2017 Fiscal Year Research-status Report

1細胞遺伝子発現解析と数理モデリングによる、多能性幹細胞の細胞間ゆらぎの解析

Research Project

Project/Area Number	16KT0139
Research Institution	Kyoto University
Principal Investigator	中村直俊京都大学, 医学研究科, 特定研究員 (30554472)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	中村正裕京都大学, iPS細胞研究所, 特定研究員 (40634449)
Project Period (FY)	2016-07-19 – 2020-03-31
Keywords	1細胞遺伝子発現解析 / ヘテロジェネイティ
Outline of Annual Research Achievements	本プロジェクトの主題である、1細胞の遺伝子発現の違いを可視化する方法を模索する中で、高次元空間内の遺伝子発現の分布をノンパラメトリック・バイアスフリーにとらえ、分布間の距離を計算することで座標空間への布置を行い、サンプルの多様性を司る重要な軸を抽出する新たな解析手法（ノンパラメトリック・ダイバージェンス推定とMDS再構築による潜在軸可視化解析、Latent axes visualization and evaluation using non-parametric divergence estimation and MDS reconstruction, LAVENDER法）を構想した。この手法はサンプル間の距離を保ったまま、低次元への縮約を実現することから、距離を改変することで低次元における可視化を行うtSNEなどの既存手法と補完的な解析手法となりうると考えられる。 1細胞の遺伝子発現への応用に先行して、FACSデータ・マスサイトメトリーデータへのLAVENDER法の適用を行い、長浜コホート0次事業の関連データから免疫応答の個人間の多様性に関する軸を抽出することができた。この結果を国内学会・国際学会において口頭発表し、有益なフィードバックを得た。国際学会での発表はYouTubeにおいて広く公開された。現在、論文投稿に向けて準備中である。同時に、前年に引き続き、関連国際学会およびプレプリントサーバーから情報収集を行い、スナップショットデータを用いて遺伝子発現のゆらぎを研究するのに必要な細胞数を確保できる実験手法について検討した。研究分担者はそのプロトタイプの作製を開始した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 1細胞の遺伝子発現の違いを可視化できるLAVENDER法の論文化を進めている。ゆらぎの研究に十分な細胞数を確保できる実験手法を絞り込んでいる。
Strategy for Future Research Activity	LAVENDER法の論文化、1細胞遺伝子発現への応用を進める。研究分担者の所持するGPUマシンを利用できる目処が立ったことから、多層のニューラルネットを用いた非線形モデリングによって、遺伝子型と表現型（遺伝子発現を含む）を結びつける可能性を検討する。ブラックボックスとホワイトボックスの中間的アプローチにより、数理モデルの表現力が広がると考えられるが、有意義な結果が得られるかどうかは今後の課題である。様々なパラメータ条件を検討する。
Remarks	国際学会における研究代表者の口頭講演の録画であり、広く公開されている。研究成果のわかりやすいまとめになっている。