金属の分離、濃縮に利用される方法である。申請者は微量成分を濃縮した共沈担体に溶離液に過酸化水素を適用した。その結果、ランタン水酸化物共沈殿から共沈担体が溶出させることなくモリブデン、タングステンなどが溶出可能であった。また、ペルオキシ化合物の一種である過酢酸を利用した鉄鋼試料の溶解についても実施し、鉄鋼試料の効果的な溶解が可能であることを示した。ペルオキシ化合物の一種である過酢酸のMo,Wの溶出促進効果について明らかにすることが出来た。金属に溶解には強酸を利用することが一般的であるが、本研究では過酢酸という非毒劇試薬の一種が鉄鋼系試料の溶解に有効であることが初めて示された。また、過酢酸溶出液からのレアメタル成分(V,Mo,W)の選択的分離に沈殿法を適用したところ、ほぼ定量的にV,Mo,Wが回収できることも結果として得られている。また、金属リサイクル工程管理、回収効率把握に重要な簡易定量法の開発も同時に行い、同一の蛍光誘導体化試薬で2種の元素定量する方法を確立した。また、本成果は国内論文1件、国内学会2件、国際学会1件として公表している。分析化学溶出した成分の分離が再利用にとって重要である。過酢酸で鉄鋼資料から溶出した金属混合液のそれぞれの成分分離を行う。主成分である鉄やマンガン等は強アルカリ域で難溶性水酸化物を形成する。一方、モリブデン、バナジウム、タングステン等は強アルカリ域ではオキソアニオンで存在し、水溶性が高い。この化学的性質に基づき分離を試みる予定である。さらに、V,Mo,Wのリサイクル性の向上を目的として、それぞれ単離する方法、条件の探索を行う。先行研究の結果として、最高酸化数が異なるV(+5価)とMo,W(共に+6価)については、性質(酸解離条件)に若干の差異があり、条件によっては分離できることがすでに判明している。しかし、MoとWについては、支配的イオン種であるMoO42-とWO42-にほとんど化学的差異が無い。この分離について、過酸化水素濃度の調整、他の添加剤(pH調整剤)を用いて分離条件を探索する。ランタン(La)水酸化物は、対象とするV, Mo, W, Sb, Seなどのオキソ酸形成元素を効果的に沈殿、回収できる担体である。La水酸化物による共沈では上記の金属がほぼ定量的に沈殿相に移行していた。この沈殿に過酸化水素を添加したところ、過酸化水素相にSb(III), Se(IV), W(IV)が50-90%程度回収できることが判明した。一方、共沈担体であるLaは過酸化水素相へはほとんど溶出されていなかった。La水酸化物の構造をすなわち、共沈担体が溶解するのではなく、La水酸化物に内包されている金属イオンと過酸化水素との相互作用、あるいはLa水酸化物の構造変化に伴う溶出が推測される。これまでに、過酸化水素からの金属の溶出は検討されておらず、また、共沈担体を溶解すること無く金属を抽出する現象はほとんど報告されておらず、学術的には新規な結果であると思われる。
肺線維症、肺気腫の発症・進展機序におけるアドレノメデュリンの役割

高齢マウスとして22ヶ月齢のAM遺伝子改変マウス(Old AM-KO)およびその同腹子、コントロールとして12週齢のAM遺伝子改変マウス(Young AM-KO)およびその同腹子を準備し、それぞれにおける肺機能、組織学的変化を検討した。まず肺機能については、Old miceにおける残気量(RV),残気率(RV/TLC)の有意な増加が認められた。一方、組織学的な検討の結果、平均肺胞間距離(Lm)がOld miceにおいて有意に長く、肺胞面積や破壊指数(DI)については有意な差を認めなかった。いずれもAM遺伝子改変の有無とは関連を見出せなかった。この高齢マウスに対する慢性喫煙負荷を行うことで老人肺ではなく肺気腫が形成されること、さらにその肺気腫形成にadrenomedullinが抑制的に働くとすればきわめて画期的であり、「老いても肺気腫にはなりにくい」治療法の開発につながる独創的、萌芽的な研究結果を提示しうるものと考えられた。私はアドレノメデュリン(AM)が不足した喘息モデルマウスにおいて卵白アルフミン感作後の気道平滑筋層が有意に肥厚していることを示し、AMが気道炎症の修復過程における失敗を防ぎ、気道リモデリングを抑えている可能性を報告した(J Appl Physiol 102: 2361-2368,2007)。そこで、私は肺線維症における胞隔炎・線維芽細胞の浸潤過程、および肺気種における好中球やマクロファージ、CD4陽性T細胞を中心とした気道炎症の進展過程に対するAMの役割を示すため、まずこれらの病態を示すことが多いとされる高齢者におけるAMの役割を高齢マウスを用いて検討することとした。まず、高齢マウスとして22ヶ月齢のAM遺伝子改変マウス(Old AMKO)およびその同腹子、コントロールとして12週齢のAM遺伝子改変マウス(Young AMKO)およびその同腹子を準備し、それぞれにおける肺機能、組織学的変化を検討した。以上の結果から、高齢化により、肺の弾性収縮力が低下してエアートラッピングを生じさせる結果、残気量の増加やLmの増加を来たしているが、肺胞の破壊という点では高齢化の影響は少ないものと判断された。つまり、高齢化のみでは肺は形態学的に肺気腫の形態を示さず、むしろ末梢の気腔のみが拡大した「老人肺」の所見を示すことが示された。今後は喫煙負荷やブレオマイシン負荷を行って肺気腫、肺線維症のモデルを確立し、AMの多寡が与える影響を検討していく予定である。高齢マウスに対して慢性喫煙負荷を行って、肺気腫モデルマウスを作製することが、真に肺気腫の形成機序を検討する上で必要であると考え、試行錯誤のうえ新しい肺気腫モデルを確立した。
軟骨細胞の成長概日リズムとSOX9-ユビキチンリガーゼとの関連

1.軟骨組織におけるメラトニン受容体遺伝子であるMt1, Mt2 mRNAの発現が確かめられ、より血管新入部位に近接した肥大軟骨細胞層領域でその発現が高いことが明らかになった。2.メラトニンをBALB/c由来初代培養軟骨細胞に添加すると細胞増殖が促進され、その効果はアンタゴニストであるLuzindoleの添加で阻害された。また、軟骨特異的細胞外基質遺伝子、Sox9 mRNAの発現が促進していた一方で、軟骨細胞の肥大化マーカー遺伝子であるCol10a1の発現は抑制されていた。3.軟骨細胞自身がメラトニン合成能を持つか調べるために、メラトニン合成酵素mRNAの発現を調べたところ、軟骨組織での産生が確認された。メラトニンの産生はラット初代培養軟骨細胞の培養上清と細胞溶解液中を用いた質量分析で確かめた。4.BALB/c由来初代軟骨細胞でメラトニン添加後早期にMt1, Mt2受容体,メラトニン合成酵素aanat mRNAの遺伝子発現上昇が見られた。さらに概日リズムのマスター遺伝子であるBmal1の早期誘導が見られた一方、Per1は抑制された。5.細胞の概日リズムを同調させメラトニン添加における影響を観察した。BALB/c由来初代培養軟骨細胞においてメラトニンはBmal1 mRNAの発現のピークをメラトニン添加後17時間後に調整することが明らかになったが、Bmal1の周期長そのものは変化しなかった。一方で、検出可能なメラトニンを産生していると報告されているC3Hマウス由来軟骨細胞では、メラトニンの添加によって周期的なAanat mRNA産生が誘導され、Bmal1 mRNAの発現周期も18時間から24時間へと変化した。このことは、外因性のメラトニンが軟骨細胞の内因性メラトニンのリズム発現を誘発し、体内のリズムと同調させている可能性を示唆した。メラトニンが軟骨細胞の代謝に関与していることを示唆する以下の結果を得た。1.軟骨組織を含む他臓器の多くにメラトニン受容体MT-1, MT-2が発現していた。2.暗黒下で培養された初代軟骨細胞でMT-1, MT-2遺伝子は概日リズムを持った発現変動をする。3.メラトニン生合成の律速酵素遺伝子であるAANAT mRNAが軟骨組織でも発現しており、MT-1, MT-2 mRNAと同調した概日リズムで発現していた。4.メラトニンを初代培養軟骨細胞に添加すると、細胞増殖が促進された。5.メラトニンを初代培養軟骨細胞に添加し、数日培養すると、Col2a1, Aggrecan, Sox9 mRNAの発現が増加するが、一方で肥大マーカーであるCol10a1 mRNAの発現は減少した。6.メラトニンの培養軟骨細胞に対する効果は、レセプターの阻害剤であるルジンドールの添加で阻害された。7.メラトニンを初代培養軟骨細胞に添加し、継時的にRNAを回収すると比較的早い時間にAANAT, MT-1, MT-2, PTHrP mRNAの発現が誘導され、さらに引き続いてSox9, IGF-1, Ihhの発現が誘導された。また、概日リズムの制御転写調節因子であるBmal1 mRNAの発現が誘導され、一方でPer1 mRNAの発現は抑制された。これらの結果は、軟骨細胞が自律的にメラトニンを概日リズムを持ちながら合成し、MT-1, MT-2レセプターを介して細胞内に情報を伝達し、おそらく部分的には軟骨細胞の概日リズムを制御しているとの報告のあるPTHrP-IHHの経路を介して軟骨細胞の増殖を促進し、分化を抑制していることを示していると考えられる。平成28年度に計画していた事項はほぼ完了しているため。当該年度は、昨年度までに得られた知見をさらに確実なものにするため、以下の実験を行い、結果を得た。1培養細胞の遺伝子発現の周期を同調させることで、これまで見られた現象が再現されるか、あるいは同調後の遺伝子発現の実験間のばらつきが消失するかを確かめたところ、マウス初代軟骨細胞において50%血清刺激によって同期した遺伝子群の発現が観察された。その結果、軟骨細胞が自律的概日リズムを示しながらメラトニンを産生していること、メラトニン受容体遺伝子も概日リズム発現変動をすることが示され、これまでの知見が正しいことが明らかとなった。2同様の遺伝子発現の変動を、生体内でメラトニン産生が確かめられているラット初代培養軟骨細胞、ニワトリ胚由来初代軟骨培養細胞でも確かめた。ラット、およびニワトリ胚由来初代培養軟骨細胞上清、および細胞層側にメラトニンが産生されていることが質量分析解析によって明らかとなった。3マウス初代培養軟骨細胞を用いて、メラトニンが概日リズムに及ぼす影響を調べるために、リズム同調後、一定の間隔をあけてメラトニンを添加した。その結果、メラトニン受容体遺伝子の発現リズムの位相の変化のみでなく、概日リズムのマスターレギュレーターであるBMAL1, Per1の発現リズムにも、位相および周期の変化が観察された。このことは、軟骨細胞において、メラトニンはその受容体の発現を変化させることによってメラトニン受容効率を上げるだけでなく、軟骨細胞がもつリズム遺伝子の発現も制御する可能性が示唆された。

昨年度はメラトニンを体内で産生する能力のある、野生ネズミを用いて同様の実験を行い、軟骨細胞におけるメラトニン産生能、および周期性を確かめる予定にしていたが、軟骨細胞供給動物として、本来メラトニン産生能をもつことが報告されているラット、およびニワトリ胚を用いることで、本来の目的を達成することができている。また、CRISPR-Cas9を用いた変異マウスについては、現在のところ外来遺伝子の相同組換えによるknock-inに成功しており、現在解析を行っているところである。1.軟骨組織におけるメラトニン受容体遺伝子であるMt1, Mt2 mRNAの発現が確かめられ、より血管新入部位に近接した肥大軟骨細胞層領域でその発現が高いことが明らかになった。2.メラトニンをBALB/c由来初代培養軟骨細胞に添加すると細胞増殖が促進され、その効果はアンタゴニストであるLuzindoleの添加で阻害された。また、軟骨特異的細胞外基質遺伝子、Sox9 mRNAの発現が促進していた一方で、軟骨細胞の肥大化マーカー遺伝子であるCol10a1の発現は抑制されていた。3.軟骨細胞自身がメラトニン合成能を持つか調べるために、メラトニン合成酵素mRNAの発現を調べたところ、軟骨組織での産生が確認された。メラトニンの産生はラット初代培養軟骨細胞の培養上清と細胞溶解液中を用いた質量分析で確かめた。4.BALB/c由来初代軟骨細胞でメラトニン添加後早期にMt1, Mt2受容体,メラトニン合成酵素aanat mRNAの遺伝子発現上昇が見られた。さらに概日リズムのマスター遺伝子であるBmal1の早期誘導が見られた一方、Per1は抑制された。5.細胞の概日リズムを同調させメラトニン添加における影響を観察した。BALB/c由来初代培養軟骨細胞においてメラトニンはBmal1 mRNAの発現のピークをメラトニン添加後17時間後に調整することが明らかになったが、Bmal1の周期長そのものは変化しなかった。一方で、検出可能なメラトニンを産生していると報告されているC3Hマウス由来軟骨細胞では、メラトニンの添加によって周期的なAanat mRNA産生が誘導され、Bmal1 mRNAの発現周期も18時間から24時間へと変化した。このことは、外因性のメラトニンが軟骨細胞の内因性メラトニンのリズム発現を誘発し、体内のリズムと同調させている可能性を示唆した。実験に用いられるマウス系統のほとんどがメラトニンを産生できない変異体であると報告されている。成熟の早い系統が選択的に用いられてきたことと大いに関連があると考えられる。また、一方で我々は、軟骨細胞が自律的概日リズムでメラトニンを産生していることを明らかにしてきたが、概日リズム制御因子として知られているBMAL1転写調節因子と周期のズレがあることが分かった。メラトニンによって誘導される概日リズムのズレを修正する調節因子があると考えられるため、メラトニンを産生することができる野生ネズミの系統を用いて、メラトニン合成酵素をCRISPR-Cas9で欠失したマウスを作製し、軟骨組織を時間を変えて回収することによって、遺伝子発現の変化を解析したい。この結果は、概日リズムに応答した軟骨組織における遺伝子発現の制御機構を解明し、軟骨の成長のみでなく、加齢における抵抗性を治療に応用する基礎となると思われる。本実験計画最終年度に当たる平成30年度は、これまでの研究内容を学術雑誌に掲載することを目標とする。さらに、現在解析中のCRISPR-Cas9を用いたゲノム編集マウスについても解析を行い、さらなる研究の進展につなげたい。