マルチスケール精神疾患データの疎性モデリング解析

• Project Area: Constructive understanding of multi-scale dynamism of neuropsychiatric disorders
• Project/Area Number: 21H00179
• 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: Tohoku University
• Principal Investigator: 田宮 元 東北大学, 医学系研究科, 教授 (10317745)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: ゲノムコホート / 高次元変数選択 / 遺伝子×環境相互作用 / 機械学習 / 人工知能 / ゲノム解析 / ビッグデータ / 高次元変数選択法

Outline of Research at the Start

疾患発症に効果を持つ環境因子と遺伝子を同定するためのゲノムコホートデータは、サンプル数に対して推定すべきパラメータの数が圧倒的に多いいわゆる小標本高次元の特徴を持ち、典型的なスパース（疎性）データである。このようなデータから、柔軟かつ高速に効果因子を抽出するために、疎性モデリングを利用した遺伝統計ソフトウェアプログラムを開発済みである。それらを、実際に国内最大級の前向きゲノムコホートのデータ（横断および前向き）の分析に適用して、健康診断値変化（量的データ）および疾患発症（二値データ）に寄与する相互作用候補を同定する。

Outline of Annual Research Achievements

疾患発症に効果を持つ環境因子と遺伝子を同定するためのゲノムコホートデータは、サンプル数に対して推定すべきパラメータの数が圧倒的に多いいわゆる小標本高次元の特徴を持ち、典型的なスパース（疎性）データである。このようなデータから、柔軟かつ高速に効果因子を抽出するために、疎性モデリングを利用した遺伝統計ソフトウェアプログラムを開発済みである。それらを、実際に国内最大級の前向きゲノムコホートのデータ（横断および前向き）の分析に適用して、健康診断値変化（量的データ）および疾患発症（二値データ）に寄与する相互作用候補をリストアップすることを目的としている。令和4年度には、これまでの研究で開発してきた超高次元変数選択法ソフトウェアを、東北メディカル・メガバンクのゲノムコホートからの精神健康状態に関するマルチスケールデータへ適用して、遺伝子×遺伝子ならびに遺伝子×環境相互作用の解析を実行し、リスク予測を進めてきた。全相互作用効果の周辺回帰スクリーニングとそれに引き続く罰則回帰による変数選択を組み合わせた高次元変数選択の枠組み（SIS）ならびに、周辺回帰ランキング統計量を重みに用いたリッジ回帰の枠組み（STMGP）を、実データに大規模に適用した。また、HSIC-Lassoなどを用いて非線形のマルチスケールデータからの柔軟な特徴抽出を行った。前年度の計算結果について、UKバイオバンクのような大規模な海外の前向きゲノムコホート、また、JMICのような国内の大規模な前向きゲノムコホートを用いた検証を行っており、すべての集団について前向きに取得された疾患データや健康診断データを利用し、これらの応答変数に対して効果を持つ相互作用を検索した。これらの手順を繰り返すことで、疾患感受性に寄与する相互作用候補をリストアップした。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Implicating genes, pleiotropy, and sexual dimorphism at blood lipid loci through multi-ancestry meta-analysis (2022)
  • Author(s): Kanoni Stavroula、Graham Sarah E.、Wang Yuxuan、Surakka Ida、Ramdas Shweta、...、Narita Akira、...、Tamiya Gen、...、Peloso Gina M.
  • Journal Title: Genome Biology Volume: 23 Issue: 1 Pages: 268-268
  • DOI: 10.1186/s13059-022-02837-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Familial Paget’s disease of bone with ocular manifestations and a novel TNFRSF11A duplication variant (72dup27) (2022)
  • Author(s): Saito-Hakoda Akiko、Kikuchi Atsuo、Takahashi Tadahisa、Yokoyama Yu、Himori Noriko、Adachi Mika、Ikeda Ryoukichi、Nomura Yuri、Takayama Jun、Kawashima Junko、Katsuoka Fumiki、Fujishima Fumiyoshi、Yamaguchi Takehiko、Ito Akiyo、Hanita Takushi、Kanno Junko、Aizawa Toshimi、Nakazawa Toru、Kawase Tetsuaki、Tamiya Gen et al.
  • Journal Title: Journal of Bone and Mineral Metabolism Volume: 41 Issue: 2 Pages: 193-202
  • DOI: 10.1007/s00774-022-01392-w
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Genome-wide association study of the risk of chronic kidney disease and kidney-related traits in the Japanese population: J-Kidney-Biobank (2022)
  • Author(s): Sugawara Yuka、Hirakawa Yosuke、Nagasu Hajime、Narita Akira、Katayama Akihiro、Wada Jun、Shimizu Miho、Wada Takashi、Kitamura Hiromasa、Nakano Toshiaki、Yokoi Hideki、Yanagita Motoko、Goto Shin、Narita Ichiei、Koshiba Seizo、Tamiya Gen、Nangaku Masaomi、Yamamoto Masayuki、Kashihara Naoki
  • Journal Title: Journal of Human Genetics Volume: 68 Issue: 2 Pages: 55-64
  • DOI: 10.1038/s10038-022-01094-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pathological variants in genes associated with disorders of sex development and central causes of hypogonadism in a whole-genome reference panel of 8380 Japanese individuals (2022)
  • Author(s): Shiga Naomi、Yamaguchi-Kabata Yumi、Igeta Saori、Yasuda Jun、Tadaka Shu、Minato Takamichi、Watanabe Zen、Kanno Junko、Tamiya Gen、Fuse Nobuo、Kinoshita Kengo、Kure Shigeo、Kondo Akiko、Tachibana Masahito、Yamamoto Masayuki、Yaegashi Nobuo、Sugawara Junichi
  • Journal Title: Human Genome Variation Volume: 9 Issue: 1 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1038/s41439-022-00213-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Construction of a trio-based structural variation panel utilizing activated T lymphocytes and long-read sequencing technology. (2022)
  • Author(s): Otsuki A, Okamura Y, Ishida N, Tadaka S, Takayama J, Kumada K, Kawashima J, Taguchi K, Minegishi N, Kuriyama S, Tamiya G, Kinoshita K, Katsuoka F, Yamamoto M.
  • Journal Title: Commun Biol. Volume: 5 Issue: 1 Pages: 991-991
  • DOI: 10.1038/s42003-022-03953-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A multi-layer functional genomic analysis to understand noncoding genetic variation in lipids (2022)
  • Author(s): Ramdas Shweta、Judd Jonathan、Graham Sarah E.、Kanoni Stavroula、Wang Yuxuan、...、Narita Akira、...、Tamiya Gen、...、Brown Christopher D.
  • Journal Title: The American Journal of Human Genetics Volume: 109 Issue: 8 Pages: 1366
  • DOI: 10.1016/j.ajhg.2022.06.012
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of a prognostic prediction support system for cervical intraepithelial neoplasia using artificial intelligence-based diagnosis (2022)
  • Author(s): Takahashi Takayuki、Matsuoka Hikaru、Sakurai Rieko、Akatsuka Jun、Kobayashi Yusuke、Nakamura Masaru、Iwata Takashi、Banno Kouji、Matsuzaki Motomichi、Takayama Jun、Aoki Daisuke、Yamamoto Yoichiro、Tamiya Gen
  • Journal Title: Journal of Gynecologic Oncology Volume: 33 Issue: 5
  • DOI: 10.3802/jgo.2022.33.e57
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Two Siblings with Cerebellar Ataxia, Mental Retardation, and Disequilibrium Syndrome 4 and a Novel Variant of <i>ATP8A2</i> (2022)
  • Author(s): Narishige Yuta、Yaoita Hisao、Shibuya Moriei、Ikeda Miki、Kodama Kaori、Kawashima Aritomo、Okubo Yukimune、Endo Wakaba、Inui Takehiko、Togashi Noriko、Tanaka Soichiro、Kobayashi Yasuko、Onuma Akira、Takayama Jun、Tamiya Gen、Kikuchi Atsuo、Kure Shigeo、Haginoya Kazuhiro
  • Journal Title: The Tohoku Journal of Experimental Medicine Volume: 256 Issue: 4 Pages: 321-326
  • DOI: 10.1620/tjem.2022.J010
  • ISSN: 0040-8727, 1349-3329
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Heterozygous calcyclin-binding protein/Siah1-interacting protein (CACYBP/SIP) gene pathogenic variant linked to a dominant family with paucity of interlobular bile duct (2022)
  • Author(s): Kanno Miyako、Suzuki Mitsuyoshi、Tanikawa Ken、Numakura Chikahiko、Matsuzawa Shu-ichi、Niihori Tetsuya、Aoki Yoko、Matsubara Yoichi、Makino Satoshi、Tamiya Gen、Nakano Satoshi、Funayama Ryo、Shirota Matsuyuki、Nakayama Keiko、Mitsui Tetsuo、Hayasaka Kiyoshi
  • Journal Title: Journal of Human Genetics Volume: 67 Issue: 7 Pages: 393-397
  • DOI: 10.1038/s10038-022-01017-0
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Heart Rate Information-Based Machine Learning Prediction of Emotions Among Pregnant Women (2022)
  • Author(s): Li Xu et al.
  • Journal Title: Frontiers in Psychiatry Volume: 12 Pages: 799029-799029
  • DOI: 10.3389/fpsyt.2021.799029
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The longest reported sibling survivors of a severe form of congenital myasthenic syndrome with the ALG14 pathogenic variant (2022)
  • Author(s): Katata Yu、Uneoka Saki、Saijyo Naoya、Aihara Yu、Miyazoe Takamitsu、Koyamaishi Shun、Oikawa Yoshitsugu、Ito Yuya、Abe Yu、Numata‐Uematsu Yurika、Takayama Jun、Kikuchi Atsuo、Tamiya Gen、Uematsu Mitsugu、Kure Shigeo
  • Journal Title: American Journal of Medical Genetics Part A Volume: 188 Issue: 4 Pages: 1293-1298
  • DOI: 10.1002/ajmg.a.62629
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A patient with early-onset SMAX3 and a novel variant of ATP7A (2022)
  • Author(s): Shibuya M, Yaoita H, Kodama K, Okubo Y, Endo W, Inui T, Togashi N, Takayama J, Tamiya G, Kikuchi A, Kure S, Haginoya K.
  • Journal Title: Brain and Development Volume: 44 Issue: 1 Pages: 63-67
  • DOI: 10.1016/j.braindev.2021.08.004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Identification and Validation of Combination Plasma Biomarker of Afamin, Fibronectin and Sex Hormone-Binding Globulin to Predict Pre-eclampsia (2021)
  • Author(s): Uchida Y, Higuchi T, Shirota M, Kagami S, Saigusa D, Koshiba S, Yasuda J, Tamiya G, Kuriyama S, Kinoshita K, Yaegashi N, Yamamoto M, Terasaki T, Sugawara J
  • Journal Title: Biological and Pharmaceutical Bulletin Volume: 44 Issue: 6 Pages: 804-815
  • DOI: 10.1248/bpb.b20-01043
  • NAID: 130008046709
  • ISSN: 0918-6158, 1347-5215
  • Year and Date: 2021-06-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Body mass index and colorectal cancer risk: A Mendelian randomization study (2021)
  • Author(s): Suzuki Shiori, Goto Atsushi, Nakatochi Masahiro, et al.
  • Journal Title: Cancer Science Volume: 112 Issue: 4 Pages: 1579-1588
  • DOI: 10.1111/cas.14824
  • NAID: 120007147665
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] GWAS Identified IL4R and the Major Histocompatibility Complex Region as the Associated Loci of Total Serum IgE Levels in 9,260 Japanese Individuals (2021)
  • Author(s): Shido Kosuke、Kojima Kaname、Shirota Matsuyuki、Yamasaki Kenshi、Motoike Ikuko N.、Hozawa Atsushi、Ogishima Soichi、Minegishi Naoko、Tanno Kozo、Katsuoka Fumiki、Tamiya Gen、Aiba Setsuya、Yamamoto Masayuki、Kinoshita Kengo
  • Journal Title: Journal of Investigative Dermatology Volume: 141 Issue: 11 Pages: 2749-2752
  • DOI: 10.1016/j.jid.2021.02.762
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Japonica Array NEO with increased genome-wide coverage and abundant disease risk SNPs (2021)
  • Author(s): Sakurai-Yageta M, Kumada K, Gocho C, Makino S, Uruno A, Tadaka S, Motoike I N, Kimura M, Ito S, Otsuki A, Narita A, Kudo H, Aoki Y, Danjoh I, Yasuda J, Kawame H, Minegishi N, Koshiba S, Fuse N, Tamiya G, Yamamoto M, Kinoshita K.
  • Journal Title: The Journal of Biochemistry Volume: 170 Issue: 3 Pages: 399-410
  • DOI: 10.1093/jb/mvab060
  • NAID: 40022723405
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Smooth-threshold multivariate genetic prediction incorporating gene-environment interactions (2021)
  • Author(s): Ueki M, Tamiya G
  • Journal Title: G3 Genes|Genomes|Genetics Volume: 11 Issue: 12
  • DOI: 10.1093/g3journal/jkab278
  • NAID: 120007190861
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A cross-population atlas of genetic associations for 220 human phenotypes (2021)
  • Author(s): Sakaue S, Kanai M, Tanigawa Y, Karjalainen J, Kurki M, Koshiba S, Narita A, Konuma T, Yamamoto K, Akiyama M, Ishigaki K, Suzuki A, Suzuki K, Obara W, Yamaji K, Takahashi K, Asai S, Takahashi Y, Suzuki T, Shinozaki N, Yamaguchi H, Minami S, Murayama S, Yoshimori K, Nagayama S, Obata D, Higashiyama M, Masumoto A, et al.
  • Journal Title: Nature Genetics Volume: 53 Issue: 10 Pages: 1415-1424
  • DOI: 10.1038/s41588-021-00931-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] dbTMM: an integrated database of large-scale cohort, genome and clinical data for the Tohoku Medical Megabank Project (2021)
  • Author(s): Ogishima Soichi et al.
  • Journal Title: Human Genome Variation Volume: 8 Issue: 1 Pages: 44-51
  • DOI: 10.1038/s41439-021-00175-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The power of genetic diversity in genome-wide association studies of lipids (2021)
  • Author(s): Graham SE, et al. (Tamiya G; 513th in 530 authors)
  • Journal Title: Nature Volume: 600 Issue: 7890 Pages: 675-679
  • DOI: 10.1038/s41586-021-04064-3
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 人工知能・機械学習技術によるゲノムリスク予測 (2022)
  • Author(s): 田宮 元
  • Organizer: 第42回医療情報学連合大会
  • Invited
• [Presentation] 大規模バイオバンクリソースを活用した遺伝統計解析 (2022)
  • Author(s): 田宮 元
  • Organizer: 千里ライフサイエンス振興財団セミナーT5
  • Invited
• [Presentation] 人工知能・機械学習によるゲノムリスク予測と疾患予防 (2022)
  • Author(s): 田宮 元
  • Organizer: 21世紀メディカルAIフォーラム
  • Invited
• [Presentation] 「Global×Localな医療課題解決を目指した最先端AI研究開発」人材育成教育拠点の形成 (2021)
  • Author(s): 田宮 元
  • Organizer: 第3回日本メディカルAI学会
• [Presentation] 東北メディカル・メガバンク機構におけるGWAS・バイオバンク解析の最近の発展 (2021)
  • Author(s): 田宮 元
  • Organizer: 日本オミックス医学会シンポジウム
  • Invited