立体構造情報に基づいた網羅的タンパク質間相互作用予測システムの開発

• 研究課題/領域番号: 11J08750
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 生体生命情報学
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 大上 雅史 東京工業大学, 大学院情報理工学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2011 – 2013
• 研究課題ステータス: 完了 (2013年度)
• 配分額: 1,900千円 (直接経費: 1,900千円); 2013年度: 600千円 (直接経費: 600千円); 2012年度: 600千円 (直接経費: 600千円); 2011年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
• キーワード: バイオインフォマティクス / タンパク質間相互作用予測 / タンパク質ドッキング / アポトーシス / ハイパフォーマンスコンピューティング / タンパク質立体構造 / バイオインフォティクス / タンパク質間相互作用 / 構造アンサンブル / タンパク質-RNA間相互作用

研究概要

タンパク質の生体内相互作用ネットワークは, 病因の理解や創薬ターゲット決定に重要であるが, 大規模ネットワークを実験的に導くことは多大なコストを要するため, 計算機によって大規模なネットワークを予測する技術が求められている. 本研究は公共データベースに登録されたタンパク質の立体構造情報を利用して, 複合体形成を擬似的に行うタンパク質ドッキング計算によってタンパク質の相互作用の有無を高速に予測することを目標としており, 本年度は提案した新規手法の大規模並列実装や, GPUアクセラレータ上での実装による大幅な高速化を行った. 「京」やTSUBAMEといった超並列計算機を効率的に利用するための, MPIとOpenMPライブラリを併用したハイブリッド並列化や, タンパク質の前処理や回転計算をGPU上で計算させることでCPU-GPU間のデータ転送コストの削減などを行い, 東工大TSUBAME2.5システム400ノードの計算機環境において, 100万件規模のタンパク質間相互作用予測計算をおよそ1日で完了できるようになった.
さらに, 当該予測システムは単体の複合体構造情報のみを用いるものであるが, 既存の複合体構造情報を併用することで精度, 特に選択度を向上させることのできる手法を提案した. これらはヒトアポトーシスパスウェイ中のタンパク質群(57種)に適用し, 未知の相互作用の検出を試みた. 提案手法によって検出された未知の相互作用の例としてカスパーゼ-3とカスパーゼ-7という2つのタンパク質の相互作用を挙げ, 予測された複合体構造などに基づいて検証を行った.

今後の研究の推進方策

(抄録なし)

研究成果

• [雑誌論文] MEGADOCK : An all-to-all protein-protein interaction prediction system using tertiary structure data (2014)
  • 著者名/発表者名: Masahito Ohue, Yuri Matsuzaki, Nobuyuki Uchikoga, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • 雑誌名: Protein and Peptide Letters 巻: (印刷中)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Protein-protein interaction network prediction by using rigid-body docking tools : apphcation to bacterial chemotaxis (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuri Matsuzaki, Masahito Ohue, Nobuyuki Uchikoga, Yutaka Akiyama
  • 雑誌名: Protein and Peptide Letters 巻: (印刷中)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Re-docking scheme for generating near-native protein complexes by assembling residue interaction fingerprints (2013)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Uchikoga, Yuri Matsuzaki, Masahito Ohue, Takatsugu Hirokawa, Yutaka Akiyama
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 8 号: 7 ページ: e69365-e69365
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0069365
  • 査読あり
• [雑誌論文] 配列情報に基づくタンパク質間相互作用予測の構造情報付加による高精度化 (2013)
  • 著者名/発表者名: 中嶋悠介, 大上雅史, 越野亮
  • 雑誌名: FIT2013 第12回情報科学技術フォーラム講演論文集 巻: 第二分冊 ページ: 63-68
  • 査読あり
• [雑誌論文] MEGADOCK 3.0 : A high-performance protein-protein interaction prediction software using hybrid parallel computing for petascale supercomputing emvironmnts (2013)
  • 著者名/発表者名: Yuri Matsuzaki, Nobuyuki Uchikoga, Masahito Ohue, Takehiro Shimoda, Tbshiyuki Sato, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • 雑誌名: Source Code for Biology and Medicine 巻: 8 号: 1 ページ: 18-18
  • DOI: 10.1186/1751-0473-8-18
  • 査読あり
• [雑誌論文] Highly Precise Protein-Protein Interaction Prediction Based on Consens us Between Template-Based and de Novo Docking Methods (2013)
  • 著者名/発表者名: Masahito Ohue, Yuri Matsuzaki, Takehiro Shimoda, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • 雑誌名: BMC Proceedings 巻: 7 号: S7
  • DOI: 10.1186/1753-6561-7-s7-s6
  • 査読あり
• [雑誌論文] MEGADOCK-GPU : Acceleration of Protein-Protein Docking Calculation on GPUs (2013)
  • 著者名/発表者名: Takehiro Shimoda, Takashi lshida, Shuji Suzuki, Masahito Ohue, Yutaka Akiyama
  • 雑誌名: Proceedings of the ACM Conference on Bioinformatics, Computational Biology and Biomedicine 2013 (ACM-BCB 2013) ページ: 884-890
  • DOI: 10.1145/2506583.2506693
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improvement of the Protein-Protein Docking Prediction by Introducing a Simple Hydrophobic Interaction Model: an Application to Interaction Pathway Analysis, (2012)
  • 著者名/発表者名: Masahito Ohue, Yuri Matsuzaki, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • 雑誌名: Lecture Notes in Computer Science 巻: 7632 ページ: 178-187
  • DOI: 10.1007/978-3-642-34123-6_16
  • ISBN: 9783642341229, 9783642341236
  • 査読あり
• [雑誌論文] Community-Wide Assessment of Protein-Interface Modeling Suggests Improvements to Design Methodology (2011)
  • 著者名/発表者名: Fleishman SJ, 他(研究代表者含む,全96人)
  • 雑誌名: Journal of Molecular Biology 巻: 414 号: 2 ページ: 289-302
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2011.09.031
  • 査読あり
• [雑誌論文] Docking-calculation-based Method for Predicting Protein-RNA Interactions (2011)
  • 著者名/発表者名: Ohue M, Matsuzaki Y, Akiyama Y
  • 雑誌名: Genome Informatics 巻: 25 ページ: 25-39
  • 査読あり
• [学会発表] MEGADOCK 4.0 : mega-dock per dayへの道のり (2014)
  • 著者名/発表者名: 大上雅史, 下田雄大, 松崎由理, 内古閑伸之, 鈴木脩司, 石田貴士, 秋山泰
  • 学会等名: 生命情報科学若手の会 第5回研究会
  • 発表場所: 東京大学検見川セミナーハウス(千葉県)
  • 年月日: 2014-02-17
• [学会発表] Highly precise protein-protein interaction prediction by integrating template-based and template-free protein docking (2013)
  • 著者名/発表者名: Masahito Ohue, Yuri Matsuzaki, Takehiro Shimoda, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • 学会等名: The 2013 Annual Conference of the Japanese Society for Bioinformatics (JSBi2013)
  • 発表場所: タワーホール船堀(東京都)
  • 年月日: 2013-10-29
• [学会発表] Structure based protein-protein interaction network prediction of EGFR signaling related proteins using MEGADOCK (2013)
  • 著者名/発表者名: Yuri Matsuzaki, Masahito Ohue, Nobuyuki Uchikoga, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • 学会等名: 2nd IIT Madras - Tokyo Tech Joint Symposium on Techniques and Applications of Bioinformatics
  • 発表場所: インド, チェンナイ
  • 年月日: 2013-09-27
• [学会発表] Re-docking scheme of protein-protein interactions for generating near-native interaction patterns in difficult docking cases (2013)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Uchikoga, Yuri Matsuzaki, Masahito Ohue, Takatsugu Hirokawa, Yutaka Akiyama
  • 学会等名: 2nd IIT Madras - Tokyo Tech Joint Symposium on Techniques and Applications of Bioinformatics
  • 発表場所: インド, チェンナイ
  • 年月日: 2013-09-27
• [学会発表] The MEGADOCK project : Ultra-high-performance protein-protein interaction prediction tools on supercomputing environments (2013)
  • 著者名/発表者名: Takehiro Shimoda, Masahito Ohue, Yuri Matsuzaki, Takayuki Fujiwara, Nobuyuki Uchikoga, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • 学会等名: ACM Conference on Bioinformatics, Computatioal Biology and Biomedical Informatics (ACM-BCB2013)
  • 発表場所: 米国, ベセスダ
  • 年月日: 2013-09-23
• [学会発表] Improvement of protein-protein interaction prediction by integrating template-based and template-free protein docking (2013)
  • 著者名/発表者名: Masahito Ohue, Yuri Matsuzaki, Takehiro Shimoda, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • 学会等名: ACM Conference on Bioinformatics, Computatioal Biology and Biomedical Informatics (ACM-BCB2013)
  • 発表場所: 米国, ベセスダ
  • 年月日: 2013-09-23
• [学会発表] Highly Precise Protein-Protein Interaction Prediction Based on Consensus Between Template-Based and de Novo Docking Methods (2013)
  • 著者名/発表者名: Masahito Ohue, Yuri Matsuzaki, Takehiro Shimoda, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • 学会等名: Great Lakes Bioinformatics Conference 2013 (GLBIO2013)
  • 発表場所: 米国, ピッツバーグ
  • 年月日: 2013-05-15
• [学会発表] Protein-protein interaction prediction based on rigid-body docking with ultra-high-performance computing technique : applications to affinity prediction on CAPRI round 21 and interactome analyses (2013)
  • 著者名/発表者名: Masahito Ohue, Yuri Matsuzaki, Nobuyuki Uchikoga, Kohei Yamamoto, Takayuki Fujiwara, Takehiro Shimoda, Toshiyuki Sato, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • 学会等名: CAPRI 2013 5th Evaluation Meeting
  • 発表場所: オランダ, ユトレヒト
  • 年月日: 2013-04-17
• [学会発表] MEGADOCK 3.0 : 超並列タンパク質間相互作用予測システム (2013)
  • 著者名/発表者名: 大上雅史, 松崎由理, 内古閑伸之, 山本航平, 下田雄大, 藤原隆之, 石田貴士, 秋山泰
  • 学会等名: 生命情報科学若手の会4回研究会
  • 発表場所: 基礎生物学研究所, 岡崎市, 愛知県
  • 年月日: 2013-03-01
• [学会発表] MEGADOCK : 大規模タンパク質間相互作用予測システムとその応用 (2013)
  • 著者名/発表者名: 大上雅史, 松崎由理, 石田貴士, 秋山泰
  • 学会等名: 2013年ハイパフォーマンスコンピューティングと計算科学シンポジウム(HPCS2013)
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス, 東京都
  • 年月日: 2013-01-15
• [学会発表] MEGADOCK : a High-speed Protein-protein Interaction Prediction System by All-to-all Physical Docking (2012)
  • 著者名/発表者名: Masahito Ohue, Yuri Matsuzaki, Nobuyuki Uchikoga, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • 学会等名: ISCB-Asia/SCCG 2012
  • 発表場所: 深セン, 中国
  • 年月日: 2012-12-17
• [学会発表] Application of exhaustive protein-protein interaction prediction system by using protein docking to signal transduction pathways (2012)
  • 著者名/発表者名: Yuri Matsuzaki, Masahito Ohue, Nobuyuki Uchikoga, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • 学会等名: ISCB-Asia/SCCG 2012
  • 発表場所: 深セン, 中国
  • 年月日: 2012-12-17
• [学会発表] MEGADOCKを用いたタンパク質間相互作用予測のヒトアポトーシスパスウェイ解析への応用 (2012)
  • 著者名/発表者名: 大上雅史, 松崎由理, 石田貴士, 秋山泰
  • 学会等名: 情報処理学会第32回バイオ情報学研究会
  • 発表場所: 京都大学桂キャンパス, 京都府
  • 年月日: 2012-12-06
• [学会発表] 構造情報に基づくタンパク質間相互作用ネットワーク予測精度の改善 (2012)
  • 著者名/発表者名: 山本航平, 大上雅史, 石田貴士, 秋山泰
  • 学会等名: 情報処理学会第32回バイオ情報学研究会
  • 発表場所: 京都大学桂キャンパス, 京都
  • 年月日: 2012-12-06
• [学会発表] Improvement of the Protein-Protein Docking Prediction by Introducing a Simple Hydrophobic Interaction Model : an Application to Interaction Pathway Analysis (2012)
  • 著者名/発表者名: Masahito Ohue, Yuri Matsuzaki, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • 学会等名: The 7th IAPR International Conference on Pattern Recognition in Bioinformatics (PRIB2012)
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス, 東京都
  • 年月日: 2012-11-08
• [学会発表] MEGADOCK : A rapid screening system of protein-protein interactions with all-to-all physical docking (2012)
  • 著者名/発表者名: Masahito Ohue, Yuri Matsuzaki, Nobuyuki Uchikoga, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • 学会等名: 20th Annual International Conference Oil Intelligent Systems for Molecular Biology (ISMB2012)
  • 発表場所: ロングビーチ, カリフォルニア州, アメリカ
  • 年月日: 2012-07-19
• [学会発表] Application of exhaustive protein-protein interaction prediction system by using protein docking to signal transduction pathways (2012)
  • 著者名/発表者名: Yuri Matsuzaki, Masahito Ohue, Nobuyuki Uchikoga, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • 学会等名: 20th Annual International Conference on Intelligent Systems for Molecular Biology (ISMB2012)
  • 発表場所: ロングビーチ, カリフォルニア州, アメリカ
  • 年月日: 2012-07-19
• [学会発表] MEGADOCK : A Rapid Screening System of Protein-Protein Interactions by Exhaustive Docking (2012)
  • 著者名/発表者名: Masahito Ohue, Yuri Matsuzaki, Nobuyuki Uchikoga, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • 学会等名: 3DSIG : The 8th structural bioinformatics and computational biophysics meeting
  • 発表場所: ロングビーチ, カリフォルニア州, アメリカ
  • 年月日: 2012-07-17
• [学会発表] Application of Exhaustive Protein- Protein Interaction Prediction System by Using Protein Docking to Signal Transduction Pathways (2012)
  • 著者名/発表者名: Yuri Matsuzaki, Nobuyuki Uchikoga, Masahito Ohue, Yutaka Akiyama
  • 学会等名: 3DSIG : The 8th structural bioinformatics and computational biophysics meeting
  • 発表場所: ロングビーチ, カリフォルニア州, アメリカ
  • 年月日: 2012-07-17
• [学会発表] 簡易疎水性相互作用モデルによるタンパク質間ドッキング予測の高制度化 (2012)
  • 著者名/発表者名: 大上雅史, 石田貴士, 秋山泰
  • 学会等名: 情報処理学会第29回バイオ情報学研究会
  • 発表場所: 琉球大学, 沖縄県
  • 年月日: 2012-06-29
• [学会発表] Protein Complex Structure Prediction with Normal Mode Ensemble and Physical Docking (2012)
  • 著者名/発表者名: Ohue M, Matsuzaki Y, Uchikoga N, Ishida T, Akiyama Y
  • 学会等名: Bioinformatics week in Odaiba 2011
  • 発表場所: 産総研臨海副都心センター,東京都
  • 年月日: 2012-01-24
• [学会発表] Bound state structure estimation of protein-protein complex using rigid-body protein-protein docking method (2012)
  • 著者名/発表者名: Ohue M, Matsuzaki Y, Uchikoga N, Ishida T, Akiyama Y
  • 学会等名: The 10th Asia-Pacific Bioinformatics Conference
  • 発表場所: リッジズホテル,メルボルン,オーストラリア
  • 年月日: 2012-01-18
• [学会発表] Binding Conformation Prediction of a Protein Complex Using Physical Docking (2011)
  • 著者名/発表者名: Ohue M, Matsuzaki Y, Uchikoga N, Ishida T, Akiyama Y
  • 学会等名: GCOE Compview Final Symposium (Preliminary event of ISAAC 2011)
  • 発表場所: ワークピア横浜,神奈川県
  • 年月日: 2011-12-05
• [学会発表] MEGADOCK:構造情報からの相互作用ネットワーク予測 (2011)
  • 著者名/発表者名: 大上雅史, 山本航平, 松崎由理, 内古賀伸之, 石田貴士, 秋山泰
  • 学会等名: 生命情報科学若手の会第3回研究会
  • 発表場所: 基礎生物学研究所,愛知県
  • 年月日: 2011-10-15
• [学会発表] 相互作用プロファイルを用いたタンパク質間ドッキングの代表相互作用の探索 (2011)
  • 著者名/発表者名: 内古閑伸之, 松崎由理, 大上雅史, 広川貴次, 秋山泰
  • 学会等名: 第49回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 兵庫県立大学姫路書写キャンパス,兵庫県
  • 年月日: 2011-09-16
• [学会発表] MEGADOCK : a Fast Protein-protein Interaction Prediction System by Exhaustive Docking (2011)
  • 著者名/発表者名: Matsuzaki Y, Ohue M, Uchikoga N, Ishida T, Akiyama Y
  • 学会等名: 12th International Conference on Systems Biology
  • 発表場所: ローゼンカーテン会議場,ハイデルベルグ,ドイツ
  • 年月日: 2011-09-01
• [学会発表] MEGADOCK : An all-to-all protein-protein interaction prediction system based on tertiary structures information (2011)
  • 著者名/発表者名: Ohue M
  • 学会等名: IIT Madras-Tokyo Tech Joint Workshop on Bioinformatics and Large Scale Data Analysis
  • 発表場所: インド工科大学マドラス校,チェンナイ,インド(招待講演)
  • 年月日: 2011-07-15
• [学会発表] ドッキング計算に基づく網羅的タンパク質-RNA間相互作用予測 (2011)
  • 著者名/発表者名: 大上雅史, 松崎由理, 内古閑伸之, 石田貴士, 秋山泰
  • 学会等名: 情報処理学会第25回バイオ情報学研究会
  • 発表場所: 琉球大学,沖縄県
  • 年月日: 2011-06-24
• [学会発表] タンパク質間相互作用予測における可視化手法の開発および予測精度の改善 (2011)
  • 著者名/発表者名: 山本航平, 大上雅史, 内古閑伸之, 松崎由理, 石田貴士, 秋山泰
  • 学会等名: 情報処理学会第25回バイオ情報学研究会
  • 発表場所: 琉球大学,沖縄県
  • 年月日: 2011-06-24
• [学会発表] MEGADOCK : A fast protein-protein interaction prediction system by exhaustive docking (2011)
  • 著者名/発表者名: Matsuzaki Y, Ohue M, Uchikoga N, Ishida T, Akiyama Y
  • 学会等名: The 9th International Workshop on Advanced Genomics
  • 発表場所: 一橋記念講堂,東京都
  • 年月日: 2011-06-13
• [備考]
  • URL: http://www.bi.cs.titech.ac.jp/~ohue/
• [備考]
  • URL: http://www.bi.cs.titech.ac.jp
• [備考]
  • URL: http://www.bi.cs.titech.ac.jp