疎性を用いた多階層ネットワークの同定

• Project Area: Initiative for High-Dimensional Data-Driven Science through Deepening of Sparse Modeling
• Project/Area Number: 26120507
• 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: Kyushu University
• Principal Investigator: 宇田 新介 九州大学, 生体防御医学研究所, 准教授 (20599609)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000); Fiscal Year 2015: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2014: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 情報科学 / 機械学習 / システム生物学 / トランスオミクス / スパース性 / 分子ネットワーク

Outline of Annual Research Achievements

近年，測定技術の向上により，遺伝子発現，タンパク質，代謝などの多階層を網羅的に同条件で測定しやすい環境が整って来ており，それら多階層データの解析方法についても需要が増している．特に，分子種間の相互作用ネットワークを知ることは，生命現象の理解の上で重要であると考えられている．網羅的な測定では，一度に同条件で多数の分子種を測定できる利点があるが，階層ごとに程度の違いはあるものの現状では欠損値が発生しやすいという問題もある．従来は，欠損値に対して，比較的アドホックな処理がなされる傾向があったが，欠損値と相互作用ネットワークの間にはお互いからみたときの得られやすさの関連があるため，同時に処理するのがよいと考えられる．
本研究では，欠損あり多階層オミクスデータへの適用を想定した欠損値と相互作用ネットワークを同時に推定する方法を開発し，人工データによる性能評価を数値実験によって行った．分子種間相互作用ネットワークは，偏相関によって近似的に推定する．偏相関による相互作用の推定は，間接的な相互作用の推定となる可能性が高いが，オミクスデータの現状では直接的な相互作用の推定は難しいと考え，比較的シンプルな偏相関を用いることにした．直接的な相互作用ではなく間接的であっても，生命現象の理解に役立つ可能性が十分にあると考えている．分子種間の相互作用は，生化学反応的な知見から密になるとは考えにくく，相互作用ネットワークはエッジの少ない疎な構造を持つと考えられる．また，経験的に分子種の挙動はクラスタを形成して類似していることが多く，データ行列は低ランクに近いことがわかっている．
開発した手法は，人工データによって評価し，手法の有効性を検証した．現在，実データを用いた解析に取り組んでおり，生物学的に新たな知見が得られれば実験によって検証したいと考えている．

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Glucose Homeostatic Law: Insulin Clearance Predicts the Progression of Glucose Intolerance in Humans (2015)
  • Author(s): Kaoru Ohashi , Hisako Komada , Shinsuke Uda, Hiroyuki Kubota, Toshinao Iwaki, Hiroki Fukuzawa, Yasunori Komori, Masashi Fujii, Yu Toyoshima, Kazuhiko Sakaguchi, Wataru Ogawa, Shinya Kuroda
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 10 Issue: 12 Pages: e0143880-e0143880
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0143880
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reconstruction of insulin signal flow from phosphoproteome and metabolome data (2014)
  • Author(s): Yugi, K., Kubota, H., Toyoshima, Y., Noguchi, R., Kawata, K., Komori, Y., Uda, S., Kunida, K., Tomizawa, Y., Funato, Y., Miki, H., Matsumoto, M., Nakayama, K.I., Kashikura, K., Endo, K., Ikeda, K., Soga, T., Kuroda, S.
  • Journal Title: Cell Rep. Volume: 8 Issue: 4 Pages: 1171-1183
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2014.07.021
  • NAID: 120005537752
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Estimation method of sparse partial correlation matrix from omics data set with missing values (2015)
  • Author(s): Shinsuke Uda
  • Organizer: International Meeting on “High-Dimensional Data Driven Science” (HD3-2015)
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2015-12-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 健常及び肥満マウスの肝臓及び筋肉におけるグルコース負荷に対する代謝変動の網羅的解析 (2015)
  • Author(s): 小鍛冶俊也、久保田浩行、伊藤有紀、柚木克之、藤井雅史、宇田新介、国田勝行、曽我朋義、黒田真也
  • Organizer: BMB2015 第38回日本分子生物学会年会 第88回日本生化学会大会 合同大会
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド
  • Year and Date: 2015-12-02
• [Presentation] インスリン刺激時における網羅的遺伝子発現調節ネットワークの再構築 (2015)
  • Author(s): 川田健太郎、柚木克之、幡野敦、国田勝行、藤井雅史、大野聡、富沢瑶子、佐野貴規、角田裕晶、宇田新介、久保田浩行、鈴木壌、松本雅記、中山敬一、黒田真也
  • Organizer: BMB2015 第38回日本分子生物学会年会 第91回日本生化学会大会 合同大会
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド
  • Year and Date: 2015-12-01
• [Presentation] 欠損ありオミクスデータのための 疎偏相関行列推定法 (2015)
  • Author(s): 宇田新介
  • Organizer: 第18回情報論的学習理論ワークショップ (IBIS2015)
  • Place of Presentation: つくば国際会議場
  • Year and Date: 2015-11-26
• [Presentation] Reconstruction of global network of insulin-dependent gene expression based on phosphoproteome and transcriptome data (2015)
  • Author(s): Kentaro Kawata, Katsuyuki Yugi, Atsushi Hatano, Katsuyuki Kunida, Masashi Fujii, Satoshi Ohno, Yoko Tomizawa, Takanori Sano, Hiroaki Kakuda, Shinsuke Uda, Hiroyuki Kubota, Yutaka Suzuki, Masaki Matsumoto, Keiichi Nakayama and Shinya Kuroda
  • Organizer: International Conference on Systems Biology(ICSB2015)
  • Place of Presentation: Biopolis,Singapore
  • Year and Date: 2015-11-23
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 疎性を用いた多階層ネットワークの同定 (2014)
  • Author(s): 宇田新介
  • Organizer: 新学術領域研究「スパースモデリングの深化と高次元データ駆動科学の創成」2014年度公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京工業大学 すずかけ台キャンパス
  • Year and Date: 2014-12-16
• [Presentation] インスリン時間パターン依存的な遺伝子発現の選択的応答 (2014)
  • Author(s): 佐野貴規，川田健太郎，角田裕晶，久保田浩行，宇田新介，柚木克之，藤井雅史，国田勝行，星野太佑，鈴木穣，黒田真也
  • Organizer: 第37回分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2014-11-26
• [Presentation] ヒトにおける糖代謝メカニズムのシステム生物学的解析 (2014)
  • Author(s): 住友洋平，唐沢康暉，宇田新介，大橋郁，平山明由，曽我朋義，黒田真也
  • Organizer: 第37回分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2014-11-25