インシリコ生命ネットワーク構築のための遺伝子ネットワーク推定とシミュレーション

2006 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17017008
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 宮野 悟 東京大学, 医科学研究所, 教授 (50128104)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松野 浩嗣 山口大学, 理学部, 教授 (10181744) ; 井元 清哉 東京大学, 医科学研究所, 助教授 (10345027) ; 長崎 正朗 東京大学, 医科学研究所, 助手 (90396862) ; 坂内 英夫 九州大学, 大学院・システム情報科学研究院, 助教授 (20323644)
• Keywords: 遺伝子ネットワーク / タンパク質ネットワーク / システムバイオロジー / パスウェイモデリング / マイクロアレイ解析 / シミュレーション / ベイジアンネットワーク / Petriネット

Research Abstract

(a)状態空間モデルを用いて時系列で得られるマイクロアレイ遺伝子発現データから辿伝子モジュールネットワークの推定法を開発した.時点数と次元数に大きな差があるとき,状態空間モデルに次元縮小法を用いた方式を開発することにより理論的にこの問題を解決し,その有効性をパン酵母の細胞周期に関する時系列データを用いて示した.また,混合因子分析法による遺伝子発現パターン解析ソフトウエアツールArray Clusterを開発した.
(b)データ同化の考えを生命システムのモデル化に適用する枠組みを構築し,シミュレーションモデルと時系列遺伝子発現マイクロアレイデータを想定した計算実験を行い,その有効性と限界,及び今後の可能性について明らかにした.また,EGF受容体シグナル伝達パスウェイに対して,データ同化技術を用いて,SILAC法によるタンパク質の旦的計測データをシミュレーションモデルに同化させ,新たな仮説を合理的に探索する方式を開発した.
(c)生命システムシミュレーションのためのモデル記述XMLCSML3.0及びCell System Ontology3.0を開発した.また,SBML, CellMLからCSML3.0への自動変換システムを開発し,CSMLに基づいたパスウェイモデルライブラリーを構築した.
(d)C.elegansのgustatory neurons(ASELとASER)の細胞運命の決定のシミュレーションモデルを構築し・Johnston等の提示していた仮説やミュータントをイン・シリコで再現することができた.また,シミュレーションにより,サーカディアン制御ネットワークにおける新たな仮説の生成,CDK依存リン酸化及びAFR依存安定化パスウェイのモデル化とp53の転写活性のイン・シリコ解析を行った.さらに,Petri netに基づいたシグナル伝達系のモデル化とその解析法を開発した.

Research Products

• [Journal Article] Finding module-based gene networks with state-space models? Mining high-dimensional and short time-course gene expression data (2007)
  • Author(s): Yamaguchi, R., Yoshida, T., Imoto, S., Higuchi, T., Miyano, S.
  • Journal Title: IEEE Signal Processing Magazine 24・1 Pages: 37-46
• [Journal Article] Modeling and simulation of signal transductions in an apoptosis pathway by using timed Petri nets (2007)
  • Author(s): Li, C., Ge, Q.-W., Nakata, M., Matsuno, H., Miyano, S.
  • Journal Title: J.Biosciences 32 Pages: 113-125
• [Journal Article] Genomic data assimilation for estimating hybrid functional Petri net from time-course gene expression data (2006)
  • Author(s): Nagasaki, M., Yamaguchi, R., Yoshida, R., Imoto, S., Doi, A., Tamada, Y., Matsuno, H., Miyano, S., Higuchi, T.
  • Journal Title: Genome Informatics 17・1 Pages: 46-61
• [Journal Article] Modeling and estimation of dynamic EGFR pathway by data assimilation approach using time series proteomic data (2006)
  • Author(s): Tasaki, S., Nagasaki, M., Oyama, M., Hata, H., Ueno, K., Yoshida, R., Higuchi, T., Sugano, S., Miyano, S.
  • Journal Title: Genome Informatics 17・2 Pages: 226-228
• [Journal Article] ArrayCluster : an analytic tool for clustering, data visualization and module finder on gene expression profiles (2006)
  • Author(s): Yoshida, R., Higuchi, T., Imoto, S., Miyano, S.
  • Journal Title: Bioinformatics 22・12 Pages: 1538-1539
• [Journal Article] A new regulatory interactions suggested by simulations for circadian genetic control mechanism in mammals (2006)
  • Author(s): Matsuno, H., Inouye, S.-T., Okitsu, Y., Fujii, Y., Miyano, S.
  • Journal Title: J.Bioinformatics and Computational Biology 4・1 Pages: 139-154
• [Journal Article] A combined pathway to simulate CDK-dependent phosphorylation and ARF-dependent stabilization for p53 transcriptional activity (2006)
  • Author(s): Doi, A., Nagasaki, M., Ueno, K., Matsuno, H., Miyano, S.
  • Journal Title: Genome Informatics 17・1 Pages: 112-123
• [Journal Article] Cell fate simulation model of gustatory neurons with microRNAs double-negative feedback loops by hybrid functional Petri net with extension (2006)
  • Author(s): Saito, A., Nagasaki, M., Doi, A., Ueno, K., Miyano, S.
  • Journal Title: Genome Informatics 17・1 Pages: 100-111
• [Journal Article] Structural modeling and analysis of signaling pathways based on petri nets (2006)
  • Author(s): Li, C., Suzuki, S., Ge, Q.-W., Nakata, M., Matsuno, H., Miyano, S.
  • Journal Title: Genome Informatics 17・2 Pages: 1119-1140