中から、学術上の意義や貢献についてご紹介します。
または学説
新たに解明されたこと
意義、貢献
原口 徳子,平岡 泰
減数分裂において、第一分裂が始まる前に、テロメア(染色体末端)が核の縁辺部の１カ所、中心体近傍にクラスターを形成する。この特徴的な染色体配置がbouquet配置である。1900年、Eisenがサンショウウオの減数分裂期染色体配置に対し、はじめてbouquetという言葉を用い、ついで、1905年には、Schreinerらがホソヌタウナギの減数分裂で、中心体に近接してテロメアクラスターが形成されることを記載している。依頼１００余年、bouquet配置は、動物、植物、菌類の様々な生物種で見いだされ、減数分裂における相同染色体の対合において普遍的な役割を担っていると考えられてきた。しかし、それでは、ばらばらに存在しているテロメアがいかにして中心体付近に集まるのか、その分子機構は、まったくの謎で、中心体やテロメアの構造については、相当な知見の蓄積があるもののbouquet形成において両者を連絡する機構については、文字通りmissing linkとされてきた。
分裂酵母を材料としたゲノムワイドなスクリーニングにより、bouquet形成においてテロメアと中心体とを連結する新規タンパク質２個（Bqt1,Bqt2と命名）を発見同定し、これにより、ながらくmissing linkとされてきたbouquet配置における中心体とテロメアの連結機構を分子レベルで解明した。精細な生細胞観察により、さらに、bouquet形成期、従来、中心体の一成分と考えられていたSad1タンパク質が、核膜上を移動し、核膜下に散在するテロメアと邂逅し、これを中心体へ集合させる役割を担うことを明らかにした。
bouquet形成機構という、その発見から１００年来の問題を、テロメアと中心体を連結するKey Moleculeの発見により、 分子レベルにおいてこれを解明したばかりでなく、これらの発見により、核の内側に存在する染色体と核の外側に存在する中心体とがどのような分子機構によって連絡しbouquetのような特徴的染色体配置が形成されるのかという普遍的な生物学上の問題解明へむけたパラダイムを創出した。
| 升田 裕久,登田 隆,宮本 留美,原口 徳子, 平岡 泰 |
微小管形成の重合核として機能するγチューブリン複合体の活性が細胞内において時間的、空間的に制御される分子機構は不明であった。分裂酵母では核内複合体と細胞質複合体が存在するが、従来の突然変異株を用いた解析では両者の機能を分離できなかった。
γチューブリン複合体の構成タンパク質の断片と核局在配列および細胞質局在配列を融合させ、分裂酵母の核内複合体と細胞質複合体の機能を別々に阻害するプローブを開発した。核内複合体はG2/M境界期とM期における細胞周期進行に必須であり、細胞質複合体は間期における核の位置決定と細胞極性の制御に重要であることがわかった。
核内γチューブリン複合体の阻害によりG2/M境界期の進行がWee1依存的に阻害されることから、核内γチューブリン複合体の活性をチェックして、細胞周期の進行を制御する分子機構の存在が示唆された。
細胞内における核の位置決定や核運動は、細胞分裂や、初期発生において、非常に重要である。多くの場合、微小管と、モータータンパク質に依存する。分裂酵母においては、位置決定は微小管のダイナミックスに依存し、核運動は微小管依存性のモータータンパク質に依存することが報告されていた。
細胞質γチューブリン複合体の機能を阻害することにより、核運動が誘導された。核運動はモータータンパク質に依存せず、微小管ダイナミックスの変化によって誘導されることがわかった。核運動は細胞の決まった一端側に偏っておこることから、細胞極性調節に関係していることがわかった。
核運動は微小管とモータータンパク質に依存して起こることが従来の考え方であったが、微小管ダイナミクスを変化させるだけで、核運動が起こることを示した。γチューブリン複合体の機能を調節することにより、核の位置をかえたり核運動を誘導できることを明らかにした。
Walter R. Leeb
光を空間的に走査させるには、(1)鏡やプリズムを機械的に動かす方式、(2)実時間書き換えが可能なホログラムを用いる方式、(3)フェーズドアレーを用いたビーム偏向方式等がある。(1)や(2)の場合は応答速度が遅く、(3)の場合には光の屈折率変化を電気光学効果などにより位相制御を行うため高速に光ビーム偏向が可能である。しかし、これらは光の位相を合わせて複数ビームを合波するなどハード製作において複雑になるため、構成するのが難しく実用的でないシステムとなっていた。
小型で光ビーム偏向に機械的可動部分の無い光伝送方式について提案した。本提案方式では、1本のレーザビームを、段階的な透過率をもつ多重反射用ミラーを用いてアレー状に配置し、光周波数を変化させることで高速に２次元ビーム走査を行うもので、光のフェーズドアレーアンテナの一種である。原理確認のために、４本の同じ強度の平行ビームを形成するための光学素子（Multiple Beam Generator: MBGと命名）を試作し、実験を行った。これにより、光周波数変化に比例して光ビームを２次元的にラスター走査が原理的に可能であることを示した。
光フェーズドアレーでは、従来、ビーム毎に光位相変調回路や光フェーズロックドループ回路などが必要で複雑なシステムとなっていたが、本方式を用いることで、光フェーズドアレーが簡素な光学系により初めて実現した。この原理を用いることで、将来、空間光通信における電子的高速ビーム走査による捕捉追尾や、高速FSKスイッチングなどと組み合わせた１入力×N出力の空間高速光スイッチなどへ応用が考えられる。互いのビームの光位相制御をしなくても２次元にビーム偏向が可能であり、光学技術の応用分野で画期的な成果である。
高度な光制御を用いると効率の高い光信号伝送が可能であることは知られていたが、高度な制御と高速動作が両立せずに、光の高度制御で大容量伝送をねらうことは困難とされてきた。
集積光デバイスで高速動作と高度な光制御を実現した。これにより、２５Ｔｂｐｓを越える超大容量光通信が可能となった。
ここで報告されたデバイスにより、これまでの記録を大幅に塗り替える超大容量伝送が次々と実現している。他の研究機関からもこの報告以降、同様のデバイスに関する研究が始っている。５年ぶりの光ファイバあたりの伝送容量記録更新の原動力となった画期的な研究成果である。伝送容量記録競争の火付け役となったといえる。世界最大の伝送容量 (25Tbps)、最高密度 (3.2bps/Hz)がこの成果により達成されている。
鯨岡 真美子,江馬 一弘
量子ドットを量子情報デバイスに応用するためには、量子ドット内に生成した励起子（電子−正孔対）の位相緩和時間を長くすることが必要不可欠であると同時に、励起子の共鳴波長が重要なパラメタとなってくる。これまでの研究では、従来方法で作製した歪の大きな量子ドットを対象としていたため、1.3ミクロンよりも短い波長領域での位相緩和時間に関する報告しかなかった。
本研究では、歪補償法という特殊な技術を用いて作製した量子ドットを用いることにより、1.3ミクロンを超える長波長領域において初めて、１ナノ秒を超える非常に長い位相緩和時間を達成することに成功した。今回得られた位相緩和時間は、あらゆる波長域の量子ドットと比較しても最も長い部類に位置するものであり、我々が作製した量子ドットが量子情報デバイスとして有力な候補であることを示している。
今回長い位相緩和時間を達成することに成功した波長は光通信波長帯に位置しており、固体素子による量子情報通信の実用化に向けた画期的な成果であるといえる。また量子ドット積層構造を用いることで、従来測定が困難であった四光波混合信号を高いS/N比で取得することに成功したことは、量子ドット中の位相緩和過程をこれまでよりも高精度に調べる有効な手段を与えるものと期待され、学術上も意義の深いものと考えられる。
2値の量子信号を判別する量子測定は、量子情報、また量子光学において最も基本的な要素である。しかしながら量子情報通信・光量子情報処理において非常に大きな役割を果たすある種の2値量子測定は、その重要性にもかかわらず物理的実現は技術的には非常に困難であり、光子レベルで動作する極めて強い非線形光学過程や、大規模な量子もつれ合いを持つ非古典的な量子状態の補助光が必要であろうと考えられてきた。
本研究により、光量子信号に対するあらゆる種類の2値の量子測定過程が、線形光学素子、古典的コヒーレン光、光子検出器、そして古典的なフィードバックのみを用いて構成可能であることが理論的に証明された。非古典的な補助光を使わないでもあらゆる2値量子測定が構成可能であることは、これまで予想されていなかった極めて画期的な成果である。
本論文の対象としている線形光学素子等の物理デバイスは、技術的にも確立されつつあるものばかりであり、今後、様々な光量子通信・情報処理プロトコルの設計に応用されるものと期待される。また、量子情報理論としても、本論文の理論は、1970年代にドリナーにより提案された「ドリナーの量子最適受信機」と呼ばれる量子信号検出モデルの最も一般化された理論であり、量子光学・量子情報研究の萌芽期に考えられ始めた先駆的な理論に対して、その一応の完成を与えたものと言える。
白髭 克彦,原口 徳子,平岡 泰
細胞生物学的観察から、ほとんどすべての生物では減数分裂期前期のクロマチンに凝縮度の上昇が見られる。しかし、この凝縮度の上昇を持つ意義、また、染色体の凝縮度を測定し、さらにこの染色体構造の変化を司る分子機構の解析はこれまでほとんどなされていなかった。
本研究は減数分裂期前期のクロマチン凝縮度を生細胞において計測する方法を開発し、染色体構築の分子基盤を明らかにした。具体的には、分裂酵母減数分裂期前期の規則的な染色体配向を利用し、同じ染色体のアーム上２カ所を同時に可視化できる株でクロマチンの凝縮度を計測し、生細胞における減数分裂期前期の染色体構造変化を詳細に解析した。その結果、減数分裂期前期にクロマチンの凝縮度が減数分裂期特異的コヒーシンに依存して上昇し、減数分裂期特異的コヒーシンがないと、クロマチンが30nmファイバー程度の凝縮率になるまで低下することを明らかにした。
この研究で世界で初めて染色体の凝縮度を生細胞で実測することに成功し、染色構造の研究に新しい方法を提供した。この方法により、減数分裂期特異的発現するコヒーシンタンパク質が直接に染色体構造を制御することを明らかにした。従来コヒーシンタンパク質が姉妹染色体の接着に重要であると知られているが、本研究により、コヒーシンタンパク質の染色体構造への直接関与という新規機能を発見した。
複数の視標から目標を検出する際には、与えられた視覚刺激の形態情報を解析的に処理する腹側視覚系と視標に注意をむけることが、共に必要であることが知られている。しかしながら背景から視標を分離抽出することに関わる脳部位は動物を用いた実験で、第１次・第４次視覚野および側頭・頭頂など議論が一定していなかった。
脳磁界計測（MEG）の高い時間分解能と機能的磁気共鳴画像（fMRI）の高い空間分解能を利用した統合解析法で、目標視標の検出に関わる複数の脳部位の時間変化を明らかにした。視覚刺激の解析的処理と背景から目標視標を分離抽出する脳活動が記録でき、その間に視覚注意に関わる脳活動が関わることが解り、視標検出に関わるの脳内処理のシークエンスを解明した。
脳磁界計測と機能的磁気共鳴画像を利用した統合解析法で、視標検出に関わる複数の脳部位の時間変化を明らかにした。このことは、情報氾濫の中でヒトがどのようにして的確に目標視標を検出するかという問題に対して、脳科学の立場から情報化社会に対する新たな知見をもたらすことができたと云える。
ヒト、マウスなどの高等真核生物の細胞は、父方と母方由来の遺伝子情報がのった染色体をそれぞれ一対持つが、配偶子形成時での生殖細胞では父方と母方由来の遺伝情報が再編され、染色体数が半数になる分配が行なわれる。通常の細胞と異なる染色体の分配は還元分配と呼ばれる。この還元分配を正確に行なうために、細胞は染色体上の動原体と呼ばれる部位に特異的な構造を形成し、その特異的構造を認識して染色体を半数になるように分配する。この特異的な構造形成には多くの蛋白質を含む複合体が関与すると考えられている。
本研究では１０００以上の分裂酵母の遺伝子に蛍光蛋白質を融合させて発現する株を作成し、この中より２２個の動原体に局在する因子を得て、生細胞の生殖細胞での挙動を蛍光顕微鏡下で観察した。これらの結果より２２個の蛋白質の挙動を３つのグループに分類し、さらに２つの生殖細胞特異的な因子の観察を合わせて生殖細胞での動原体部位の経時的な構造形成の順序を明らかにし、これらの因子の挙動が還元分配に必要である接合フェロモンのシグナル伝達系において制御されていることを明らかにした。
配偶子形成過程は生物にとって変化する環境への適応のための多様性を獲得する重要な過程であり、生殖細胞で起こる還元分配機構の解析は古くからの基本的問題である。しかし高等生物での解析は分子生物学的また生化学的解析が容易でなく、詳細な分子機構の解析に至っていない。今回の発表では、ゲノム解析が終了し、分子生物学的解析が容易である分裂酵母を用いて、初めて網羅的に生殖細胞周期における多数の動原体局在因子を解析し、動原体部位の構築順序と制御機構の一端を明らかにした。この論文によりさらに還元分配での動原体部位の構築とその制御の分子機構解析が進み、また高等真核生物での構築の制御にも大きな知見を与えると考えられる。
タンパク質モーターの運動について、ＯＮ／ＯＦＦの制御をするだけでなく、ＯＦＦ状態におけるタンパク質繊維とモーターの結合状態をも制御することは、タンパク質モーターを分子通信技術に利用する上でも、重要な要素技術であると考えられる。このような制御は、「キャッチ筋」として知られる軟体動物二枚貝平滑筋のトゥィッチンによるアクチン‐ミオシン間相互作用の制御として明らかにされ、精製したタンパク質によって再構成を行なうことができるようになっていた。しかし、トゥィッチンは「キャッチ筋」のみに存在するわけではなく、軟体動物以外の動物にも広く存在していることが知られている。これらのトゥィッチンが、「キャッチ筋」のものと同様の制御機能を有するかは不明であった。また、トゥィッチンによるこのような制御を受けるミオシンは、比較的ゆっくりとしか動かないものに限られているのではないかという予測があった。
本研究により、これまで「キャッチ筋」であるとされていなかった、二枚貝横紋筋や斜紋筋のトゥィッチンにも、「キャッチ筋」のものと同様の制御機能があることが示された。このように、この制御機能に一般性が確認されたことから、この制御能力に対して‘catchability’という新たな概念を提唱した。さらに、トゥィッチンの catchability は、ゆっくりとしか運動しないミオシンだけでなく、かなり速く運動をするミオシンに対しても有効であることが明らかにされた。この意味では、ミオシンの catchability に関しても今まで考えられてきたよりも一般的であることが示されたのである。
本研究成果は、「キャッチ筋」のトゥィッチンやミオシンに見られる catchability が「キャッチ筋」だけに限られるという従来の予測を覆し、様々な筋肉にも広く存在する機能であることを示唆する重要な意味を持っている。また、タンパク質モーターを分子通信技術等に利用し、トゥィッチンの機能を利用する際に、限られた材料しか利用できないという制限を打ち破ったほか、たとえば速く動くミオシンやゆっくりと動くミオシンなどを同じトゥィッチン分子で同様に制御可能であるなど、これまで知られていた知見に基づく場合よりも複雑で巧妙なデバイス構築が可能であると考えられる。