Development of Bayesian modeling approach for trans-omics data to explore inter-organ crosstalks

• Project Area: Transomic Analysis of Metabolic Adaptation
• Project/Area Number: 20H04841
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 島村 徹平 名古屋大学, 医学系研究科, 教授 (00623943)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 深層学習 / マルチオミクス / 細胞間相互作用 / テンソル因子分解 / 深層生成モデル / ベイズモデル / トランスオミクス / 臓器連関 / 行列因子分解 / スパースモデリング

Outline of Research at the Start

本研究では、最先端の数理モデリングを基軸として、代謝アダプテーションの臓器横断的理解を加速するための情報解析技術を開発する。本研究の推進により、生命情報を階層別に解析することで生じる情報損失を回避するとともに、分子、細胞、臓器という異なるスケールの情報を繋ぎ、階層間・臓器関の因果律に迫るための情報解析基盤の構築、複雑な生命現象をマルチオミクスとマルチスケールの観点から俯瞰的に思考する新しいパラダイムの創出が期待される。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、最先端の数理モデリングを基軸として、代謝アダプテーションの臓器横断的理解を加速するための情報解析技術を開発する。具体的には、①臓器横断的モジュールを同定するテンソル因子分解モデリング技術・深層学習技術の開発、②臓器連関を可視化するスパースモデリング技術の開発、③モジュールネットワーク構造変化ノードを検出する機械学習技術の開発、という３項目を主たる研究項目として推進する。これら解析技術の有用性を、ヒト臨床サンプル、疾患モデル動物を用いた実験系で検証する。2021年度は以下のような進展があった。（１）臓器横断的モジュールを同定するベイズ因子分解モデル・マルチモーダル深層生成モデルの解析ツールの開発・公開：前年度開発した BALSAMICO および scMM に関して解析結果を論文としてまとめるとともに、解析ツールを github 上に公開した。（２）細胞間相互作用ネットワークを推定する深層生成モデルの開発：一細胞RNA-seqデータと空間トランスクリプトームデータを統合することで、細胞間相互作用ネットワークを推定し、臓器による細胞間コミュニケーションの違いを抽出するための深層生成モデル（deepCOLOR）を開発し、シミュレーションデータおよび実データで開発手法の有用性を検証するとともに、開発技術の検証結果をまとめ、国際科学誌に投稿した。（３）臓器連関を可視化するスパースモデリング技術、およびモジュールネットワーク構造変化ノードを検出する機械学習における解析パイプラインの構築：スパコン上で解析技術を並列化し、高速化する解析パイプラインを構築し、シミュレーションデータおよび実データで有用性を検証した。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Exome sequencing of Japanese schizophrenia multiplex families supports the involvement of calcium ion channels (2022)
  • Author(s): Toyama Miho、Takasaki Yuto、Branko Aleksic、Kimura Hiroki、Kato Hidekazu、Nawa Yoshihiro、Kushima Itaru、Ishizuka Kanako、Shimamura Teppei、Ogi Tomoo、Ozaki Norio
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 17(5) Issue: 5 Pages: e0268321-e0268321
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0268321
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A mixture-of-experts deep generative model for integrated analysis of single-cell multiomics data (2021)
  • Author(s): Minoura Kodai、Abe Ko、Nam Hyunha、Nishikawa Hiroyoshi、Shimamura Teppei
  • Journal Title: Cell Reports Methods Volume: 1(5) Issue: 5 Pages: 100071-100071
  • DOI: 10.1016/j.crmeth.2021.100071
• [Journal Article] Depletion of central memory CD8+ T cells might impede the antitumor therapeutic effect of Mogamulizumab (2021)
  • Author(s): Maeda Yuka、Wada Hisashi、Sugiyama Daisuke、Saito Takuro、Irie Takuma、Itahashi Kota、Minoura Kodai、Suzuki Susumu、Kojima Takashi、Kakimi Kazuhiro、Nakajima Jun、Funakoshi Takeru、Iida Shinsuke、Oka Mikio、Shimamura Teppei、Doi Toshihiko、Doki Yuichiro、Nakayama Eiichi、Ueda Ryuzo、Nishikawa Hiroyoshi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12(1) Issue: 1 Pages: 7280-7280
  • DOI: 10.1038/s41467-021-27574-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Hierarchical non-negative matrix factorization using clinical information for microbial communities (2021)
  • Author(s): Abe Ko、Hirayama Masaaki、Ohno Kinji、Shimamura Teppei
  • Journal Title: BMC Genomics Volume: 22 Issue: 1 Pages: 104-104
  • DOI: 10.1186/s12864-021-07401-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] CYBERTRACK2.0: zero-inflated model-based cell clustering and population tracking method for longitudinal mass cytometry data (2020)
  • Author(s): Minoura K*, Abe K*, Maeda Y, Nishikawa H, Shimamura T§
  • Journal Title: Bioinformatics Volume: - Issue: 11 Pages: 873-873
  • DOI: 10.1093/bioinformatics/btaa873
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Short-Chain Fatty Acid-Producing Gut Microbiota Is Decreased in Parkinson’s Disease but Not in Rapid-Eye-Movement Sleep Behavior Disorder (2020)
  • Author(s): Nishiwaki Hiroshi、Hamaguchi Tomonari、Ito Mikako、Ishida Tomohiro、Maeda Tetsuya、Kashihara Kenichi、Tsuboi Yoshio、Ueyama Jun、Shimamura Teppei、Mori Hiroshi、Kurokawa Ken、Katsuno Masahisa、Hirayama Masaaki、Ohno Kinji
  • Journal Title: mSystems Volume: 5 Issue: 6
  • DOI: 10.1128/msystems.00797-20
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Model-based clustering for flow and mass cytometry data with clinical information (2020)
  • Author(s): Abe K, Minoura K, Maeda Y, Nishikawa H, Shimamura T§
  • Journal Title: BMC Bioinformatics Volume: 21(Suppl 13) Issue: S13 Pages: 393-393
  • DOI: 10.1186/s12859-020-03671-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ARHGAP10, which encodes Rho GTPase-activating protein 10, is a novel gene for schizophrenia risk (2020)
  • Author(s): Mariko Sekiguchi, Akiko Kodama,... Emiko Shishido,... Daisuke Mori, Norio Ozaki
  • Journal Title: Translational psychiatry Volume: 10 Issue: 1 Pages: 1-15
  • DOI: 10.1038/s41398-020-00917-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Integrated multiomics analysis of hepatoblastoma unravels its heterogeneity and provides novel druggable targets (2020)
  • Author(s): Sekiguchi M, Seki M, Kawai T, Yoshida K, Yoshida M, Isobe T, Hoshino N, Shirai R, Tanaka M, Souzaki R, Watanabe K, Arakawa Y, Nannya Y, Suzuki H, Fujii Y, Kataoka K, Shiraishi Y, Chiba K, Tanaka H, Shimamura T, Sato Y, Sato-Otsubo A, Kimura S, Kubota Y, Hiwatari M, et al
  • Journal Title: NPJ Precis Oncol. Volume: 4 Issue: 1 Pages: 20-20
  • DOI: 10.1038/s41698-020-0125-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Meta‐Analysis of Gut Dysbiosis in Parkinson's Disease (2020)
  • Author(s): Nishiwaki Hiroshi、Ito Mikako、Ishida Tomohiro、Hamaguchi Tomonari、Maeda Tetsuya、Kashihara Kenichi、Tsuboi Yoshio、Ueyama Jun、Shimamura Teppei、Mori Hiroshi、Kurokawa Ken、Katsuno Masahisa、Hirayama Masaaki、Ohno Kinji
  • Journal Title: Movement Disorders Volume: 35 Issue: 9 Pages: 1626-1635
  • DOI: 10.1002/mds.28119
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] EXOSC9 depletion attenuates P-body formation, stress resistance, and tumorigenicity of cancer cells. (2020)
  • Author(s): Yoshino S, Matsui Y, Fukui Y, Seki M, Yamaguchi K, Kanamori A, Saitoh Y, Shimamura T, Suzuki Y, Furukawa Y, Kaneko S, Seiki M, Murakami Y, Inoue JI, Sakamoto T.
  • Journal Title: Sci Rep Volume: 10 Issue: 1 Pages: 9275-9275
  • DOI: 10.1038/s41598-020-66455-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Coordinated demethylation of H3K9 and H3K27 is required for rapid inflammatory responses of endothelial cells (2020)
  • Author(s): Higashijima Y, Matsui Y, Shimamura T, Nakaki R, Nagai N, Tsutsumi S, Abe Y, Link VM, Osaka M, Yoshida M, Watanabe R, Tanaka T, Taguchi A, Miura M, Ruan X, Li G, Inoue T, Nangaku M, Kimura H, Furukawa T, Aburatani H, Wada Y, Ruan Y, Glass CK, Kanki Y
  • Journal Title: The EMBO Journal Volume: 39 Issue: 7 Pages: 1-1
  • DOI: 10.15252/embj.2019103949
  • NAID: 120006902140
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 細胞間コミュニケーションを読み解くためのデータ科学 (2022)
  • Author(s): 島村徹平
  • Organizer: 第6回理論免疫学ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] データから読み解く生命医科学 (2022)
  • Author(s): 島村徹平
  • Organizer: 脳神経内科医のためのバイオインフォマティクス・ハンズオン 2021
  • Invited
• [Presentation] Deep learning to decipher cell dynamics and cell-cell interactions (2021)
  • Author(s): 島村徹平
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] 一細胞マルチモーダル情報をデータとモデルから読み解く (2021)
  • Author(s): 島村徹平
  • Organizer: 産業技術研究所人工知能研究センター第51回AIセミナー
  • Invited
• [Presentation] 細胞間コミュニケーションを読み解く深層学習 (2021)
  • Author(s): 島村徹平
  • Organizer: 第94回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] Modeling cell population dynamics and cell-to-cell communication from single-cell multi-omics data (2021)
  • Author(s): 島村徹平
  • Organizer: 第80回日本癌学会学術総会
  • Invited
• [Presentation] データとモデルが駆動する生命科学 (2021)
  • Author(s): 島村徹平
  • Organizer: 第32回高遠・分子細胞生物学シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] シングルセルオミクス解析のためのAI技術の最新動向 (2021)
  • Author(s): 島村徹平
  • Organizer: 第39回内分泌代謝学サマーセミナー
  • Invited
• [Presentation] 細胞集団のダイナミクスを捉えるためのベイズモデリング (2021)
  • Author(s): 島村徹平
  • Organizer: 第5回理論免疫学ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] がん研究における一細胞解析のためのモデリング・AI 技術の最新動向 (2020)
  • Author(s): 島村徹平
  • Organizer: 第79回日本癌学会学術総会
  • Invited
• [Presentation] 臓器連関トランスオミクス解析のためのベイズモデリング (2020)
  • Author(s): 島村徹平
  • Organizer: 第93回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] 今こそ知りたい！行列因子分解～ゼロから始めるマルチオミクス解析～ (2020)
  • Author(s): 島村徹平
  • Organizer: 代謝統合オミクス若手技術セミナー
  • Invited