マルチスケール精神疾患データの疎性モデリング解析

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Constructive understanding of multi-scale dynamism of neuropsychiatric disorders
• Project/Area Number: 21H00179
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 田宮 元 東北大学, 医学系研究科, 教授 (10317745)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: ゲノムコホート / 高次元変数選択法 / 遺伝子×環境相互作用 / 機械学習

Outline of Annual Research Achievements

令和3年度には、これまでの研究で開発してきた全相互作用効果の周辺回帰スクリーニングとそれに引き続く罰則回帰による変数選択を組み合わせた高次元変数選択の枠組み（SIS; Sure Independence Screening）ならびに、周辺回帰ランキング統計量を重みに用いたリッジ回帰の枠組み（STMGP; Smooth Threshold Multivariate Genetic Prediction）、さらにはマルチオミックスのような非線形データからの特徴抽出に適した枠組み（HSIC-Lasso）を、遺伝子×環境相互作用データの実データに適用してきた。実データとして、東北メディカル・メガバンク機構で取得された数万人レベルのうつ傾向スコア（K6やCES-D）、Autism-Spectrum Quotient（AQ）スコア、認知機能データ、MRIデータ、メタボロミクスデータや全ゲノム配列データなど大規模ゲノムコホートデータに適用した。
具体的な手順として、まずは、これまで実装の終了しているSIS、STMGP、HSIC-Lassoについて、東北メディカル・メガバンク機構のスーパーコンピュータ上で、東北メディカル・メガバンク機構のゲノムコホートで取得された健康診断データを応答変数として横断的解析を行い、次に、疾患二値データや前向きデータへの適用を行ってきた。このようなソフトウェアプログラムや解析結果、リソースを、他の班員のデータ分析支援に役立てるための準備を進めている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

すでに開発を終えている超高次元変数選択法ソフトウェアを、東北メディカル・メガバンクのゲノムコホートからの精神健康状態に関するマルチスケールデータへ適用して、遺伝子×遺伝子ならびに遺伝子×環境相互作用の解析を実行し、リスク予測を行っている。これらは当初計画どおりの進捗である。

Strategy for Future Research Activity

これまで、申請者ら自身が開発を行ってきた超高次元変数選択法SIS（Sure Independence Screening）の手法や、周辺回帰をリッジ回帰の重みとして用いる柔軟手法STMGP（Smooth Threshold Multivariate Genetic Prediction）をさらに発展させ、更には、HSIC-Lassoなどを用いて非線形のマルチスケールデータからの柔軟な特徴抽出を行うことで、実際の国内最大級のゲノムコホートデータでの相互作用解析への適用を行う。

Research Products

• [Journal Article] Two Siblings with Cerebellar Ataxia, Mental Retardation, and Disequilibrium Syndrome 4 and a Novel Variant of ATP8A2 (2022)
  • Author(s): Narishige Yuta、Yaoita Hisao、Shibuya Moriei、Ikeda Miki、Kodama Kaori、Kawashima Aritomo、Okubo Yukimune、Endo Wakaba、Inui Takehiko、Togashi Noriko、Tanaka Soichiro、Kobayashi Yasuko、Onuma Akira、Takayama Jun、Tamiya Gen、Kikuchi Atsuo、Kure Shigeo、Haginoya Kazuhiro
  • Journal Title: The Tohoku Journal of Experimental Medicine Volume: 256 Pages: 321～326
  • DOI: 10.1620/tjem.2022.J010
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Heterozygous calcyclin-binding protein/Siah1-interacting protein (CACYBP/SIP) gene pathogenic variant linked to a dominant family with paucity of interlobular bile duct (2022)
  • Author(s): Kanno Miyako、Suzuki Mitsuyoshi、Tanikawa Ken、Numakura Chikahiko、Matsuzawa Shu-ichi、Niihori Tetsuya、Aoki Yoko、Matsubara Yoichi、Makino Satoshi、Tamiya Gen、Nakano Satoshi、Funayama Ryo、Shirota Matsuyuki、Nakayama Keiko、Mitsui Tetsuo、Hayasaka Kiyoshi
  • Journal Title: Journal of Human Genetics Volume: 67 Pages: 393～397
  • DOI: 10.1038/s10038-022-01017-0
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Heart Rate Information-Based Machine Learning Prediction of Emotions Among Pregnant Women (2022)
  • Author(s): Li Xue、Ono Chiaki、Warita Noriko、Shoji Tomoka、Nakagawa Takashi、Usukura Hitomi、Yu Zhiqian、Takahashi Yuta、Ichiji Kei、Sugita Norihiro、Kobayashi Natsuko、Kikuchi Saya、Kunii Yasuto、Murakami Keiko、Ishikuro Mami、Obara Taku、Nakamura Tomohiro、Nagami Fuji、Takai Takako、Ogishima Soichi、Tamiya Gen et al.
  • Journal Title: Frontiers in Psychiatry Volume: 12 Pages: 799029
  • DOI: 10.3389/fpsyt.2021.799029
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A patient with early-onset SMAX3 and a novel variant of ATP7A (2022)
  • Author(s): Shibuya M, Yaoita H, Kodama K, Okubo Y, Endo W, Inui T, Togashi N, Takayama J, Tamiya G, Kikuchi A, Kure S, Haginoya K.
  • Journal Title: Brain and Development Volume: 44 Pages: 63～67
  • DOI: 10.1016/j.braindev.2021.08.004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Body mass index and colorectal cancer risk: A Mendelian randomization study (2021)
  • Author(s): Suzuki S, Goto A, Nakatochi M, Narita A, Yamaji T, Sawada N, Katagiri R, Iwagami M, Hanyuda A, Hachiya T, Sutoh Y, Oze I, Koyanagi YN, Kasugai Y, Taniyama Y, Ito H, Ikezaki H, Nishida Y, Tamura T, Mikami H, Takezaki T, Suzuki S, Ozaki E, Kuriki K, Takashima N, Arisawa K, Takeuchi K, Tanno K, Shimizu A, Tamiya G, et al.
  • Journal Title: Cancer Science Volume: 112 Pages: 1579～1588
  • DOI: 10.1111/cas.14824
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Identification and Validation of Combination Plasma Biomarker of Afamin, Fibronectin and Sex Hormone-Binding Globulin to Predict Pre-eclampsia (2021)
  • Author(s): Uchida Y, Higuchi T, Shirota M, Kagami S, Saigusa D, Koshiba S, Yasuda J, Tamiya G, Kuriyama S, Kinoshita K, Yaegashi N, Yamamoto M, Terasaki T, J Sugawara.
  • Journal Title: Biological and Pharmaceutical Bulletin Volume: 44 Pages: 804～815
  • DOI: 10.1248/bpb.b20-01043
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] GWAS Identified IL4R and the Major Histocompatibility Complex Region as the Associated Loci of Total Serum IgE Levels in 9,260 Japanese Individuals (2021)
  • Author(s): Shido K, Kojima K, Shirota M, Yamasaki K, Motoike I N, Hozawa A, Ogishima S, Minegishi N, Tanno K, Katsuoka F, Tamiya G, Aiba S, Yamamoto M, Kinoshita K.
  • Journal Title: Journal of Investigative Dermatology Volume: 141 Pages: 2749～2752
  • DOI: 10.1016/j.jid.2021.02.762
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Japonica Array NEO with increased genome-wide coverage and abundant disease risk SNPs (2021)
  • Author(s): Sakurai-Yageta M, Kumada K, Gocho C, Makino S, Uruno A, Tadaka S, Motoike I N, Kimura M, Ito S, Otsuki A, Narita A, Kudo H, Aoki Y, Danjoh I, Yasuda J, Kawame H, Minegishi N, Koshiba S, Fuse N, Tamiya G, Yamamoto M, Kinoshita K.
  • Journal Title: The Journal of Biochemistry Volume: 170 Pages: 399～410
  • DOI: 10.1093/jb/mvab060
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Smooth-threshold multivariate genetic prediction incorporating gene-environment interactions (2021)
  • Author(s): Ueki M, Tamiya G
  • Journal Title: G3 Genes|Genomes|Genetics Volume: 11 Pages: －
  • DOI: 10.1093/g3journal/jkab278
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A cross-population atlas of genetic associations for 220 human phenotypes (2021)
  • Author(s): Sakaue S, Kanai M, Tanigawa Y, Karjalainen J, Kurki M, Koshiba S, Narita A, Konuma T, Yamamoto K, Akiyama M, Ishigaki K, Suzuki A, Suzuki K, Obara W, Yamaji K, Takahashi K, Asai S, Takahashi Y, Suzuki T, Shinozaki N, Yamaguchi H, Minami S, Murayama S, Yoshimori K, Nagayama S, Obata D, Higashiyama M, Masumoto A, et al.
  • Journal Title: Nature Genetics Volume: 53 Pages: 1415～1424
  • DOI: 10.1038/s41588-021-00931-x
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] dbTMM: an integrated database of large-scale cohort, genome and clinical data for the Tohoku Medical Megabank Project (2021)
  • Author(s): Ogishima S, Nagaie S, Mizuno S, Ishiwata R, Iida K, Shimokawa K, Takai-Igarashi T, Nakamura N, Nagase S, Nakamura T, Tsuchiya N, Nakaya N, Murakami K, Ueno F, Onuma T, Ishikuro M, Obara T, Mugikura S, Tomita H, Uruno A, Kobayashi T, Tsuboi A, Tadaka S, Katsuoka F, Narita A, Sakurai M, Makino S, Tamiya G, Aoki Y, et al.
  • Journal Title: Human Genome Variation Volume: 8 Pages: －
  • DOI: 10.1038/s41439-021-00175-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The power of genetic diversity in genome-wide association studies of lipids (2021)
  • Author(s): Graham SE, et al. (Tamiya G; 513th in 530 authors)
  • Journal Title: Nature Volume: 600 Pages: 675～679
  • DOI: 10.1038/s41586-021-04064-3
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 人工知能・機械学習によるゲノムリスク予測と疾患予防 (2022)
  • Author(s): 田宮 元
  • Organizer: 21世紀メディカルAIフォーラム
  • Invited
• [Presentation] 「Global×Localな医療課題解決を目指した最先端AI研究開発」人材育成教育拠点の形成 (2021)
  • Author(s): 田宮 元
  • Organizer: 第3回日本メディカルAI学会
• [Presentation] 東北メディカル・メガバンク機構におけるGWAS・バイオバンク解析の最近の発展 (2021)
  • Author(s): 田宮 元
  • Organizer: 日本オミックス医学会シンポジウム
  • Invited