2015 Fiscal Year Research-status Report
位相幾何と超離散の融合によるシングルセルの遺伝子転写運動の解明
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15K00397
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
大田 佳宏 東京大学, 数理(科)学研究科(研究院), 特任教授 (80436592)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
井原 茂男 東京大学, 先端科学技術研究センター, 特任教授 (30345136)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 転写 / 時空間解析 / シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
転写過程における高時間分解能の細胞実験において、大規模配列解析実験から産出されるRNAPIIのダイナミクス、エピゲノム修飾、クロマチンループ構造などの時空間数値データの解析を用いて、転写の数理モデル化のための特性抽出の研究を進めた。
ここでは、主に細胞や疾患ごとのRNAPII運動の時空間情報を取得し、各種タンパク質結合情報とエピジェネティック修飾情報も取得してモデル化への活用を進めた。
また、1細胞レベルでのゲノム配列決定やRNA解析を行うことで、細胞集団の平均的な解析ではなく、個々の細胞の変化を動的に追い、論理的に理解することを目的として、１細胞レベルにおける転写機構の実験データから、独自プログラムを構築することで各細胞や疾患ごとのRNAPII実体の運動情報・各種タンパク質結合情報・エピジェネティック修飾情報を、染色体上に高精度な空間分解能として特性抽出する研究開発の準備を行った。
さらに、数理モデルにおいては、遺伝子の転写におけるRNAPIIの動態モデリングとして、RNAPIIの速度変化、停止、バックトラック、相互作用などのダイナミクスをより精細に再現するため、箱玉系に代表されるCAモデルのTotally Asymmetric Simple Exclusion Process（TASEP）をベースに、複数RNAPIIが相互作用をしながら移動していく蓄積排他モデルを改良して独自のCAモデルを構築した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
高時間分解能の細胞実験から産出されるビッグデータ解析についてコード化を進め、高密度な時間分解能のビッグデータ解析を予定よりも早く可能とした。
また、染色体３次元構造変化が転写に与える影響について、DNAの３次元構造変化とその上での転写運動を厳密にモデル化するためには代数的トポロジーを導入し、この染色体やクロマチンの３次元構造変化の実験結果を用いて、そこに代数的トポロジーと超離散系モデルを融合した新規の理論を導入して転写の数理モデル化を進めることができた。本手法によって、染色体の３次元物理構造が変化した際にRNAPIIの転写運動へ与える影響を詳細に予測することも可能となる。
さらに、１次元のCAサイト間距離としては離れているが、実際の染色体の物理的位置では近傍にあるサイト間に位相構造を取り入れることで、染色体地図上で離れた場所にあるDNAサイトにも写像によって遷移可能とする新しいRNAPII動態アルゴリズムの開発も進めた。このモデルが実現可能となると、グラフ上の移動ルートから、スプライシングバリアントの組み合わせなどを計算機シミュレーションによって予測することも可能となる。
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| Strategy for Future Research Activity |
上記した今年度の成果をベースに独自プログラムを構築することで、大規模計算機による遺伝子転写の計算機シミュレーションを行う。ここでは、より精度の高い数理モデル化を進めることで、遺伝子や疾患細胞特有の転写運動についても高精度にシミュレーションを行う予定である。
さらに、これまでの細胞集団の平均的な解析だけではなく、1細胞レベルでの転写の計算機シミュレーションを行うことで、シングルセル解析などにおける細胞実験との比較も行い、分化能や発現量の高い細胞特有の転写機構についても独自の解明を行いたい。
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| Causes of Carryover |
成果発表と講演の時期が特許取得などの関係で2016年度に延期になったため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
2016年度の成果発表、講演の旅費として使用する予定。
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