逆イジングモデル法に基づく機能未知な微生物遺伝子の機能推定

• Project Area: Post-Koch Ecology: The next-era microbial ecology that elucidates the super-terrestrial organism system
• Project/Area Number: 20H05582
• 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: Waseda University
• Principal Investigator: 福永 津嵩 早稲田大学, 高等研究所, 講師(任期付) (80791433)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2021: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2020: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: 遺伝子機能推定 / ゲノム進化 / 系統プロファイル法 / 機能未知遺伝子 / 機械学習 / 確率モデル / 進化 / アルゴリズム / メタゲノム

Outline of Research at the Start

近年のゲノム解析技術の進歩により、微生物の遺伝子情報を網羅的に取得することが可能となってきた。この中には、ゲノム編集技術の基盤遺伝子であるCas9タンパク質など、人類にとって有用であると考えられる遺伝子が多く含まれていると考えられるが、取得された遺伝子情報の大多数は機能未知であるという問題点がある。本研究では、機能未知遺伝子の機能を推定するために、逆イジングモデル法という機械学習技術を利用した高精度なソフトウェアを開発することを研究目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究計画は、機能未知遺伝子の機能を高精度に予測する手法として、 (1) 逆イジング法を用いた高精度系統プロファイル法を開発する (2) ゲノムデータに付 随するメタデータを統合的に解析するための逆イジングモデル法の技術的拡張、 という 2 点について研究を行うことを目的としていた。
これまでのところ、(1-2)ゲノム進化史を高速・高精度に推定するソフトウェアMirage ver1およびver2、(3)逆イジング法による系統プロファイル法の高性能化の 実証およびMirageとの統合について研究をまとめ、既に論文を報告している。現在、開発したソフトウェアをシアノバクテリアのゲノムデータに適用すること で、フィコビリソームに関与する機能未知遺伝子の機能解析を行う研究に取り組んでいる。

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] Inverse Potts model improves accuracy of phylogenetic profiling (2022)
  • Author(s): Fukunaga Tsukasa、Iwasaki Wataru
  • Journal Title: Bioinformatics Volume: 38 Issue: 7 Pages: 1794-1800
  • DOI: 10.1093/bioinformatics/btac034
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mirage 2.0: fast and memory-efficient reconstruction of gene-content evolution considering heterogeneous evolutionary patterns among gene families (2022)
  • Author(s): Tsukasa Fukunaga、Wataru Iwasaki
  • Journal Title: Bioinformatics Volume: 38 Issue: 16 Pages: 4039-4041
  • DOI: 10.1093/bioinformatics/btac433
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] LinAliFold and CentroidLinAliFold: fast RNA consensus secondary structure prediction for aligned sequences using beam search methods (2022)
  • Author(s): Tsukasa Fukunaga、Michiaki Hamada
  • Journal Title: Bioinformatics Advances Volume: 2 Issue: 1
  • DOI: 10.1093/bioadv/vbac078
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mirage: estimation of ancestral gene-copy numbers by considering different evolutionary patterns among gene families (2021)
  • Author(s): Fukunaga Tsukasa、Iwasaki Wataru
  • Journal Title: Bioinformatics Advances Volume: 1 Issue: 1
  • DOI: 10.1093/bioadv/vbab014
  • Peer Reviewed / Open Access