文字列統計量を用いたベイズ推定によるインフルエンザウイルスの抗原変異予測

• 研究課題/領域番号: 16H02863
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 知能情報学
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 伊藤 公人 北海道大学, 人獣共通感染症リサーチセンター, 教授 (60396314)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 11,310千円 (直接経費: 8,700千円、間接経費: 2,610千円); 2018年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円); 2017年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円); 2016年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
• キーワード: インフルエンザウイルス / 抗原変異 / データ同化 / 粒子フィルタ / インフルエンザ / 変異予測 / 抗原変異予測 / 文字列統計量 / ベイズ推定 / 文字列推定量

研究成果の概要

感染症流行モデルにQuasi-species理論を導入し，ウイルスの塩基配列，感染者数，人の集団免疫の時間変化を表す数理モデルを提案した。粒子フィルタを用いて提案モデルにH1N1亜型のインフルエンザウイルスの塩基配列と感染者数の観測データをあてはめ，ウイルスの変異と流行規模を予測する手法を開発した。100,000粒子を用いて１カ月ごとにデータ同化を行い，6カ月後のウイルスのヘマグルチニン分子上のアミノ酸置換を予測した。その結果，本手法により，6カ月後のアミノ酸置換を，適合率79%，再現率53%で予測できることを明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

インフルエンザの予防にはワクチン接種が有効であるが，人の免疫圧による選択淘汰を受けてウイルスの遺伝子が変異し続けるため， ワクチン株を頻繁に更新しなければならない。そこで，本研究では，ワクチン株を先回りして準備するために，感染症数理疫学と集団遺伝学を融合し，ウイルスの遺伝子配列の文字列統計量から，感染症流行モデルのパラメータを推定する手法を開発し，その予測精度を明らかにした。本手法は 6カ月後のアミノ酸置換を，適合率79%，再現率53%で予測できることが明らかになり，今後のワクチン政策への応用が期待される。

研究成果

• [国際共同研究] Icahn School of Medicine at Mount Sinai(米国)
• [雑誌論文] Influenza Virus Infection Induces a Narrow Antibody Response in Children but a Broad Recall Response in Adults (2020)
  • 著者名/発表者名: Meade Philip、Kuan Guillermina、Strohmeier Shirin、Maier Hannah E.、Amanat Fatima、Balmaseda Angel、Ito Kimihito、Kirkpatrick Ericka、Javier Andres、Gresh Lionel、Nachbagauer Raffael、Gordon Aubree、Krammer Florian
  • 雑誌名: mBio 巻: 11 号: 1
  • DOI: 10.1128/mbio.03243-19
• [雑誌論文] Fowl Adenovirus (FAdV) Recombination with Intertypic Crossovers in Genomes of FAdV-D and FAdV-E, Displaying Hybrid Serological Phenotypes (2019)
  • 著者名/発表者名: Schachner Anna、Gonzalez Gabriel、Endler Lukas、Ito Kimihito、Hess Michael
  • 雑誌名: Viruses 巻: 11 号: 12 ページ: 1094-1094
  • DOI: 10.3390/v11121094
• [雑誌論文] Estimating Transmission Potential of H5N1 Viruses Among Humans in Egypt Using Phylogeny, Genetic Distance and Sampling Time Interval (2019)
  • 著者名/発表者名: Mohamed Wessam、Ito Kimihito、Omori Ryosuke
  • 雑誌名: Frontiers in Microbiology 巻: 10 ページ: 2765-2765
  • DOI: 10.3389/fmicb.2019.02765
• [雑誌論文] 季節性インフルエンザの流行予測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 渡邉真治，伊藤公人，佐藤裕徳
  • 雑誌名: インフルエンザ 巻: 20 ページ: 205-210
• [雑誌論文] Inferring epidemiological dynamics of infectious diseases using Tajima's D statistic on nucleotide sequences of pathogens (2017)
  • 著者名/発表者名: Kim Kiyeon、Omori Ryosuke、Ito Kimihito
  • 雑誌名: Epidemics 巻: 21 ページ: 21-29
  • DOI: 10.1016/j.epidem.2017.04.004
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Identification of the same polyomavirus species in different African horseshoe bat species is indicative of short-range host-switching events (2017)
  • 著者名/発表者名: Carr M, Gonzalez G, Sasaki M, Dool SE, Ito K, Ishii A, Hang'ombe BM, Mweene AS, Teeling EC, Hall WW, Orba Y, Sawa H
  • 雑誌名: Journal of General Virology 巻: 98 号: 11 ページ: 2771-2785
  • DOI: 10.1099/jgv.0.000935
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Discovery of African bat polyomaviruses and infrequent recombination in the large T antigen in the Polyomaviridae. (2017)
  • 著者名/発表者名: Carr M, Gonzalez G, Sasaki M, Ito K, Ishii A, Hangombe BM, Mweene AS, Orba Y, Sawa H
  • 雑誌名: Journal of General Virology 巻: 98(4) 号: 4 ページ: 726-738
  • DOI: 10.1099/jgv.0.000737
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular dynamics simulation of the influenza A(H3N2) hemagglutinin trimer reveals the structural basis for adaptive evolution of the recent epidemic clade 3C.2a (2017)
  • 著者名/発表者名: Yokoyama M, Fujisaki S, Shirakura M, Watanabe S, Odagiri T, Ito K, Sato H
  • 雑誌名: Frontiers in Microbiology 巻: 8 ページ: 584-584
  • DOI: 10.3389/fmicb.2017.00584
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Defining the antibody cross-reactome against the influenza virus surface glycoproteins (2017)
  • 著者名/発表者名: Nachbagauer R, Choi A, Hirsh A, Margine I, Iida S, Barrera A, Ferres M, Albrecht RA, Garcia-Sastre A, Bouvier NM, Ito K, Medina RA, Palese P, Krammer F
  • 雑誌名: Nature Immunol 巻: [Epub ahead of print] 号: 4 ページ: 464-473
  • DOI: 10.1038/ni.3684
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] An optimistic protein assembly from sequence reads salvaged an uncharacterized segment of mouse picobirnavirus. (2017)
  • 著者名/発表者名: Gonzalez G, Sasaki M, Kamiya T, Burkitt-Gray L, Tsuji NM, Sawa H, Ito K.
  • 雑誌名: Sci Rep. 巻: 7 号: 1 ページ: 40447-40447
  • DOI: 10.1038/srep40447
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Isolation of a simian immunodeficiency virus from a malbrouck (Chlorocebus cynosuros). (2016)
  • 著者名/発表者名: Carr M, Kawaguchi A, Sasaki M, Gonzalez G, Ito K, Thomas Y, Hang'ombe BM, Mweene AS, Zhao G, Wang D, Orba Y, Ishii A, Sawa H.
  • 雑誌名: Arch Virol. 巻: 162 号: 2 ページ: 543-548
  • DOI: 10.1007/s00705-016-3129-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Tracking the evolution of polymerase genes of influenza A viruses during interspecies transmission between avian and swine hosts (2016)
  • 著者名/発表者名: Karnbunchob N, Omori R, Tessmer H, Ito K
  • 雑誌名: Front Microbiol 巻: 7 ページ: 2118-2118
  • DOI: 10.3389/fmicb.2016.02118
  • NAID: 120005955478
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Estimating the Lineage Dynamics of Human Influenza B Viruses (2016)
  • 著者名/発表者名: Mayumbo Nyirenda, Ryosuke Omori, Heidi L. Tessmer, Hiroki Arimura, Kimihito Ito
  • 雑誌名: PLoS ONE 巻: 11(11) 号: 11 ページ: e0166107-e0166107
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0166107
  • NAID: 120005946864
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Multi-reassortant G3P[3] group A rotavirus in a horseshoe bat in Zambia. (2016)
  • 著者名/発表者名: Sasaki M, Orba Y, Sasaki S, Gonzalez G, Ishii A, Hang'ombe BM, Mweene AS, Ito K, Sawa H.
  • 雑誌名: J Gen Virol. 巻: 97 号: 10 ページ: 2488-2493
  • DOI: 10.1099/jgv.0.000591
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Divergent bufavirus harboured in megabats represents a new lineage of parvoviruses (2016)
  • 著者名/発表者名: Sasaki M, Gonzalez G, Wada Y, Setiyono A, Handharyani E, Rahmadani I, Taha S, Adiani S, Latief M, Kholilullah ZA, Subangkit M, Kobayashi S, Nakamura I, Kimura T, Orba Y, Ito K, Sawa H
  • 雑誌名: Sci Rep 巻: 6 号: 1 ページ: 24257-24257
  • DOI: 10.1038/srep24257
  • NAID: 120005906794
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Inferring epidemiological dynamics of infectious diseases using Tajima's D statistic on nucleotide sequences of pathogens (2017)
  • 著者名/発表者名: Ito Kimihito、Kim Kiyeon、Omori Ryosuke
  • 学会等名: Epidemics6 - International Conference on Infectious Disease Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] 病原体の集団遺伝学と感染症の数理疫学の融合 (2017)
  • 著者名/発表者名: 伊藤公人
  • 学会等名: 第90回日本細菌学会総会
  • 発表場所: 仙台国際センター，仙台
  • 招待講演
• [学会発表] バイオインフォマティクスによるインフルエンザウイルス研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 伊藤公人
  • 学会等名: 新興・再興感染症制御プロジェクト 新興再興事業・J-GRID合同シンポジウム 『感染症研究連携のフロンティア』
  • 発表場所: 国立感染症研究所，東京
• [学会発表] インフルエンザウイルスの集団遺伝学 (2016)
  • 著者名/発表者名: 伊藤公人
  • 学会等名: ゲノム多様性解析ワークショップ
  • 発表場所: 北海道大学学術交流会館，札幌
  • 年月日: 2016-12-05
• [学会発表] Predicting antigenic changes of influenza viruses through data assimilation (2016)
  • 著者名/発表者名: Kimihito Ito
  • 学会等名: Innovative Mathematical Modeling for the Analysis of Infectious Disease Data
  • 発表場所: 神戸大学瀧川記念学術交流会館，神戸
  • 年月日: 2016-10-11
  • 国際学会
• [学会発表] Prediction using evolutionary statistics of influenza A viruses (2016)
  • 著者名/発表者名: Kimihito Ito
  • 学会等名: Modelling Influenza Conference
  • 発表場所: Princeton University, Princeton, USA
  • 年月日: 2016-07-06
  • 国際学会