多階層オミクスデータのためのネットワーク推定方法の開発

• Project Area: Initiative for High-Dimensional Data-Driven Science through Deepening of Sparse Modeling
• Project/Area Number: 16H01551
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 宇田 新介 九州大学, 生体防御医学研究所, 准教授 (20599609)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2017: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2016: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: システム生物学 / スパース推定 / 機械学習 / 情報科学 / 情報工学 / 生体生命情報学

Outline of Annual Research Achievements

網羅的測定によって得られるオミクスデータは，1回の測定で多くの分子種を測定できるが，欠損値が出やすいことや，大きなサンプルサイズのデータセットを得ることが労力と金銭の両方のコストから難しいと言った問題がある．
本研究計画では，欠損値とサンプルサイズが小さいことへの問題の対処として，欠損値とネットワーク構造を同時に推定し，サンプルサイズが小さくデータ量が不足する問題に関してはデータベースの事前知識を間接的に利用してパラメータに反映させる手法の開発を行った．ネットワーク構造が偏相関行列がL1ノルム正則化によって疎になるような推定を行いつつ，欠損値については，データ行列が低ランクに近い仮定をおいて２つの行列の積で表現し，積となる各行列を求めることで欠損値，および，ネットワーク構造が同時に推定される手法を構築した．生物学的データでは，サンプルがクラスタ構造を有して標本ベクトル間に相関が生じやすく，データ行列は全特異値の数に比べて少数の特異値が支配的になることが多いため，仮定は妥当であると考えている．試験的に実データへの適用を行い，生物学的事前知識に近い推定結果が得られた．
一方，生物学的事前知識の利用に関しては，事前知識の信頼度に相当する超パラメータの決め方に問題が残っている．また，階層性の導入については，モデル構築に不十分な点があり，現在も改善を重ねている段階である．これらの問題点については，今後の課題として継続して取り組んでいる．また，実データへのより実際的な適用を行うことを検討している．

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Increase in hepatic and decrease in peripheral insulin clearance characterize abnormal temporal patterns of serum insulin in diabetic subjects (2018)
  • Author(s): Ohashi Kaoru、Fujii Masashi、Uda Shinsuke、Kubota Hiroyuki、Komada Hisako、Sakaguchi Kazuhiko、Ogawa Wataru、Kuroda Shinya
  • Journal Title: npj Systems Biology and Applications Volume: 4 Issue: 1 Pages: 14-14
  • DOI: 10.1038/s41540-018-0051-6
  • NAID: 120006599090
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] System identification of signaling dependent gene expression with different time-scale data (2017)
  • Author(s): Tsuchiya Takaho、Fujii Masashi、Matsuda Naoki、Kunida Katsuyuki、Uda Shinsuke、Kubota Hiroyuki、Konishi Katsumi、Kuroda Shinya
  • Journal Title: PLoS Computational Biology Volume: 13 Issue: 12 Pages: e1005913-e1005913
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1005913
  • NAID: 120006555357
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Matrix rank minimization approach to signal recovery and nonlinear function estimation for nonlinear ARX model with input nonlinearity (2017)
  • Author(s): Konishi Katsumi、Fujii Masashi、Kunida Katsuyuki、Uda Shinsuke、Kuroda Shinya
  • Journal Title: Proceedings of the 2017 Asian Control Conference Volume: - Pages: 1428-1431
  • DOI: 10.1109/ascc.2017.8287382
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sparse Gaussian graphical model with missing values (2017)
  • Author(s): Uda Shinsuke、Kubota Hiroyuki
  • Journal Title: Proceedings of the 21st Conference of Open Innovations Association Volume: - Pages: 336-343
  • DOI: 10.23919/fruct.2017.8250201
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Laguerre filter analysis with partial least square regression reveals a priming effect of ERK and CREB on c-FOS induction (2016)
  • Author(s): Kudo T, *Uda S, Tsuchiya T, Wada T, Karasawa Y, Fujii M, Saito T.H, Kuroda S.
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 11(8) Issue: 8 Pages: 1-20
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0160548
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Selective control of up-regulated and down-regulated genes by temporal patterns and doses of insulin (2016)
  • Author(s): Takanori Sano,* Kentaro Kawata, * Satoshi Ohno,* Katsuyuki Yugi, Hiroaki Kakuda, Hiroyuki Kubota, Shinsuke Uda, Masashi Fujii, Katsuyuki Kunida, Daisuke Hoshino, Atsushi Hatano, Yuki Ito,1 Miharu Sato, Yutaka Suzuki, Shinya Kuroda†
  • Journal Title: Science Signaling Volume: 9 Issue: 455
  • DOI: 10.1126/scisignal.aaf3739
  • Peer Reviewed
• [Presentation] An estimation method of sparse partial correlation matrix for omics data analysis (2017)
  • Author(s): S.Uda and H. Kubota
  • Organizer: 11th International Symposium of The Institute Network “Frontiers in Biomedical Sciences”
  • Invited
• [Presentation] Sparse Gaussian Graphical Model with Missing Values (2017)
  • Author(s): S.Uda and H.Kubota
  • Organizer: 21st FRUCT Conference
• [Presentation] Matrix rank minimization approach to signal recovery and nonlinear function estimation for nonlinear ARX model with input nonlinearity (2017)
  • Author(s): K.Konishi, M.Fujii, K.Kunida, S.Uda, S.Kuroda
  • Organizer: Control Conference (ASCC), 2017 11th Asian
• [Presentation] 欠損ありデータからの疎偏相関行列の推定法 (2016)
  • Author(s): 宇田新介
  • Organizer: 新学術領域研究「スパースモデリングの深化と高次元駆動データ科学の創成」平成28年度公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学三田キャンパス