ベイズ深層学習による細胞ダイナミクスの新次元俯瞰

• Project Area: Information physics of living matters
• Project/Area Number: 22H04839
• 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: 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): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥8,710,000 (Direct Cost: ¥6,700,000、Indirect Cost: ¥2,010,000); Fiscal Year 2023: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2022: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
• Keywords: 深層生成モデル / ベイズモデリング / 一細胞オミクス / 空間トランスクリプトーム / 細胞ダイナミクス / 細胞間コミュニケーション / イメージング高解像度化

Outline of Research at the Start

本研究では、申請者らが行ってきたベイズ推論と深層学習を機軸として、多細胞が生み出す生命現象の理解を深め、生命システムの設計原理を俯瞰するための新たな解析技術を開発する。本研究の推進により、細胞動態における細胞応答のゆらぎ（不確実性）を考慮した上で、細胞のダイナミクスや相互作用を考慮した多体系として多細胞システムを理解し、最終的に、細胞と周辺環境の多様な運命・応答をモデル化する情報解析基盤の構築、さらには複雑な生命現象をマルチモーダルとマルチスケールの観点から俯瞰的に思考するといった生命科学研究における新しいパラダイムの創出が期待される。

Outline of Annual Research Achievements

研究課題では、ベイズ推論と深層学習を機軸として、多細胞が生み出す生命現象の理解を深め、生命システムの設計原理を俯瞰するための新たな解析技術を開発する。具体的には、下記の解析技術を開発する。これら解析技術の有用性を、ヒト臨床サンプルおよび疾患モデル動物を用いた実験系、あるいは本領域の計画班・公募班が使用する実験系で検証する。2022年度は以下のような進展があった。１）ゆらぎを考慮した細胞動態シミュレーションのための深層生成モデルの開発：深層生成モデルと数理モデルの融合により、シングルセルトランスクリプトームデータから細胞状態遷移のゆらぎをシミュレートし、確率的な遺伝子発現変化や細胞運命分岐点を探索するための深層生成モデル VICDYF を開発した。２）共局在細胞を同定するための深層生成モデルの開発：一細胞解像度で細胞間の共局在ネットワークを推定するとともに、共局在関係によって定義される細胞集団の分類、関連するリガンドとレセプター間の分子パスウェイを同定するための深層生成モデル deepCOLORを開発した。３）多細胞が作り出す組織構造変化を抽出するベイズ機械学習の開発：組織透明化手法 CUBIC を用いて、マウスのさまざまな臓器を透明化し、血管・リンパ管を臓器のまま３次元かつ高解像度に可視化した画像データから、位相的データ解析や非定常ポアソン過程モデルなどの機械学習技術により、３次元の脈管構造の『かたち』を総合的に評価するための方法を開発した。４）多分子が作り出すタンパク構造変化を抽出するベイズ機械学習の開発：分子動力学シミュレーション、パーシステントホモロジー法、およびベイズ統計モデルを用いて、アミノ酸変異によって引き起こされるタンパク質構造変化の多様性を解析するための方法を開発した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究の基盤となるモデリング技術を開発し、シミュレーションデータおよび実データでその有用性を検証できたため。

Strategy for Future Research Activity

研究の基盤となるモデリング技術開発を引き続き進めるとともに、多細胞が生み出す生命現象の理解を深め、生命システムの設計原理を俯瞰するための新たな解析基盤を構築する。

Research Products

• [Journal Article] Convergent genomic diversity and novel BCAA metabolism in intrahepatic cholangiocarcinoma (2023)
  • Author(s): Kitagawa A, Osawa T,Noda M,Kobayashi Y, Aki S,Nakano Y,Saito T,Shimizu D,Komatsu H,Sugaya M,Takahashi J,...Mimori K.
  • Journal Title: Br J Cancer Volume: - Issue: 12 Pages: 2206-2217
  • DOI: 10.1038/s41416-023-02256-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Increased flexibility of the SARS-CoV-2 RNA-binding site causes resistance to remdesivir (2023)
  • Author(s): Torii Shiho、Kim Kwang Su、Koseki Jun、Suzuki Rigel、Iwanami Shoya、Fujita Yasuhisa、Jeong Yong Dam、Ito Jumpei、Asakura Hiroyuki、Nagashima Mami、Sadamasu Kenji、Yoshimura Kazuhisa、Sato Kei、Matsuura Yoshiharu、Shimamura Teppei、Iwami Shingo、Fukuhara Takasuke、The Genotype to Phenotype Japan (G2P-Japan) Consortium
  • Journal Title: PLOS Pathogens Volume: 19 Issue: 3 Pages: e1011231-e1011231
  • DOI: 10.1371/journal.ppat.1011231
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Spatial and single-cell transcriptomics decipher the cellular environment containing HLA-G+ cancer cells and SPP1+ macrophages in colorectal cancer. (2023)
  • Author(s): Ozato Y, Kojima Y, Kobayashi Y, Hisamatsu Y, Toshima T, Yonemura Y, Masuda T, Kagawa K, Goto Y, Utou M, Fukunaga M,... Mimori K.
  • Journal Title: Cell Rep Volume: 42(1) Issue: 1 Pages: 111929-111929
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111929
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Bayesian statistical method for detecting structural and topological diversity in polymorphic proteins (2022)
  • Author(s): Hayashi Shuto、Koseki Jun、Shimamura Teppei
  • Journal Title: Computational and Structural Biotechnology Journal Volume: 20 Pages: 6519-6525
  • DOI: 10.1016/j.csbj.2022.11.038
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Smoking enhances the expression of angiotensin‐converting enzyme 2 involved in the efficiency of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 infection (2022)
  • Author(s): Suzuki Rigel、Ono Yuki、Noshita Koji、Kim Kwang Su、Ito Hayato、Morioka Yuhei、Tamura Tomokazu、Okuzaki Daisuke、Tagawa Tetsuzo、Takenaka Tomoyoshi、Yoshizumi Tomoharu、Shimamura Teppei、Iwami Shingo、Fukuhara Takasuke
  • Journal Title: Microbiology and Immunology Volume: 67 Issue: 1 Pages: 22-31
  • DOI: 10.1111/1348-0421.13034
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Detecting time-evolving phenotypic components of adverse reactions against BNT162b2 SARS-CoV-2 vaccine via non-negative tensor factorization (2022)
  • Author(s): Ikeda Kei、Nakada Taka-Aki、Kageyama Takahiro、Tanaka Shigeru、Yoshida Naoki、Ishikawa Tetsuo、Goshima Yuki、Otaki Natsuko、Iwami Shingo、Shimamura Teppei、Taniguchi Toshibumi、Igari Hidetoshi、Hanaoka Hideki、Yokote Koutaro、Tsuyuzaki Koki、Nakajima Hiroshi、Kawakami Eiryo
  • Journal Title: iScience Volume: 25 Issue: 10 Pages: 105237-105237
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.105237
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Metabolic remodeling of pyrimidine synthesis pathway and serine synthesis pathway in human glioblastoma (2022)
  • Author(s): Nakamizo Akira、Miyamatsu Yuichiro、Hirose Haruka、Amano Toshiyuki、Matsuo Satoshi、Fujiwara Minako、Shimamura Teppei、Yoshimoto Koji
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 16277-16277
  • DOI: 10.1038/s41598-022-20613-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Metabolome and transcriptome analysis on muscle of sporadic inclusion body myositis. (2022)
  • Author(s): Murakami, A., Noda, S., Kazuta, T., Hirano, S., Kimura, S., Nakanishi, H., Matsuo, K., Tsujikawa, K., Iida, M., Koike, H., Sakamoto, K., Hara, Y., Kuru, S., Kadomatsu, K., Shimamura, T., Ogi, T., Katsuno, M.
  • Journal Title: Ann Clin Transl Neurol. Volume: 9 Issue: 10 Pages: 1602-1615
  • DOI: 10.1002/acn3.51657
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] An analysis modality for vascular structures combining tissue-clearing technology and topological data analysis (2022)
  • Author(s): Takahashi K, Abe K, Kubota SI, Fukatsu N, Morishita Y, Yoshimatsu Y, Satoshi Hirakawa, Yoshiaki Kubota, Tetsuro Watabe, Shogo Ehata, Hiroki R. Ueda, Teppei Shimamura, Kohei Miyazono
  • Journal Title: Nature Communiactions Volume: 13 Issue: 1 Pages: 5239-5239
  • DOI: 10.1038/s41467-022-32848-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A bifurcation concept for B-lymphoid/plasmacytoid dendritic cells with largely fluctuating transcriptome dynamics. (2022)
  • Author(s): Nagaharu K, Kojima Y, Hirose H, Minoura K, Hinohara K, Minami H, Kageyama Y, Sugimoto Y, Masuya M, Nii S, Seki M, Suzuki Y, Tawara I, Shimamura T, Katayama N, Nishikawa H, Ohishi K.
  • Journal Title: Cell Rep. Volume: 40 Issue: 9 Pages: 111260-111260
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111260
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] UVB-Induced Skin Autoinflammation Due to Nlrp1b Mutation and Its Inhibition by Anti-IL-1β Antibody (2022)
  • Author(s): Murase Yuya、Takeichi Takuya、Koseki Jun、Miyasaka Yuki、Muro Yoshinao、Ohno Tamio、Shimamura Teppei、Akiyama Masashi
  • Journal Title: Frontiers in Immunology Volume: 13 Pages: 876390-876390
  • DOI: 10.3389/fimmu.2022.876390
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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
• [Presentation] 深層生成モデルで読み解く生命システムの動作原理 (2023)
  • Author(s): 島村 徹平
  • Organizer: 第7回理論免疫学ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] 深層学習による生体内微小環境の新次元俯瞰 (2022)
  • Author(s): 島村 徹平
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会年会ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] 深層学習で細胞社会を読み解く (2022)
  • Author(s): 島村 徹平
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会年会フォーラム
  • Invited
• [Presentation] 深層学習による生体内微小環境の新次元俯瞰 (2022)
  • Author(s): 島村 徹平
  • Organizer: LINK-Jセミナー
  • Invited
• [Presentation] 深層学習による生体内微小環境の新次元俯瞰 (2022)
  • Author(s): 島村 徹平
  • Organizer: 第95回日本生化学会大会企画シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 深層学習による生体内微小環境の新次元俯瞰 (2022)
  • Author(s): 島村 徹平
  • Organizer: 第60回日本癌治療学会学術集会会長企画シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Estimating fluctuations in cell state dynamics and predicting fate bifurcations under influenza infection using deep learning (2022)
  • Author(s): 島村 徹平
  • Organizer: 第20回あわじ感染と免疫国際フォーラム
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] A new modality for elucidating tumor microenvironment using deep learning (2022)
  • Author(s): 島村 徹平
  • Organizer: 第81回日本癌学会学術総会
  • Invited
• [Book] 実験医学別冊最強のステップUPシリーズ 空間オミクス解析スタートアップ実践ガイド、空間トランスクリプトームに基づく細胞間相互作用ネットワークの解析技術 (2022)
  • Author(s): 小嶋泰弘、島村徹平
  • Total Pages: 244
  • Publisher: 羊土社
  • ISBN: 9784758122610