がんの統合的解明を目指した生体情報の階層的ネットワーク構造に対する深層学習の応用

• Project Area: Conquering cancer through neo-dimensional systems understanding
• Project/Area Number: 18H04908
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: National Cancer Center Japan
• Principal Investigator: 浜本 隆二 国立研究開発法人国立がん研究センター, 研究所, 分野長 (80321800)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥12,220,000 (Direct Cost: ¥9,400,000、Indirect Cost: ¥2,820,000); Fiscal Year 2019: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000); Fiscal Year 2018: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000)
• Keywords: がん / 多層オミックスデータ / 深層学習技術 / 機械学習技術 / 人工知能技術 / グラフ構造 / 深層学習 / 多層オミックス / Diet Networks / end-to-end学習 / NP困難 / がんの統合的解明 / 階層的ネットワーク構造

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、がん多層オミックスデータに対して深層学習を用いた発見的なアプローチを追及し、生体情報の階層的なネットワーク構造に内包される高次元空間内の相関関係を低次元に圧縮し、科学上意味のある結果を導き出すための方法論の構築に取り組んできた。
2019年度においては肺がんの多層オミックスデータ（transcriptomeデータ[RNA-seq]、miRNAデータ、epigeneticsデータ[DNAメチル化]）に臨床情報を合わせ統合的に解析することで、肺がん患者の予後を予測する解析プラットフォームの構築に取り組んだ。研究戦略であるが、まず深層学習技術を用いて多層オミックスデータを低次元に圧縮し、生存に関する特徴量を、コックス比例ハザードモデルを用いて抽出した。続いてk-means clusteringを用いてクラスタリングを行い、クラスタリングされたグループ間で分散分析（analysis of variance: ANOVA）を行う事で、生存に関連する遺伝子群をランキングした。これらランキングされた遺伝子を上位から順に特徴量として、機械学習技術の一つであるsupport vector machine (SVM)のモデル生成に利用し、肺がん患者の分類を行ったところ、予後良好群と予後不良群の分類に成功した。多層オミックスデータに関して、DNAメチル化データを除いた、transcriptomeデータとmiRNAデータの二種類のデータを用いた場合においても、肺がん患者の予後良好群と予後不良群の分類に成功した。続いて、リスク評価のために2群間でパスウェイ解析を行ったところ、risk依存的なパスウェイが明らかになった。尚これらの成果は査読付き英文原著論文（Biomolecules, 10, 524 [2020]）として既に発表している。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Uncovering Prognosis-Related Genes and Pathways by Multi-Omics Analysis in Lung Cancer (2020)
  • Author(s): Asada Ken、Kobayashi Kazuma、Joutard Samuel、Tubaki Masashi、Takahashi Satoshi、Takasawa Ken、Komatsu Masaaki、Kaneko Syuzo、Sese Jun、Hamamoto Ryuji
  • Journal Title: Biomolecules Volume: 10 Issue: 4 Pages: 524-524
  • DOI: 10.3390/biom10040524
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Genomic alterations in STK11 can predict clinical outcomes in cervical cancer patients (2020)
  • Author(s): Hirose S, Murakami N, Takahashi K, Kuno I, Takayanagi D, Asami Y, Matsuda M, Shimada Y, Yamano S, Sunami K, Yoshida K, Honda T, Nakahara T, Watanabe T, Komatsu M, Hamamoto R, Kato MK, Matsumoto K, Okuma K, Kuroda T, Okamoto A, Itami J, Kohno T, Kato T, Shiraishi K, Yoshida H
  • Journal Title: Gynecologic Oncology Volume: 156 Issue: 1 Pages: 203-210
  • DOI: 10.1016/j.ygyno.2019.10.022
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Epithelial Expression of YAP and TAZ Is Sequentially Required in Lung Development (2020)
  • Author(s): Isago Hideaki、Mitani Akihisa、Mikami Yu、Horie Masafumi、Urushiyama Hirokazu、Hamamoto Ryuji、Terasaki Yasuhiro、Nagase Takahide
  • Journal Title: American Journal of Respiratory Cell and Molecular Biology Volume: 62 Issue: 2 Pages: 256-266
  • DOI: 10.1165/rcmb.2019-0218oc
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Epigenetics Analysis and Integrated Analysis of Multiomics Data, Including Epigenetic Data, Using Artificial Intelligence in the Era of Precision Medicine (2019)
  • Author(s): Hamamoto Ryuji、Komatsu Masaaki、Takasawa Ken、Asada Ken、Kaneko Syuzo
  • Journal Title: Biomolecules Volume: 10 Issue: 1 Pages: 62-62
  • DOI: 10.3390/biom10010062
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Deregulation of the Histone Lysine-Specific Demethylase 1 Is Involved in Human Hepatocellular Carcinoma (2019)
  • Author(s): Kim Sangchul、Bolatkan Amina、Kaneko Syuzo、Ikawa Noriko、Asada Ken、Komatsu Masaaki、Hayami Shinya、Ojima Hidenori、Abe Nobutsugu、Yamaue Hiroki、Hamamoto Ryuji
  • Journal Title: Biomolecules Volume: 9 Issue: 12 Pages: 810-810
  • DOI: 10.3390/biom9120810
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A Population-based Statistical Model for Investigating Heterogeneous Intraprostatic Sensitivity to Radiation Toxicity After 125I Seed Implantation (2019)
  • Author(s): KOBAYASHI KAZUMA、MURAKAMI NAOYA、TAKAHASHI KANA、INABA KOJI、IGAKI HIROSHI、HAMAMOTO RYUJI、ITAMI JUN
  • Journal Title: In Vivo Volume: 33 Issue: 6 Pages: 2103-2111
  • DOI: 10.21873/invivo.11710
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a real-time endoscopic image diagnosis support system using deep learning technology in colonoscopy (2019)
  • Author(s): Yamada Masayoshi、Saito Yutaka、Imaoka Hitoshi、Saiko Masahiro、Yamada Shigemi、Kondo Hiroko、Takamaru Hiroyuki、Sakamoto Taku、Sese Jun、Kuchiba Aya、Shibata Taro、Hamamoto Ryuji
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Issue: 1 Pages: 14465-14465
  • DOI: 10.1038/s41598-019-50567-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Replication stress triggers microsatellite destabilization and hypermutation leading to clonal expansion in vitro (2019)
  • Author(s): Matsuno Yusuke、Atsumi Yuko、Shimizu Atsuhiro、Katayama Kotoe、Fujimori Haruka、Hyodo Mai、Minakawa Yusuke、Nakatsu Yoshimichi、Kaneko Syuzo、Hamamoto Ryuji、Shimamura Teppei、Miyano Satoru、Tsuzuki Teruhisa、Hanaoka Fumio、Yoshioka Ken-ichi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 10 Issue: 1 Pages: 3925-3925
  • DOI: 10.1038/s41467-019-11760-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Local Radiotherapy or Chemotherapy for Oligo-recurrent Cervical Cancer in Patients With Prior Pelvic Irradiation (2019)
  • Author(s): KOBAYASHI KAZUMA、MURAKAMI NAOYA、TAKAHASHI KANA、INABA KOJI、HAMAMOTO RYUJI、ITAMI JUN
  • Journal Title: In Vivo Volume: 33 Issue: 5 Pages: 1659-1665
  • DOI: 10.21873/invivo.11652
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The histone methyltransferase WHSC1 is regulated by EZH2 and is important for ovarian clear cell carcinoma cell proliferation (2019)
  • Author(s): Kojima Machiko、Sone Kenbun、Wada-Hiraike Osamu、Osuga Yutaka、Fujii Tomoyuki
  • Journal Title: BMC Cancer Volume: 19 Issue: 1 Pages: 455-455
  • DOI: 10.1186/s12885-019-5638-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Histone methyltransferase SMYD2 selective inhibitor LLY-507 in combination with poly ADP ribose polymerase inhibitor has therapeutic potential against high-grade serous ovarian carcinomas. (2019)
  • Author(s): Kukita A, Sone K, Oda K, Hamamoto R, Kaneko S, Komatsu M, Wada M, Honjoh H, Kawata Y, Kojima M, Oki S, Sato M, Asada K, Taguchi A, Miyasaka A, Tanikawa M, Nagasaka K, Matsumoto Y, Wada-Hiraike O, Osuga Y, Fujii T
  • Journal Title: Biochem Biophys Res Commun Volume: in press Issue: 2 Pages: 30555-8
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2019.03.155
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Positive Correlation Between the EZH2 and PD-L1 Expression in Resected Lung Adenocarcinomas (2019)
  • Author(s): Toyokawa Gouji、Takada Kazuki、Tagawa Tetsuzo、Hamamoto Ryuji、Yamada Yuichi、Shimokawa Mototsugu、Oda Yoshinao、Maehara Yoshihiko
  • Journal Title: The Annals of Thoracic Surgery Volume: 107 Issue: 2 Pages: 393-400
  • DOI: 10.1016/j.athoracsur.2018.08.056
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The novel prognostic marker, EHMT2, is involved in cell proliferation via HSPD1 regulation in breast cancer (2019)
  • Author(s): Seon-Kyu Kim, Kwangho Kim, Jea-Woon Ryu, Tae-Young Ryu, Jung Hwa Lim, Jung-Hwa Oh, Jeong-Ki Min, Cho-Rok Jung, Ryuji Hamamoto, Mi-Young Son, Dae-oo Kim, Hyun-Soo Ch
  • Journal Title: International Journal of Oncology Volume: 54 Pages: 65-76
  • DOI: 10.3892/ijo.2018.4608
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Clinical Value of Serum p53 Antibody in the Diagnosis and Prognosis of Esophageal Squamous Cell Carcinoma (2018)
  • Author(s): Kunizaki M, Hamasaki K, Wakata K, Tobinaga S, Sumida Y, Hidaka S, Yasutake T, Miyazaki T, Matsumoto K, Yamasaki T, Sawai T, Hamamoto R, Nanashima A, Nagayasu T
  • Journal Title: Anticancer Research Volume: 38 Issue: 3 Pages: 1807-1813
  • DOI: 10.21873/anticanres.12419
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Prevalence of Enhancer of Zeste Homolog 2 in Patients with Resected Small Cell Lung Cancer (2018)
  • Author(s): TOYOKAWA GOUJI、TAKADA KAZUKI、TAGAWA TETSUZO、KINOSHITA FUMIHIKO、KOZUMA YUKA、MATSUBARA TAICHI、HARATAKE NAOKI、TAKAMORI SHINKICHI、AKAMINE TAKAKI、HIRAI FUMIHIKO、YAMADA YUICHI、HAMAMOTO RYUJI、ODA YOSHINAO、MAEHARA YOSHIHIKO
  • Journal Title: Anticancer Research Volume: 38 Issue: 6 Pages: 3707-3711
  • DOI: 10.21873/anticanres.12649
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Overexpression of KDM5B/JARID1B is associated with poor prognosis in hepatocellular carcinoma. (2018)
  • Author(s): Shigekawa Y, Hayami S, Ueno M, Miyamoto A, Suzaki N, Kawai M, Hirono S, Okada KI, Hamamoto R, Yamaue H.
  • Journal Title: Oncotarget Volume: 9 Issue: 76 Pages: 34320-34335
  • DOI: 10.18632/oncotarget.26144
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 臨床のリアル・ワールド・データを利用した人工知能技術の開発を加速するための統合的なデータ・プラットフォームの構築 (2020)
  • Author(s): 小林和馬、三宅基隆、渡辺裕一、浜本隆二
  • Organizer: 第2回日本メディカルAI学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] 肺がん予後予測を施行したマルチオミックス解析 (2020)
  • Author(s): 浅田健、小林和馬、高橋慧、高澤建、小松正明、金子修三、浜本隆二
  • Organizer: 第2回日本メディカルAI学会学術集会
• [Presentation] 解釈可能な特徴抽出を可能にする深層学習モデルによる肺がん病理型の予測 (2019)
  • Author(s): 小林和馬、Amina Bolatkan、新海典夫、浜本隆二
  • Organizer: 第78回日本癌学会学術総会
• [Presentation] 臨床応用を志向したメディカルAI研究 ～Precision Medicine時代における医療ビッグデータ解析～ (2019)
  • Author(s): 浜本 隆二
  • Organizer: 日本オミックス医学会シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Development of the Integrated Medical System Using Artificial Intelligence: Towards the Realization of Precision Medicine (2019)
  • Author(s): 浜本 隆二
  • Organizer: 第83回日本循環器学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] Development of the integrated cancer medical system using artificial intelligence: Towards the realization of Precision Medicine (2018)
  • Author(s): 浜本 隆二
  • Organizer: 6th US-Japan Clinical Trials in Oncology Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 臨床応用を志向した人工知能技術を用いた統合的ながん医療システムの開発 (2018)
  • Author(s): 浜本 隆二
  • Organizer: 第19回日本分子脳神経外科学会
  • Invited
• [Presentation] 人工知能技術を活用した医療オミックスデータの解析及び診断・治療への応用 (2018)
  • Author(s): 浜本 隆二
  • Organizer: GTC Japan 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 人工知能技術を用いたがんの本態解明及び診断・治療への応用 (2018)
  • Author(s): 浜本 隆二
  • Organizer: 第38回日本分子腫瘍マーカー研究会・シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] AI技術を活用した統合的ながん医療システムの開発 (2018)
  • Author(s): 浜本 隆二
  • Organizer: CBI学会2018年大会
  • Invited
• [Presentation] Development of the integrated cancer medical system using artificial intelligence (2018)
  • Author(s): 浜本 隆二
  • Organizer: THE 12th SUGIYAMA LABORATORY (RIKEN) OPEN SYMPOSIUM
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 人工知能技術のがん医療への応用：がんゲノム医療時代のオミックス解析 (2018)
  • Author(s): 浜本 隆二
  • Organizer: 第56回日本癌治療学会学術集会・学術セミナー
  • Invited
• [Presentation] 臨床応用を志向した人工知能技術を活用した医療システムの開発 (2018)
  • Author(s): 浜本 隆二
  • Organizer: 日本産科婦人科遺伝診療学会・第４回学術集会
  • Invited
• [Book] 実験医学2019年10月号 (2019)
  • Author(s): 浜本 隆二
  • Total Pages: 145
  • Publisher: 羊土社
  • ISBN: 4758125244
• [Book] iｎ ｓｉｌｉｃｏ創薬におけるスクリーニングの高速化・高精度化技術 (2018)
  • Author(s): 浜本 隆二
  • Total Pages: 540
  • Publisher: 技術情報協会
  • ISBN: 9784861046889
• [Patent(Industrial Property Rights)] アノテーション支援装置、アノテーション支援方法及びアノテーション支援プログラム (2019)
  • Inventor(s): 小林和馬、三宅基隆、浜本隆二
  • Industrial Property Rights Holder: 小林和馬、三宅基隆、浜本隆二
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2019-010287
  • Filing Date: 2019