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

2009 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17017008
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 宮野 悟 The University of Tokyo, 医科学研究所, 教授 (50128104)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松野 浩嗣 山口大学, 大学院・理工学研究科, 教授 (10181744) ; 井元 清哉 東京大学, 医科学研究所, 准教授 (10345027) ; 長崎 正朗 東京大学, 医科学研究所, 助教 (90396862)
• Keywords: 遺伝子ネットワーク / マイクロアレイ / パスウェイモデリング / タンパク質相互作用 / シミュレーション / CSML

Research Abstract

(1)生命ネットワーク情報の推定技術に関する研究成果:時系列マイクロアレイデータから遺伝子ネットワークを効率的に推定するために、ベクトル自己回帰モデルを状態空間モデルで表現し、ネットワーク構造を表すパラメータをL1正則化にもとづくsparse学習により推定する手法を開発した。さらにrecursive elastic netを用いた方法を考案し、時系列遺伝子発現データから擬陽性の少ない遺伝子ネットワークを推定する技術を開発した。状態空間モデルをAspergillus fumigatusのヒートショックによる時系列遺伝子発現データを用いて,その転写ネットワーク解析に応用した。統計的メタアナリシスにより,がんの転写ネットワークの解析を行った。
(2)生命ネットワーク情報の電子化整理技術の開発に関する研究成果:新たなパスウェイレイアウトアルゴリズム及びパスウェイの解析アルゴリズムを開発した。Betweennessをグラフレイアウトに融合した実用的なアルゴリズム(BFL)を開発し、より高いbetweennessをもつノードがグラフレイアウトにおいて最適な場所に配置できるようになった。また、パスウェイの構造解析のために、betweenes centralityを用いた最大ウエイトの連続成分を探索する効率のよい発見的アルゴリズムを開発した。生命システムモデリングとその解析法として、「ある遺伝子Aが上昇したらある遺伝子Bが発現する」、「あるタンパク質Aがある一定濃度である一定時間キープされれば,ある遺伝子Bが発現する」といったパスウェイの動的規則について,モデル検証の枠組みを、量的な関係を含むパスウェイの枠組みで利用できるようにする方法を開発した。これにより細胞運命決定など、今までの枠組みではできない規則のチェックが可能になった。また、Petri Netのトランジションの遅延時間を決定するための方法を開発し、アポトーシスパスウェイを例に用いて、その方式の有効性を示し、そのモデル解析を行った。

Research Products

• [Journal Article] A state space representation of VAR models with sparse learning for dynamic gene networks (2009)
  • Author(s): Kojima, K., Yamaguchi, R., Imoto, S., Yamauchi, M., Nagasaki, M., Yoshida, R., Shimamura, T., Ueno, K., Higuchi, T., Gotoh, N., Miyano, S.
  • Journal Title: Genome Informatics 22 Pages: 56-68
• [Journal Article] Simulation-based model checking approach to cell fate specification during Caenorhabditis elegans vulval development by hybrid functional Petri net with extension (2009)
  • Author(s): Li, C., Nagasaki, M., Ueno, K., Miyano, S.
  • Journal Title: BMC Systems Biology 3 Pages: 42
• [Journal Article] A novel meta-analysis approach of cancer transcriptomes reveals prevailing transcriptional networks in cancer cells (2009)
  • Author(s): Niida, A., Imoto, S., Nagasaki, M., Yamaguchi, R., Miyano, S.
  • Journal Title: Genome Informatics 22 Pages: 121-131
• [Journal Article] Recursive regularization for inferring gene networks from time-course gene expression profiles (2009)
  • Author(s): Shimamura, T., Imoto, S., Yamaguchi, R., Fujita, A., Nagasaki, M., Miyano, S.
  • Journal Title: BMC Systems Biology 3 Pages: 41
• [Journal Article] Statistical approaches to genome-wide biological networks (2009)
  • Author(s): Do, J.H., Miyano, S., Choi, D.K.
  • Journal Title: Biochip J. 3(3) Pages: 190-202
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Exploring temporal transcription regulation structure of Aspergillus fumigatus in heat shock by state space model (2009)
  • Author(s): Do, J.H., Yamaguchi, R., Miyano, S
  • Journal Title: BMC Genomics 10 Pages: 30(電子版のためページ番号なし)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] BFL : a node and edge betweenness based fast layout algorithm for large scale networks (2009)
  • Author(s): Hashimoto, T.B., Nagasaki, M., Kojima, K., Miyano, S.
  • Journal Title: BMC Bioinformatics 10 Pages: 19(電子版のためページ番号なし)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Simulation of mammalian circadian clock for the analysis of interlocked feedback loops in robust oscillation (2009)
  • Author(s): Matsuno, H., Mito, N., Inouye, S.T.
  • Journal Title: Proc.ITC-CSCC2009 Pages: 264-267
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Computational predictions for functional proteins working after cleaved in apoptotic pathway (2009)
  • Author(s): Miyakawa, C., Sugii, M., Matsuno, H., Miyano, S.
  • Journal Title: Proc.Second International Workshop on Intelligent In formatics in Biology and Medicine Pages: 807-812
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Better decomposition heuristics for the maximum-weight connected graph problem using betweenness centrality (2009)
  • Author(s): Yamamoto, T., Miyano, S., Nagasaki, M., Bannai, H.
  • Journal Title: Lecture Notes in Artificial Intelligence 5808 Pages: 465-472
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Gene Networks Viewed through Two Models (2009)
  • Author(s): Satoru Miyano
  • Organizer: The First International Conference on Bioinformatics and Computational Biology
  • Place of Presentation: New Orleans, USA
  • Year and Date: 2009-04-10
• [Book] Foundations of Systems Biology : Using Cell Illustrator and Pathway Databases (2009)
  • Author(s): Nagasaki, M., Saito, A., Doi, A., Matsuno, H., Miyano, S.
  • Total Pages: 156
  • Publisher: Springer
• [Remarks] Cell System Markup Language
  • URL: http://www.csml.org/
• [Remarks] Petri Net Pathways
  • URL: http://genome.ib.sci.yamaguchi-u.ae.jp/~pnp/