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クマムシ特異的非ドメイン型タンパク質の探索と機能解析

Planned Research

Project AreaBiology of Non-domain Biopolymer
Project/Area Number 21H05279
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (III)
Research InstitutionKeio University

Principal Investigator

荒川 和晴  慶應義塾大学, 政策・メディア研究科(藤沢), 教授 (40453550)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 國枝 武和  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (10463879)
田中 冴  大学共同利用機関法人自然科学研究機構(機構直轄研究施設), 生命創成探究センター, 特任助教 (60770336)
Project Period (FY) 2021-09-10 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥142,740,000 (Direct Cost: ¥109,800,000、Indirect Cost: ¥32,940,000)
Fiscal Year 2025: ¥25,870,000 (Direct Cost: ¥19,900,000、Indirect Cost: ¥5,970,000)
Fiscal Year 2024: ¥25,610,000 (Direct Cost: ¥19,700,000、Indirect Cost: ¥5,910,000)
Fiscal Year 2023: ¥25,740,000 (Direct Cost: ¥19,800,000、Indirect Cost: ¥5,940,000)
Fiscal Year 2022: ¥25,610,000 (Direct Cost: ¥19,700,000、Indirect Cost: ¥5,910,000)
Fiscal Year 2021: ¥39,910,000 (Direct Cost: ¥30,700,000、Indirect Cost: ¥9,210,000)
Keywords非ドメイン型タンパク / クマムシ / 天然変性タンパク / 乾眠
Outline of Research at the Start

極限環境耐性を持つクマムシは種特異的なタンパク質を多数有しており、それらの多くは煮沸処理後も可溶性を失わない「熱可溶性」という特異な性質を示す。本研究ではクマムシが示す優れたストレス耐性能力に注目し、クマムシ特異的な非ドメイン型タンパク質の細胞レベルでの機能解析を進めると共に、それらの分子レベルの作用機序から個体レベルでの生理機能まで、全階層横断的な解析を主導的に進める。さらに、比較ゲノム解析の手法を駆使して配列への機能依存性を高めずに機能を獲得する分子進化戦略を明らかにするほか、クマムシ特異的タンパクを強制発現し、新たな生体機能を持った個体の作製も目指す。

Outline of Annual Research Achievements

極限環境耐性を持つクマムシは種特異的なタンパク質を多数有しており、それらの多くは煮沸処理後も可溶性を失わない「熱可溶性」という特異な性質を示す。本研究ではクマムシが示す優れたストレス耐性能力に注目し、クマムシ特異的な非ドメイン型タンパク質の細胞レベルでの機能解析を進めると共に、それらの分子レベルの作用機序から個体レベルでの生理機能まで、全階層横断的な解析を主導的に進めることを目的としている。本年度は、まず、昨年度まで開発した新技術Droplet-MDAによる超微量ゲノムDNAからの全ゲノム解析を進めた。飼育系が確立されていない異クマムシ三種を含める多様なクマムシのゲノムを四種決定した。その上で、非ドメイン型タンパクは配列類似性を持たないため、Alphafold2による立体構造予測によって類似構造を持つタンパクをクラスタリングし、約300種類のクマムシ固有非ドメイン型タンパクを見出した。
加えて、前年度までに耐性に関わる候補としてT-DRYPsと名付けたストレスに応答して可逆的に凝集するクマムシタンパク質群を多数同定してきており、今年度はこれらの中から機能獲得型スクリーニングにより耐性向上をもたらすものを選別・同定した。具体的にはT-DRYPsを導入した動物細胞群に対してストレス環境下での競合生存・増殖実験を実施し、ストレス曝露によって一部のT-DRYPsが顕著に濃縮されることを見出した。さらにそのうちの一部は単体の導入で実際に動物細胞のストレス耐性を向上させることを確認した。これまで解析されたことのないクマムシ固有タンパク質が含まれており、これらは新たな耐性タンパク質と考えられ今後の耐性に寄与するメカニズムの解析に供する予定である。また、これまでに確立したゲノム編集個体作出系の改良を進め、別途同定した耐性遺伝子の破壊個体を作出し解析を進めている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の計画通り、クマムシの乾眠に関わる非ドメイン型タンパクの機能解析と、新規タンパクの探索を進められている。昨年度開発したクマムシ内in vivo 遺伝子発現系TardiVecによって、これまでに発見してきたクマムシ乾眠関連タンパクが強い組織特異性を持って発現していることが明らかになり、クマムシ乾眠メカニズムのモデルは再考が必要となっているが、一方で発現特異性に関するデータも徐々に蓄積してきており、研究全体としては順調に進行している。

Strategy for Future Research Activity

これまでに開発したクマムシin vivo 遺伝子発現系TardiVecを用い、1. 詳細に非ドメイン型タンパクの発現制御機構を同定し、2.これまでに明らかになってきた乾眠関連非ドメイン型タンパクの組織特異的発現について、1細胞解像度の空間トランスクリプトーム解析によって組織特異的発現パターンを網羅的に解明し、3. RNAiやCRISPR-Cas9系を用いてこれら非ドメイン型タンパクの役割をライブイメージングによって解析する。加えて、本研究課題で開発したCRISPR/Cas9によるゲノム編集個体作出技術を用いて、これまで見出してきた耐性候補タンパク質群について、ノックアウトクマムシ個体を作出し耐性に必須な新規タンパク質群の同定・解析を進める。また、昨年度gain of function screeningによって新たに同定した新規耐性タンパク質について、配列への変異導入による機能への影響をin vitro 、培養細胞、クマムシ個体を用いて解析することで詳細な耐性メカニズムの解明を目指す。

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (83 results)

All 2024 2023 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (11 results) Journal Article (20 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 15 results,  Open Access: 13 results) Presentation (50 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 13 results) Remarks (2 results)

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    • Author(s)
      Michalczyk Lukasz、Gross Vladimir、Arakawa Kazuharu
    • Journal Title

      Zoological Journal of the Linnean Society

      Volume: 200 Issue: 1 Pages: 1-11

    • DOI

      10.1093/zoolinnean/zlad199

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    • Author(s)
      Al-Ansari Mohammad、Fitzsimons Taylor、Wei Wenbin、Goldberg Martin W.、Kunieda Takekazu、Quinlan Roy A.
    • Journal Title

      Cell Stress and Chaperones

      Volume: 29 Issue: 1 Pages: 51-65

    • DOI

      10.1016/j.cstres.2023.12.001

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    • Author(s)
      Kondo Koyuki、Tanaka Akihiro、Kunieda Takekazu
    • Journal Title

      bioRxiv

      Volume: 2024.01.10 Pages: 575120-575120

    • DOI

      10.1101/2024.01.10.575120

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  • [Journal Article] Nondomain biopolymers: Flexible molecular strategies to acquire biological functions2023

    • Author(s)
      Arakawa K, Hirose T, Inada T, Ito T, Kai T, Oyama M, Tomari Y, Yoda T, Nakagawa S.
    • Journal Title

      Genes to Cells

      Volume: 28 Issue: 8 Pages: 539-552

    • DOI

      10.1111/gtc.13050

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  • [Journal Article] Reply to Tanaka and Kunieda: Control protein GFP also shows a mesh-like structure in desiccating tardigrade cells2023

    • Author(s)
      Tanaka Sae、Arakawa Kazuharu
    • Journal Title

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      Volume: 120 Issue: 48

    • DOI

      10.1073/pnas.2316451120

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  • [Journal Article] The Evolution of Temperature and Desiccation-Related Protein Families in Tardigrada Reveals a Complex Acquisition of Extremotolerance2023

    • Author(s)
      Fleming James F、Pisani Davide、Arakawa Kazuharu
    • Journal Title

      Genome Biology and Evolution

      Volume: 16 Issue: 1

    • DOI

      10.1093/gbe/evad217

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    • Author(s)
      Tanaka Sae、Aoki Kazuhiro、Arakawa Kazuharu
    • Journal Title

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      Volume: 120 Issue: 5

    • DOI

      10.1073/pnas.2216739120

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    • Author(s)
      Arakawa Kazuharu
    • Journal Title

      Methods Mol Biol

      Volume: 2632 Pages: 91-100

    • DOI

      10.1007/978-1-0716-2996-3_7

    • ISBN
      9781071629956, 9781071629963
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      Yoshida Yuki、Satoh Tadashi、Ota Chise、Tanaka Sae、Horikawa Daiki D.、Tomita Masaru、Kato Koichi、Arakawa Kazuharu
    • Journal Title

      BMC Genomics

      Volume: 23 Issue: 1 Pages: 405-405

    • DOI

      10.1186/s12864-022-08642-1

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    • Author(s)
      Tanaka Akihiro、Nakano Tomomi、Watanabe Kento、Masuda Kazutoshi、Honda Gen、Kamata Shuichi、Yasui Reitaro、Kozuka-Hata Hiroko、Watanabe Chiho、Chinen Takumi、Kitagawa Daiju、Sawai Satoshi、Oyama Masaaki、Yanagisawa Miho、Kunieda Takekazu
    • Journal Title

      PLOS Biology

      Volume: 20 Issue: 9 Pages: 3001780-3001780

    • DOI

      10.1371/journal.pbio.3001780

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    • Author(s)
      Kumagai Hitomi、Kondo Koyuki、Kunieda Takekazu
    • Journal Title

      Biochemical and Biophysical Research Communications

      Volume: 623 Pages: 196-201

    • DOI

      10.1016/j.bbrc.2022.07.060

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    • Author(s)
      SUGIURA KENTA、MATSUMOTO MIDORI、KUNIEDA TAKEKAZU
    • Journal Title

      Zootaxa

      Volume: 5134 Issue: 1 Pages: 92-112

    • DOI

      10.11646/zootaxa.5134.1.4

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  • [Journal Article] Tardigrade Secretory-Abundant Heat-Soluble Protein Varies Entrance Propensity Depending on the Amino-Acid Sequence2022

    • Author(s)
      Miyazawa Kazuhisa、Itoh Satoru G.、Yoshida Yuki、Arakawa Kazuharu、Okumura Hisashi
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 126 Issue: 12 Pages: 2361-2368

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.1c10788

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      Arakawa Kazuharu
    • Journal Title

      Annual Review of Animal Biosciences

      Volume: 10 Issue: 1 Pages: 17-37

    • DOI

      10.1146/annurev-animal-021419-083711

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      Yoshida Yuki、Horikawa Daiki D.、Sakashita Tetsuya、Yokota Yuichiro、Kobayashi Yasuhiko、Tomita Masaru、Arakawa Kazuharu
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      Data in Brief

      Volume: 36 Pages: 107111-107111

    • DOI

      10.1016/j.dib.2021.107111

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    • Author(s)
      Fleming James F、Pisani Davide、Arakawa Kazuharu
    • Journal Title

      Genome Biology and Evolution

      Volume: 13 Issue: 8

    • DOI

      10.1093/gbe/evab164

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    • Author(s)
      Kazuhisa Miyazawa, Satoru G. Itoh, Hiroki Watanabe, Takayuki Uchihashi, Saeko Yanaka, Maho Yagi-Utsumi, Koichi Kato, Kazuharu Arakawa, and Hisashi Okumura
    • Journal Title

      Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 125 Issue: 32 Pages: 9145-9154

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.1c04850

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    • Author(s)
      Yagi-Utsumi Maho、Aoki Kazuhiro、Watanabe Hiroki、Song Chihong、Nishimura Seiji、Satoh Tadashi、Yanaka Saeko、Ganser Christian、Tanaka Sae、Schnapka Vincent、Goh Ean Wai、Furutani Yuji、Murata Kazuyoshi、Uchihashi Takayuki、Arakawa Kazuharu、Kato Koichi
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 11 Issue: 1 Pages: 21328-21328

    • DOI

      10.1038/s41598-021-00724-6

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      Murai Yumi、Yagi-Utsumi Maho、Fujiwara Masayuki、Tanaka Sae、Tomita Masaru、Kato Koichi、Arakawa Kazuharu
    • Journal Title

      BMC Genomics

      Volume: 22 Issue: 1 Pages: 813-813

    • DOI

      10.1186/s12864-021-08131-x

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    • Author(s)
      Tanaka Akihiro、Nakano Tomomi、Watanabe Kento、Masuda Kazutoshi、Honda Gen、Kamata Shuichi、Yasui Reitaro、Kozuka-Hata Hiroko、Watanabe Chiho、Chinen Takumi、Kitagawa Daiju、Sawai Satoshi、Oyama Masaaki、Yanagisawa Miho、Kunieda Takekazu
    • Journal Title

      bioRxiv

      Volume: N.A Pages: 462891-462891

    • DOI

      10.1101/2021.10.02.462891

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      荒川和晴
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      イベリアトゲイモリゲノム解読記念シンポジウム
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  • [Presentation] 非モデル生物のナノポアシークエンシング:クマムシ・クモ・ミドリムシ2022

    • Author(s)
      荒川和晴
    • Organizer
      第45回日本分子生物学会年会
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  • [Presentation] 極限環境生物クマムシの乾眠を実現する多様な非ドメイン型タンパク2022

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      荒川和晴
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      タンパク質研究シンポジウム ~タンパク質研究はいま新たなステージに入ろうとしている!~
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  • [Presentation] Tardigrades are shining models of anhydrobiosis research2022

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      Arakawa K, Tanaka S
    • Organizer
      15th International Symposium on Tardigrada
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  • [Presentation] Identification of promoters associated with tardigrade anhydrobiosis- related genes2022

    • Author(s)
      S. Ishikawa, S. Tanaka, K. Arakawa
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      15th International Symposium on Tardigrada
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  • [Presentation] in vivo gene expression in tardigrades, a technical breakthrough coming to tardigrades2022

    • Author(s)
      S. Tanaka, K. Arakawa
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      15th International Symposium on Tardigrada
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  • [Presentation] 乾燥耐性動物クマムシにおける遺伝子発現系の確立と耐性関連タンパク質のダイナミクス観察2022

    • Author(s)
      田中冴, 荒川和晴
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      第45回日本分子生物学会年会
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  • [Presentation] 極限環境耐性生物クマムシにおけるin vivo 発現系の確立2022

    • Author(s)
      田中冴, 荒川和晴
    • Organizer
      第5回ExCELLSシンポジウム
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  • [Presentation] クマムシの無水生命状態と非構造タンパク質2022

    • Author(s)
      田中冴
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      第7回タタバイオ分子クラブ
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  • [Presentation] 光るクマムシで読み解く無水生命機構の謎2022

    • Author(s)
      田中冴, 荒川和晴
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      極限環境適応2022
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  • [Presentation] 乾燥耐性生物クマムシのミトコンドリア局在性熱可溶性タンパク質MAHS ・LEAMにおける乾燥誘導性LLPS2022

    • Author(s)
      田中冴, 荒川和晴
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      日本生物物理学会第60回年会
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  • [Presentation] クマムシにおける外来遺伝子発現系の確立2022

    • Author(s)
      田中冴, 荒川和晴
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      日本動物学会第93回大会
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  • [Presentation] 遺伝子発現系を用いた乾燥耐性動物クマムシにおけるバイオイメージング手法の確立2022

    • Author(s)
      田中冴, 荒川和晴
    • Organizer
      第31回日本バイオイメージング学会学術集会
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  • [Presentation] 小さな最強生物!クマムシのひみつ2022

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      田中冴
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      静岡科学館る・く・る 科学茶房
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  • [Presentation] 最強生物クマムシとその仲間たち2022

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      田中冴, 荒川和晴
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      2022年度日本動物学会関東支部講演会
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      第45回日本分子生物学会年会
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  • [Presentation] クマムシ固有の繊維化耐性タンパク質CAHSによるストレスに応答した細胞の硬化と耐性の向上2022

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      國枝武和
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      近藤小雪
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      近藤小雪
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  • [Presentation] Tardigrade-unique tolerance protein CAHS forms filaments via electrostatic interaction and stiffens cells in response to hyperosmotic stress2022

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      田中彬寛
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      第45回日本分子生物学会年会
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      田中彬寛
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      田中彬寛
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    • Author(s)
      Akihiro Tanaka
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Stress-dependent cell-stiffening by tardigrade tolerance proteins CAHS through reversible formation of a cytoskeleton-like filamentous network and gel-transition2022

    • Author(s)
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  • [Presentation] Unique toolbox in tardigrade anhydrobiosis2022

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      Takekazu Kunieda
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      Royal Society Theo Murphy Meeting
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    • Author(s)
      Akihiro Tanaka
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      荒川和晴
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    • Organizer
      第44回日本分子生物学会年会,
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      荒川和晴
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      2021 年度 生理学研究所研究会「極限環境適応」
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      荒川和晴
    • Organizer
      Virtual Nanopore Day Japan
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      https://nondomain.org

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    • URL

      https://www.excells.orion.ac.jp/news/6736

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Published: 2021-10-22   Modified: 2025-04-17  

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