ヒト腸内細菌叢における遺伝子水平転移を介した共同体ゲノム進化機構の解明

• Project/Area Number: 16J02725
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Genome biology
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 石川 奏太 東京大学, 大学院理学系研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2018: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2017: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2016: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: ヒト腸内細菌叢 / 遺伝子水平転移 / ゲノム機能進化 / 共同体ゲノム / 祖先形質復元 / 大規模系統解析 / 巨大系統樹 / 分子系統解析 / 超並列計算

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、ヒト腸内細菌叢特有のゲノム機能（ゲノム形質）の進化シナリオをメタゲノミクス解析由来データのphylodynamics解析に基づき推測するというアプローチに着目し、推測されたゲノム形質進化と個々の機能遺伝子の水平転移との照らし合わせを行うことで、遺伝子水平転移というミクロな事象が細菌叢全体のゲノム機能進化というマクロな事象にどのように影響したのかを解明することを目的としてきた。このために最も必要とされたものが大規模系統樹における頑健かつ高速な祖先形質復元を可能にする手法であり、海外研究機関との共同研究のもと、様々なデータ解析環境に適用可能なオープンソースプログラム「PASTML」を開発した(1)。同プログラムをヒト腸内細菌叢由来メタゲノムデータに基づく大規模系統解析に適用し、腸内細菌叢ゲノム形質の進化シナリオを推測するまでには至らなかったが、本研究はPASTMLプログラムの更なる機能開発と並行して今後も引き続き行う予定である。

メタゲノミクス由来データを含む種々の大規模遺伝子配列データに基づくphylodynamics解析において重要となる祖先形質復元手法の開発と汎用プログラムへの実装を行ったこと、また、当初予定していたものとは異なるが大規模ウイルス由来データ解析においてウイルス株の地理的拡散や薬剤耐性変異獲得プロセスなどの形質進化を頑健に推測し、ウイルスの進化疫学研究に有用な知見を提供できた(2)ことから、本研究における成果は十分にあると判断する。

(1)ソフトウェアURL:https://pastml.pasteur.fr/
(2)本研究成果の論文は現在Molecular Biology and Evolution誌にてrevision中。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Institut Pasteur(フランス)
• [Int'l Joint Research] Institut Pasteur(フランス)
• [Int'l Joint Research] Institut Pasteur/LIRMM(フランス)
• [Journal Article] Global Kinetoplastea phylogeny inferred from a large-scale multigene alignment including parasitic species for better understanding transitions from a free-living to a parasitic lifestyle (2017)
  • Author(s): Yazaki, E., Ishikawa, Sohta. A., Kume, K., Kumagai, A., Kamaishi, T., Tanifuji, G., Hashimoto, T., and Inagaki, Y.
  • Journal Title: Genes & Genetic Systems Volume: 92 Issue: 1 Pages: 35-42
  • DOI: 10.1266/ggs.16-00056
  • NAID: 130006073269
  • ISSN: 1341-7568, 1880-5779
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] A fast, robust method to reconstruct and visualize ancestral evolutionary scenarios on large virus phylogenies (2018)
  • Author(s): Sohta Ishikawa
  • Organizer: 10th symposium on Discovery, Fusion, Creation of New Knowledge by Multidisciplinary Computational Sciences
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A fast likelihood method to reconstruct and visualize ancestral scenarios of character evolution (2018)
  • Author(s): Sohta Ishikawa, Anna Zhukova, Wataru Iwasaki, Olivier Gascuel
  • Organizer: Mathematical and Computational Evolutionary Biology 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A fast likelihood method to reconstruct and visualize ancestral scenarios of character evolution (2018)
  • Author(s): Sohta Ishikawa, Anna Zhukova, Wataru Iwasaki, Olivier Gascuel
  • Organizer: II Joint Congress on Evolutionary Biology (Evolution 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 巨大ウィルス系統樹における祖先配列復元アルゴリズムの開発 (2017)
  • Author(s): 石川奏太, 田渕晶大, 朴泰祐, 稲垣祐司, 佐藤三久, 橋本哲男
  • Organizer: 第9回「学際計算科学による新たな知の発見・統合・創出」シンポジウム -発展する計算科学と次世代の計算機-
• [Presentation] A probabilistic model-based prediction of virus character evolution on large phylogenies (2017)
  • Author(s): Sota Ishikawa, TOmochika Fujisawa, Francois Chevenet, Wataru Iwasaki, Olivier Gascuel
  • Organizer: Mathematical and Computational Evolutionary Biology 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 大規模遺伝子配列データに基づく分子系統解析のGPU並列化 (2016)
  • Author(s): 石川奏太
  • Organizer: 第8回「学際計算科学による新たな知の発見・統合・創出」シンポジウム －発展する計算科学と次世代の計算機－
  • Place of Presentation: 筑波大学（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2016-10-17
• [Presentation] A multi-grained MPI/OpenMP parallelization of the maximum-likelihood phylogenetic inference with the non-homogeneous model (2016)
  • Author(s): Sohta A. Ishikawa
  • Organizer: Mathematical and Computational Evolutionary Biology 2016
  • Place of Presentation: Hameau de l'etoile (France, Montpellier)
  • Year and Date: 2016-06-12
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] PastML
  • URL: https://pastml.pasteur.fr/
• [Remarks] PASTML
  • URL: https://github.com/saishikawa/PASTML
• [Remarks] cytopast
  • URL: https://github.com/saishikawa/cytopast