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文字列統計量を用いたベイズ推定によるインフルエンザウイルスの抗原変異予測

Research Project

Project/Area Number 16H02863
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Research Field Intelligent informatics
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

伊藤 公人  北海道大学, 人獣共通感染症リサーチセンター, 教授 (60396314)

Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥11,310,000 (Direct Cost: ¥8,700,000、Indirect Cost: ¥2,610,000)
Fiscal Year 2018: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2017: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
Fiscal Year 2016: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Keywordsインフルエンザウイルス / 抗原変異予測 / 文字列統計量 / ベイズ推定 / 文字列推定量
Outline of Annual Research Achievements

インフルエンザの予防にはワクチン接種が有効であるが,人の免疫圧による選択淘汰を受けてウイルスの遺伝子が変異し続けるため, ワクチン株を頻繁に更新しなければならない。そこで,本研究では,ワクチン株を先回りして準備するために,感染症数理疫学と集団 遺伝学を融合し,ウイルスの遺伝子配列の文字列統計量から,感染症流行モデルのパラメータを推定する手法を開発する。インフルエンザのリアルタイム流行予測およびウイルスの変異予測を行い,その予測精度を明らかにすることを目的としている。平成29年度は,下記の項目の研究を実施した。
(1)集団遺伝学のCoalescent理論,理論生物学分野のQuasi-species理論および数理疫学分野の感染症流行モデルを融合し,ウイルスの遺伝子変異および感染・免疫を表す数理モデル構築した。(2)計算機シミュレーションにより,人の集団免疫により変異ウイルスが選択されながら流行を繰り返す様子を再現した。(3) 翌年流行する新しい変異ウイルスは,塩基配列のTajima のDが低くなる傾向にあることを見出した。 (4)ウイルス株の塩基配列のTajimaのDから翌年流行するウイルス株を予測する手法を開発した。 (5)2006年2015年までの10シーズンの実際のウイルスの塩基配列データを用いて翌年流行するウイルス株を予測する実験を行ったところ,10シーズン中7シーズンで流行したウイルス株を正しく予測できていたことを確認した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究課題は,研究期間内に,1) ウイルスの遺伝子変異および感染・免疫の時間発展を表す数理モデル構築,2) 感染・免疫・変異の 大規模並列モンテカルロシミュレーションシステムの実装,3) ウイルスの遺伝子配列の文字列統計量から数理モデルのパラメータを 推定する手法,4) 推定されたパラメータと数理モデルから次に流行する株を予測する手法,5) 実際に観測される変異と予測結果の照合による予測精度の評価について研究することを目的とする。上記1)から5)に挙げたうち,数理モデルの構築,シミュレーションシステムの実装,文字列統計量からの流行株の予測方法の開発が順調に進んでいる 。

Strategy for Future Research Activity

ウイルスの遺伝子変異および感染・免疫の時間発展を表す数理モデル構築,大規模並列モンテカルロシミュレーションシステムの実装 ,ウイルスの遺伝子配列の文字列統計量から数理モデルのパラメータを推定する手法,次に流行する株を予測する手法,予測精度の評価について研究を継続する。ウイルス株の各系統についてTajimaのDを指標に実効再生算数を計算し,翌年どのウイルスがメジャーに なるかを予測する手法を開発し,その予測精度を明らかにする。

Report

(2 results)
  • 2017 Annual Research Report
  • 2016 Annual Research Report

Research Products

(18 results)

All 2017 2016 Other

All Int'l Joint Research Journal Article Presentation

  • [Int'l Joint Research] Icahn School of Medicine at Mount Sinai(米国)

    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Journal Article] Inferring epidemiological dynamics of infectious diseases using Tajima's D statistic on nucleotide sequences of pathogens2017

    • Author(s)
      Kim Kiyeon、Omori Ryosuke、Ito Kimihito
    • Journal Title

      Epidemics

      Volume: 21 Pages: 21-29

    • DOI
      10.1016/j.epidem.2017.04.004
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Identification of the same polyomavirus species in different African horseshoe bat species is indicative of short-range host-switching events2017

    • Author(s)
      Carr M, Gonzalez G, Sasaki M, Dool SE, Ito K, Ishii A, Hang'ombe BM, Mweene AS, Teeling EC, Hall WW, Orba Y, Sawa H
    • Journal Title

      Journal of General Virology

      Volume: 98 Pages: 2771-2785

    • DOI
      10.1099/jgv.0.000935
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Discovery of African bat polyomaviruses and infrequent recombination in the large T antigen in the Polyomaviridae2017

    • Author(s)
      Carr M, Gonzalez G, Sasaki M, Ito K, Ishii A, Hangombe BM, Mweene AS, Orba Y, Sawa H
    • Journal Title

      Journal of General Virology

      Volume: 98(4) Pages: 726-738

    • DOI
      10.1099/jgv.0.000737
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Molecular Dynamics Simulation of the Influenza A(H3N2) Hemagglutinin Trimer Reveals the Structural Basis for Adaptive Evolution of the Recent Epidemic Clade 3C.2a2017

    • Author(s)
      Yokoyama M, Fujisaki S, Shirakura M, Watanabe S, Odagiri T, Ito K, Sato H
    • Journal Title

      Frontiers in Microbiology

      Volume: 8 Pages: 584-584

    • DOI
      10.3389/fmicb.2017.00584
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Defining the antibody cross-reactome directed against the influenza virus surface glycoproteins2017

    • Author(s)
      Nachbagauer R, Choi A, Hirsh A, Margine I, Iida S, Barrera A, Ferres M, Albrecht RA, Garcia-Sastre A, Bouvier NM, Ito K, Medina RA, Palese P, Krammer F
    • Journal Title

      Nature Immunology

      Volume: [Epub ahead of print] Pages: 464-473

    • DOI
      10.1038/ni.3684
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Isolation of a simian immunodeficiency virus from a malbrouck (Chlorocebus cynosuros)2017

    • Author(s)
      Carr M, Kawaguchi A, Sasaki M, Gonzalez G, Ito K, Thomas Y, Hang'ombe BM, Mweene AS, Zhao G, Wang D, Orba Y, Ishii A, Sawa H.
    • Journal Title

      Arch Virol

      Volume: 162 Pages: 543-548

    • DOI
      10.1007/s00705-016-3129-8
    • NAID
      120006360072
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] An optimistic protein assembly from sequence reads salvaged an uncharacterized segment of mouse picobirnavirus2017

    • Author(s)
      Gonzalez G, Sasaki M, Kamiya T, Burkitt-Gray L, Tsuji NM, Sawa H, Ito K.
    • Journal Title

      Sci Rep

      Volume: 7 Pages: 40447-40447

    • DOI
      10.1038/srep40447
    • NAID
      120005981446
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Tracking the evolution of polymerase genes of influenza A viruses during interspecies transmission between avian and swine hosts2016

    • Author(s)
      Karnbunchob N, Omori R, Tessmer H, Ito K
    • Journal Title

      Front Microbiol

      Volume: 7 Pages: 2118-2118

    • DOI
      10.3389/fmicb.2016.02118
    • NAID
      120005955478
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Estimating the Lineage Dynamics of Human Influenza B Viruses2016

    • Author(s)
      Mayumbo Nyirenda, Ryosuke Omori, Heidi L. Tessmer, Hiroki Arimura, Kimihito Ito
    • Journal Title

      PLoS One

      Volume: 11(11)

    • DOI
      10.1371/journal.pone.0166107
    • NAID
      120005946864
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Multi-reassortant G3P[3] group A rotavirus in a horseshoe bat in Zambia2016

    • Author(s)
      Sasaki M, Orba Y, Sasaki S, Gonzalez G, Ishii A, Hang'ombe BM, Mweene AS, Ito K, Sawa H.
    • Journal Title

      J Gen Virol

      Volume: 97 Pages: 2488-2493

    • DOI
      10.1099/jgv.0.000591
    • NAID
      120006352201
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Divergent bufavirus harboured in megabats represents a new lineage of parvoviruses.2016

    • Author(s)
      Sasaki M, Gonzalez G, Wada Y, Setiyono A, Handharyani E, Rahmadani I, Taha S, Adiani S, Latief M, Kholilullah ZA, Subangkit M, Kobayashi S, Nakamura I, Kimura T, Orba Y, Ito K, Sawa H
    • Journal Title

      Scientific reports

      Volume: 6 Pages: 24257-24257

    • DOI
      10.1038/srep24257
    • NAID
      120005906794
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Inferring epidemiological dynamics of infectious diseases using Tajima's D statistic on nucleotide sequences of pathogens2017

    • Author(s)
      Ito Kimihito、Kim Kiyeon、Omori Ryosuke
    • Organizer
      Epidemics6 - International Conference on Infectious Disease Dynamics
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 病原体の集団遺伝学と感染症の数理疫学の融合2017

    • Author(s)
      伊藤公人
    • Organizer
      第90回日本細菌学会総会
    • Place of Presentation
      仙台国際センター,仙台
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] バイオインフォマティクスによるインフルエンザウイルス研究2017

    • Author(s)
      伊藤公人
    • Organizer
      新興・再興感染症制御プロジェクト 新興再興事業・J-GRID合同シンポジウム 『感染症研究連携のフロンティア』
    • Place of Presentation
      国立感染症研究所,東京
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] インフルエンザウイルスの集団遺伝学2016

    • Author(s)
      伊藤公人
    • Organizer
      ゲノム多様性解析ワークショップ
    • Place of Presentation
      北海道大学学術交流会館,札幌
    • Year and Date
      2016-12-05
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] Predicting antigenic changes of influenza viruses through data assimilation2016

    • Author(s)
      Kimihito Ito
    • Organizer
      Innovative Mathematical Modeling for the Analysis of Infectious Disease Data
    • Place of Presentation
      神戸大学瀧川記念学術交流会館,神戸
    • Year and Date
      2016-10-11
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Prediction using evolutionary statistics of influenza A viruses2016

    • Author(s)
      Kimihito Ito
    • Organizer
      Modelling Influenza Conference
    • Place of Presentation
      Princeton University, Princeton, USA
    • Year and Date
      2016-07-06
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2016-04-21   Modified: 2018-12-17  

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