Development of Bayesian modeling approach for trans-omics data to explore inter-organ crosstalks

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Transomic Analysis of Metabolic Adaptation
• Project/Area Number: 20H04841
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 島村 徹平 名古屋大学, 医学系研究科, 教授 (00623943)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: ベイズモデル / トランスオミクス / 臓器連関 / 行列因子分解

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、最先端の数理モデリングを基軸として、代謝アダプテーションの臓器横断的理解を加速するための情報解析技術を開発する。具体的には、①臓器横断的モジュールを同定するテンソル因子分解モデリング技術・深層学習技術の開発、②臓器連関を可視化するスパースモデリング技術の開発、③モジュールネットワーク構造変化ノードを検出する機械学習技術の開発、という３項目を主たる研究項目として推進する。これら解析技術の有用性を、ヒト臨床サンプル、疾患モデル動物を用いた実験系で検証する。2020年度は以下のような進展があった。（１）臓器横断的モジュールを同定するベイズ因子分解モデルの開発：マルチオミクス情報を統合解析するためのベイズ的非負値行列分解（BALSAMICO）を開発し、シミュレーションデータおよび実データで開発手法の有用性を検証した。（２）臓器横断的モジュールを同定する深層生成モデルの開発：臓器連関、オミクス階層間の情報を統合するための深層生成モデル（scMM）を開発し、シミュレーションデータおよび実データで開発手法の有用性を検証した。本取得した実データとシミュレーションデータを用いた開発技術の検証結果から、モデルの推定精度・限界を探るとともに、次年度以降に拡張すべきコンポーネントを明らかにした。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究の基盤となるモデリング技術を開発し、シミュレーションデータおよび実データでも開発手法の有用性が検証されたため。

Strategy for Future Research Activity

引き続き、基盤となるモデリング技術の改良・開発を進めるとともに、研究協力者との有機的な連携のもとで、開発手法による臓器連関に関わる分子メカニズム解明を進める。

Research Products

• [Journal Article] CYBERTRACK2.0: zero-inflated model-based cell clustering and population tracking method for longitudinal mass cytometry data (2021)
  • Author(s): Minoura Kodai、Abe Ko、Maeda Yuka、Nishikawa Hiroyoshi、Shimamura Teppei
  • Journal Title: Bioinformatics Volume: 37(11) Pages: 1632～1634
  • DOI: 10.1093/bioinformatics/btaa873
• [Journal Article] Hierarchical non-negative matrix factorization using clinical information for microbial communities (2021)
  • Author(s): Abe K, Hirayama M, Ohno K, Shimamura T§
  • Journal Title: BMC Genomics Volume: 22(1) Pages: 104
  • DOI: 10.1186/s12864-021-07401-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Short-Chain Fatty Acid-Producing Gut Microbiota Is Decreased in Parkinson's Disease but Not in Rapid-Eye-Movement Sleep Behavior Disorder (2020)
  • Author(s): Nishiwaki H, Hamaguchi T, Ito M, Ishida T, Maeda T, Kashihara K, Tsuboi Y, Ueyama J, Shimamura T, Mori H, Kurokawa K, Katsuno M, Hirayama M, Ohno K§
  • Journal Title: mSystems Volume: 5(6) Pages: e00797-20
  • DOI: 10.1128/mSystems.00797-20
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Model-based clustering for flow and mass cytometry data with clinical information (2020)
  • Author(s): Abe K, Minoura K, Maeda Y, Nishikawa H, Shimamura T§
  • Journal Title: BMC Bioinformatics Volume: 21(Suppl 13) Pages: 393
  • DOI: 10.1186/s12859-020-03671-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ARHGAP10, which encodes Rho GTPase-activating protein 10, is a novel gene for schizophrenia risk (2020)
  • Author(s): Sekiguchi M, (37 authors), Shimamura T, Nagai T, Nabeshima T, Kaibuchi K, Yamada K, Mori D, Ozaki N§
  • Journal Title: Translational Psychiatry Volume: 10(1) Pages: 247
  • DOI: 10.1038/s41398-020-00917-z
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Integrated multiomics analysis of hepatoblastoma unravels its heterogeneity and provides novel druggable targets (2020)
  • Author(s): Sekiguchi M, (18 authors), Shimamura T, Sato Y, Sato-Otsubo A, Kimura S, Kubota Y, Hiwatari M, Koh K, Hayashi Y, Kanamori Y, Kasahara M, Kohashi K, Kato M, Yoshioka T, Matsumoto K, Oka A, Taguchi T, Sanada M, Tanaka Y, Miyano S, Hata K, Ogawa S, Takita J§
  • Journal Title: NPJ Precision Oncology Volume: 4 Pages: 20
  • DOI: 10.1038/s41698-020-0125-y
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Meta-Analysis of Gut Dysbiosis in Parkinson's Disease (2020)
  • Author(s): Nishiwaki H, Ito M, Ishida T, Hamaguchi T, Maeda T, Kashihara K, Tsuboi Y, Ueyama J, Shimamura T, Mori H, Kurokawa K, Katsuno M, Hirayama M, Ohno K§
  • Journal Title: Movement Disorders Volume: 35(9) Pages: 1626-1635
  • DOI: 10.1002/mds.28119
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] EXOSC9 depletion attenuates P-body formation, stress resistance, and tumorigenicity of cancer cells (2020)
  • Author(s): Yoshino S, Matsui Y, Fukui Y, Seki M, Yamaguchi K, Kanamori A, Saitoh Y, Shimamura T, Suzuki Y, Furukawa Y, Kaneko S, Seiki M, Murakami Y, Inoue JI, Sakamoto T§
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10(1) Pages: 9275
  • DOI: 10.1038/s41598-020-66455-2
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Coordinated demethylation of H3K9 and H3K27 is required for rapid inflammatory responses of endothelial cells (2020)
  • Author(s): Higashijima Y, Matsui Y, Shimamura T, Nakaki R, Nagai N, Tsutsumi S, Abe Y, Link VM, Osaka M, Yoshida M, Watanabe R, Tanaka T, Taguchi A, Miura M, Ruan X, Li G, Inoue T, Nangaku M, Kimura H, Furukawa T, Aburatani H, Wada Y, Ruan Y, Glass CK, Kanki Y§
  • Journal Title: EMBO Journal Volume: 39(7) Pages: e103949
  • DOI: 10.15252/embj.2019103949
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 細胞集団のダイナミクスを捉えるためのベイズモデリング (2021)
  • Author(s): 島村徹平
  • Organizer: 第5回理論免疫学ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] がん研究における一細胞解析のためのモデリング・AI 技術の最新動向 (2020)
  • Author(s): 島村徹平
  • Organizer: 第79回日本癌学会学術総会
  • Invited
• [Presentation] 臓器連関トランスオミクス解析のためのベイズモデリング (2020)
  • Author(s): 島村徹平
  • Organizer: 第93回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] 今こそ知りたい！行列因子分解～ゼロから始めるマルチオミクス解析～ (2020)
  • Author(s): 島村徹平
  • Organizer: 代謝統合オミクス若手技術セミナー
  • Invited