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ゲノム構造大域的遷移の数理的解明

研究課題

研究課題/領域番号 17K15050
研究種目

若手研究(B)

配分区分基金
研究分野 システムゲノム科学
研究機関高知大学 (2023)
東京大学 (2018-2022)
広島大学 (2017)

研究代表者

菅原 武志  高知大学, データサイエンスセンター, 特任講師 (60713005)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2020年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2019年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
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)
キーワードゲノム構造変化 / 数理モデル / データ駆動 / ゲノム構造 / 数理モデリング / シミュレーション / クロマチン動態 / 染色体構造 / モデリング / 準安定構造 / 3Dゲノム地形 / 核内染色体構造 / データ駆動型数理モデリング / 細胞周期・細胞分化
研究成果の概要

本計画では、細胞集団Hi-Cデータを用いたデータ駆動型モデリング手法でゲノム構造地形を定量化し、細胞周期や細胞分化に伴うゲノム構造変化を統一的に記述することを目指していた。しかし、サンプリングの困難さから手法の方向性を見直した。新たに提案する手法は、単一細胞Hi-Cデータと生成モデルを用いて細胞周期依存的ゲノム3次元構造変化を詳細に可視化するもので、データ数の少なさを補い、静的データから動的情報を抽出する点に独創性がある。これにより、ゲノム構造推定の新たなフェーズに発展し、進捗結果を学会で発表した。今後は細胞分化過程の解析にも応用予定であり、新たな研究分野への展開が期待される。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究は、Hi-Cデータ駆動型モデリング手法を用いてゲノム構造地形を定量化し、細胞状態変化に伴うゲノム構造変化を統一的に記述する点で学術的意義がある。細胞周期や細胞分化に伴うゲノム構造変化の数理的枠組みを細胞集団データから提案することを目指したが、サンプリングの困難さから軌道修正を行った。新提案手法は、単一細胞データと生成モデルを用いてゲノム3次元構造変化を詳細に可視化し、データ数の少なさを生成モデルで補う点に萌芽性があり、静的データから動的情報を抽出する手法にも独創性がある。この手法は他の単一細胞データ解析にも応用可能で、遺伝子動態やゲノム構造の多様性の解析に貢献し、社会的意義も大きい。

報告書

(8件)
  • 2023 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 2019 実施状況報告書
  • 2018 実施状況報告書
  • 2017 実施状況報告書
  • 研究成果

    (12件)

すべて 2024 2023 2022 2021 2020 2019 2017

すべて 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 1件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Chemophoresis engine: A general mechanism of ATPase-driven cargo transport2022

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Sugawara, Kunihiko Kaneko
    • 雑誌名

      PLoS Computational Biology

      巻: 18 号: 7 ページ: e1010324-e1010324

    • DOI

      10.1371/journal.pcbi.1010324

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Chemophoresis Engine: Universal Principle of ATPase-driven Cargo Transport2021

    • 著者名/発表者名
      Sugawara Takeshi、Kaneko Kunihiko
    • 雑誌名

      bioRxiv

      巻: -

    • DOI

      10.1101/2021.10.15.463834

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] PHi-C: deciphering Hi-C data into polymer dynamics2020

    • 著者名/発表者名
      Shinkai Soya、Nakagawa Masaki、Sugawara Takeshi、Togashi Yuichi、Ochiai Hiroshi、Nakato Ryuichiro、Taniguchi Yuichi、Onami Shuichi
    • 雑誌名

      NAR Genomics and Bioinformatics

      巻: 2 号: 2

    • DOI

      10.1093/nargab/lqaa020

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Microrheology for Hi-C Data Reveals the Spectrum of the Dynamic 3D Genome Organization2020

    • 著者名/発表者名
      Soya Shinkai, Takeshi Sugawara, Hisashi Miura, Ichiro Hiratani, Shuichi Onami
    • 雑誌名

      Biophysical Journal

      巻: 118 号: 9 ページ: 2220-2228

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2020.02.020

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Spindle pole body movement is affected by glucose and ammonium chloride in fission yeast2019

    • 著者名/発表者名
      Ito H, Sugawara T, Shinkai S, Mizukawa S, Kondo A, Senda H, Sawai K, Ito K, Suzuki S, Takaine M, Yoshida S, Imamura H, Kitamura K, Namba T, Tate SI, Ueno M
    • 雑誌名

      Biochem Biophys Res Commun

      巻: 511 号: 4 ページ: 820-825

    • DOI

      10.1016/j.bbrc.2019.02.128

    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Physical properties of the chromosomes and implications for development2017

    • 著者名/発表者名
      Sugawara Takeshi、Kimura Akatsuki
    • 雑誌名

      Development, Growth & Differentiation

      巻: 59 号: 5 ページ: 405-414

    • DOI

      10.1111/dgd.12363

    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Reduction in chromosome mobility accompanies nuclear organization during early embryogenesis in Caenorhabditis elegans2017

    • 著者名/発表者名
      Arai Ritsuko、Sugawara Takeshi、Sato Yuko、Minakuchi Yohei、Toyoda Atsushi、Nabeshima Kentaro、Kimura Hiroshi、Kimura Akatsuki
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 7 号: 1 ページ: 3631-3631

    • DOI

      10.1038/s41598-017-03483-5

    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] 液滴-遺伝子相互作用の現象論モデル2024

    • 著者名/発表者名
      菅原武志
    • 学会等名
      日本物理学会2024年春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 生成モデルを用いた3Dゲノム動態予測2024

    • 著者名/発表者名
      菅原武志
    • 学会等名
      日本物理学会2024年春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] べん毛モーター時系列テ゛ータ解析とエントロピー生成率(EPR)推定2023

    • 著者名/発表者名
      菅原武志
    • 学会等名
      新学術領域研究「情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理 」第7回領域会議
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 液滴誘導型細胞内走化性の理論2023

    • 著者名/発表者名
      菅原武志
    • 学会等名
      第61日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Chemophoresis engine: Theory of cargo transports using ATP hydrolysis2017

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Sugawara, Kunihiko Kaneko
    • 学会等名
      ON Workshop: Sensors, Motors and Behaviors at the Origin of Life
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2017-04-28   更新日: 2025-01-30  

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