深層学習による大規模ゲノムコホート解析

• 研究課題/領域番号: 16K08638
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 人類遺伝学
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 田宮 元 東北大学, 東北メディカル・メガバンク機構, 教授 (10317745)
• 研究分担者: 植木 優夫 国立研究開発法人理化学研究所, 革新知能統合研究センター, 研究員 (10515860)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2018年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2017年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2016年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
• キーワード: 遺伝統計学 / 人類遺伝学 / コホート研究 / 遺伝子×環境相互作用 / 深層学習 / ゲノム / 遺伝学 / 機械学習

研究成果の概要

大規模ゲノムコホート研究では、数万人の参加者について、健康診断結果や疾患アウトカム、各種の血液検査値や画像データ、時には、メタボロミクスやプロテオミクスまで含めて、数百から千を超える表現型形質データが計測される。これらの計測データの高次元性とその高度な相関構造は、遺伝子や環境、その相互作用の効果を統計的に検出する際の本質的障害である。そこで本研究では、人工知能の一種である深層学習の枠組みを用いて、この高次元データから柔軟に特徴抽出を行い、それを個々人の健康状態の指標（健康状態変数）として用いることで、この障害を解決し、これまで未知であった遺伝子や環境因子、その相互作用の効果を解明しつつある。

研究成果の学術的意義や社会的意義

現在、深層学習の研究は人工知能分野で活発に行われ、すでに多くのアルゴリズムが工夫され公開されている。本研究は、このような最先端の枠組みを遺伝学・ゲノム医学分野に応用して、大規模ゲノムコホートデータ解析の限界を克服し、より網羅的な遺伝統計学的分析手法を開発しているところが特色・独創的な点である。これにより、大規模ゲノムコホートデータを網羅的に用いた因子間相互作用解析手法が開発され、妥当な計算機資源で実行可能なソフトウェアとして整備される。このようなソフトウェアは、限られた研究施設でなくとも解析の実行を可能にし、大規模ゲノムコホート研究でのジレンマを打破するブレークスルーになると期待される。

研究成果

• [雑誌論文] The prevalence of GALM mutations that cause galactosemia: A database of functionally evaluated variants (2019)
  • 著者名/発表者名: Iwasawa Shinya、Kikuchi Atsuo、Wada Yoichi、Arai-Ichinoi Natsuko、Sakamoto Osamu、Tamiya Gen、Kure Shigeo
  • 雑誌名: Molecular Genetics and Metabolism 巻: 印刷中 号: 4 ページ: 362-367
  • DOI: 10.1016/j.ymgme.2019.01.018
  • 査読あり
• [雑誌論文] Estimating carrier frequencies of newborn screening disorders using a whole-genome reference panel of 3552 Japanese individuals (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi-Kabata, Y.,（途中略）,Koshiba, S., （途中略）, Tohoku Medical Megabank Project Study Group.（合計１9名、本研究者は５番目）
  • 雑誌名: Hum. Genet. 巻: 印刷中 号: 4 ページ: 389-409
  • DOI: 10.1007/s00439-019-01998-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Outlier detection for questionnaire data in biobanks (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakurai Rieko、Ueki Masao、Makino Satoshi、Hozawa Atsushi、Kuriyama Shinichi、Takai-Igarashi Takako、Kinoshita Kengo、Yamamoto Masayuki、Tamiya Gen
  • 雑誌名: International Journal of Epidemiology 巻: 印刷中 号: 4 ページ: 1305-1315
  • DOI: 10.1093/ije/dyz012
  • 査読あり
• [雑誌論文] Respiratory resistance among adults in a population-based cohort study in Northern Japan. (2019)
  • 著者名/発表者名: Miura E, Tsuchiya N, Igarashi Y, Arakawa R, Nikkuni E, Tamai T, Tabata M, Ohkouchi S, Irokawa T, Ogawa H, Takai-Igarashi T, Suzuki Y, Kuriyama S, Tamiya G, Hozawa A, Yamamoto M, Kurosawa H.
  • 雑誌名: Respiratory Investigation 巻: 印刷中 号: 3 ページ: 30226-0
  • DOI: 10.1016/j.resinv.2018.12.008
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth impairment in individuals with citrin deficiency (2019)
  • 著者名/発表者名: Numakura Chikahiko、Tamiya Gen、Ueki Masao、Okada Tomoo、Maisawa Shun-ichi、Kojima-Ishii Kanako、Murakami Jun、Horikawa Reiko、Tokuhara Daisuke、Ito Koichi、Adachi Masanori、Abiko Takahiro、Mitsui Tetsuo、Hayasaka Kiyoshi
  • 雑誌名: Journal of Inherited Metabolic Disease 巻: 42 号: 3 ページ: 501-508
  • DOI: 10.1002/jimd.12051
  • 査読あり
• [雑誌論文] Susceptibility Loci for Tanning Ability in the Japanese?Population Identified by a?Genome-Wide?Association Study from the Tohoku Medical Megabank Project Cohort Study (2019)
  • 著者名/発表者名: Shido Kosuke、Kojima Kaname、Yamasaki Kenshi、Hozawa Atsushi、Tamiya Gen、Ogishima Soichi、Minegishi Naoko、Kawai Yosuke、Tanno Kozo、Suzuki Yoichi、Nagasaki Masao、Aiba Setsuya
  • 雑誌名: Journal of Investigative Dermatology 巻: epub 号: 7 ページ: 1605-1608.e13
  • DOI: 10.1016/j.jid.2019.01.015
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Genome analyses for the Tohoku Medical Megabank Project towards establishment of personalized healthcare (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasuda Jun、Kinoshita Kengo、et al.,
  • 雑誌名: The Journal of Biochemistry 巻: 165 号: 2 ページ: 139
  • DOI: 10.1093/jb/mvy096
  • NAID: 40021809939
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Potential identification of vitamin B6 responsiveness in autism spectrum disorder utilizing phenotype variables and machine learning methods (2018)
  • 著者名/発表者名: Obara Taku、Ishikuro Mami、Kuriyama Shinichi、et al.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 号: 1 ページ: 14840-14840
  • DOI: 10.1038/s41598-018-33110-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Regional genetic differences among Japanese populations and performance of genotype imputation using whole-genome reference panel of the Tohoku Medical Megabank Project (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasuda Jun、et al.,
  • 雑誌名: BMC Genomics 巻: 19 号: 1 ページ: 551-551
  • DOI: 10.1186/s12864-018-4942-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ethylene-gibberellin signaling underlies adaptation of rice to periodic flooding (2018)
  • 著者名/発表者名: T Kuroha, K Nagai, R Gamuyao, D R Wang, T Furuta, M Nakamori, T Kitaoka, K Adachi, A Minami, Y Mori, K Mashiguchi, Y Seto, S Yamaguchi, M Kojima, H Sakakibara, J Wu, K Ebana, N Mitsuda, M Ohme-Takagi, S Yanagisawa, M Yamasaki, R Yokoyama, K Nishitani, T Mochizuki, G Tamiya, S R McCouch, and M Ashikari
  • 雑誌名: Science 巻: 361 号: 6398 ページ: 181-186
  • DOI: 10.1126/science.aat1577
  • NAID: 120006529624
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Female Japanese quail visually differentiate testosterone-dependent male attractiveness for mating preferences (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiyama Gen、Mizushima Shusei、Matsuzaki Mei、Tobari Yasuko、Choi Jae-Hoon、Ono Takashi、Tsudzuki Masaoki、Makino Satoshi、Tamiya Gen、Tsukahara Naoki、Sugita Shoei、Sasanami Tomohiro
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 号: 1 ページ: 10012-10012
  • DOI: 10.1038/s41598-018-28368-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Omics research project on prospective cohort studies from the Tohoku Medical Megabank Project (2018)
  • 著者名/発表者名: Koshiba, S., （途中略）, Yamamoto, M.（合計２１名、本研究者は１番目）
  • 雑誌名: Genes Cells 巻: 23 号: 6 ページ: 406
  • DOI: 10.1111/gtc.12588
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Evaluation of reported pathogenic variants and their frequencies in a Japanese population based on a whole-genome reference panel of 2049 individuals article (2018)
  • 著者名/発表者名: Y Yamaguchi-Kabata, J Yasuda, O Tanabe, Y Suzuki, H Kawame, N Fuse, M Nagasaki, Y Kawai, K Kojima, F Katsuoka, S Saito, I Danjoh, I Motoike, R Yamashita, S Koshiba, D Saigusa, G Tamiya, S Kure, N Yaegashi, Y Kawaguchi, F Nagami, S Kuriyama, J Sugawara, N Minegishi, A Hozawa, T Takai-Igarashi, K Kinoshita, M Yamamoto.
  • 雑誌名: Journal of Human Genetics. 巻: 63 号: 2 ページ: 213
  • DOI: 10.1038/s10038-017-0347-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Genome-wide meta-analysis in Japanese populations identifies novel variants at the TMC6-TMC8 and SIX3-SIX2 loci associated with HbA1c. (2017)
  • 著者名/発表者名: Hachiya T, Komaki S, Hasegawa Y, Ohmomo H, Tanno K, Hozawa A, Tamiya G, Yamamoto M, Ogasawara K, Nakamura M, Hitomi J, Ishigaki Y, Sasaki M, Shimizu A.
  • 雑誌名: Sci Rep. 巻: 7 号: 1 ページ: 16147-16147
  • DOI: 10.1038/s41598-017-16493-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Security controls in an integrated Biobank to protect privacy in data sharing: rationale and study design (2017)
  • 著者名/発表者名: Takai-Igarashi T, Kinoshita K, Nagasaki M, Ogishima S, Nakamura N, Nagase S, Nagaie S, Saito T, Nagami F, Minegishi N, Suzuki Y, Suzuki K, Hashizume H, Kuriyama S, Hozawa A, Yaegashi N, Kure S, Tamiya G, Kawaguchi Y, Tanaka H, Yamamoto M
  • 雑誌名: BMC Med Inform Decis Mak 巻: 17 号: 1 ページ: 100-100
  • DOI: 10.1186/s12911-017-0494-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Detecting genetic association through shortest paths in a bidirected graph (2017)
  • 著者名/発表者名: Ueki M, Kawasaki Y, Tamiya G
  • 雑誌名: Genetic Epidemiology 巻: 未定 号: 6 ページ: 481-497
  • DOI: 10.1002/gepi.22051
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] AI創薬に向けた複雑な疾患の遺伝統計学モデル (2017)
  • 著者名/発表者名: 高山 順, 田宮 元
  • 雑誌名: 日本化学会情報化学部会誌 巻: 35 号: 2 ページ: 158
  • DOI: 10.11546/cicsj.35.158
  • NAID: 130005866034
  • ISSN: 0913-3747, 1347-2283
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Detecting genetic association through shortest paths in a bi-directed graph. (2017)
  • 著者名/発表者名: Ueki M, Kawasaki Y, Tamiya G.
  • 雑誌名: Genet Epidemiol. 巻: 印刷中
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] The Tohoku Medical Megabank Project: Design and Mission (2016)
  • 著者名/発表者名: Kuriyama S, Yaegashi N, et al. (Tamiya G; 11th in 58 authors)
  • 雑誌名: Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｐｉｄｅｍｉｏｌｏｇｙ 巻: 26 号: 9 ページ: 493-511
  • DOI: 10.2188/jea.JE20150268
  • NAID: 130005409018
  • ISSN: 0917-5040, 1349-9092
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Smooth-threshold multivariate genetic prediction with unbiased model selection (2016)
  • 著者名/発表者名: Ueki M, Tamiya G
  • 雑誌名: Genetic Epidemiology 巻: 40 号: 3 ページ: 233-243
  • DOI: 10.1002/gepi.21958
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] ゲノムコホートのビッグデータ解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 田宮元
  • 雑誌名: 医学のあゆみ 巻: 259 ページ: 745-748
• [学会発表] 人工知能・機械学習手法による大規模ゲノムコホート解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田宮 元
  • 学会等名: 第1回日本メディカルAI学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] RNF213の遺伝統計解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田宮 元
  • 学会等名: 日本脳神経外科学会 第77回学術総会
  • 招待講演
• [学会発表] 全ゲノム配列情報を用いた疾患発症予測に向けて (2018)
  • 著者名/発表者名: 植木 優夫
  • 学会等名: 科研費研究集会「予測モデリングとその周辺-機械学習・統計科学・情報理論からのアプローチ-」
• [学会発表] ジャポニカアレイの遺伝統計解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田宮 元
  • 学会等名: 第3回ジャポニカアレイ研究会
  • 招待講演
• [学会発表] ゲノムデータ解析の理論と実践 (2018)
  • 著者名/発表者名: 植木 優夫
  • 学会等名: リスク解析戦略研究センターシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 人工知能技術によるゲノムコホート研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田宮 元
  • 学会等名: 第225回日本小児科学会宮城地方会
  • 招待講演
• [学会発表] Detecting genetic association through shortest paths in a bidirected graph (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Ueki, Y. Kawasaki, G. Tamiya
  • 学会等名: International Workshop at Waseda University 2018 (IWAWU2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 双方向グラフ上の最短経路を利用した遺伝関連解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 植木優夫、川崎能典、田宮 元
  • 学会等名: 科研費研究集会・「生命・自然科学における複雑現象解明のための統計的アプローチ」
• [学会発表] ゲノムコホートの遺伝統計学 (2017)
  • 著者名/発表者名: 田宮元
  • 学会等名: 科研費（基盤S）シンポジウム ＆ 統数研生物統計ネットワークシンポジウム（第8回）
  • 発表場所: アクロス福岡（福岡県・福岡市）
  • 年月日: 2017-03-27
  • 招待講演
• [学会発表] Rapid and accurate genetic predictive modeling for large-scale genetic study. (2017)
  • 著者名/発表者名: Ueki M.
  • 学会等名: ISI-ISM-ISSAS Joint Conference
  • 発表場所: Delhi (India)
  • 年月日: 2017-02-19
  • 国際学会
• [学会発表] Rapid and accurate genetic predictive modelling for large-scale genetic study (2017)
  • 著者名/発表者名: Masao Ueki
  • 学会等名: IASSL 3rd INTERNATIONAL CONFERENCE
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 東北メディカル・メガバンク機構の大規模ゲノムデータの紹介 (2017)
  • 著者名/発表者名: 田宮 元
  • 学会等名: 2017年度生命科学系学会合同年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] Detecting genetic association through shortest paths in a bidirected graph (2017)
  • 著者名/発表者名: Masao Ueki
  • 学会等名: ISI-ISM-ISSAS Joint Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Machine Learning / Artificial Intelligence Based Methods for Genomic Cohort (2017)
  • 著者名/発表者名: Gen Tamiya
  • 学会等名: 2nd Karolinska-Tohoku Joint Symposium on Medical Sciences
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ジャポニカアレイを用いた東北メディカル・メガバンク機構大規模ゲノムコホートの解析について (2017)
  • 著者名/発表者名: 田宮 元
  • 学会等名: 第2回ジャポニカアレイ研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Genetic Epidemiological Studies of the ToMMo Genomic Cohorts (2017)
  • 著者名/発表者名: Gen Tamiya
  • 学会等名: 第21回国際疫学会総会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Detecting genetic association through shortest paths in a bidirected graph (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Ueki, Y. Kawasaki, G. Tamiya
  • 学会等名: IFCS2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ゲノム医療におけるリスク予測へ向けて (2017)
  • 著者名/発表者名: 田宮 元
  • 学会等名: NGS現場の会第五回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Smooth-threshold multivariate genetic prediction with unbiased model selection. (2016)
  • 著者名/発表者名: Ueki M, Tamiya G.
  • 学会等名: Annual Meeting of the American Society for Human Genetics
  • 発表場所: Vancouver (Canada)
  • 年月日: 2016-10-18
  • 国際学会
• [学会発表] Smooth-threshold multivariate genetic prediction with unbiased model selection (2016)
  • 著者名/発表者名: Ueki M, Tamiya G.
  • 学会等名: 2016 International Conference for JSCS 30th Anniversary in Seattle
  • 発表場所: Seattle (USA)
  • 年月日: 2016-10-16
  • 国際学会
• [学会発表] 大規模ゲノムコホートの遺伝統計学 (2016)
  • 著者名/発表者名: 田宮元
  • 学会等名: 第5回生命医薬情報学連合大会（IIBMP 2016）
  • 発表場所: 東京国際交流館プラザ平成（東京都・江東区）
• [図書] ゲノムデータ解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 冨田誠, 植木優夫
  • 総ページ数: 116
  • 出版者: 共立出版
• [備考] リスク統計解析室
  • URL: http://www.genetix-h.com/~AMERI/
• [備考] リスク統計解析室
  • URL: http://www.genetix-h.com/~AMERI/index.html