多細胞ダイナミクスを紐解くベイズモデリング技術の開発

• 研究課題/領域番号: 20H04281
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分62010:生命、健康および医療情報学関連
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 島村 徹平 名古屋大学, 医学系研究科, 教授 (00623943)
• 研究分担者: 阿部 興 神戸薬科大学, 薬学部, 講師 (70832533)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円); 2022年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2021年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円); 2020年度: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)
• キーワード: ベイズモデル / 一細胞解析 / 細胞間コミュニケーション / 細胞運命決定 / 深層生成モデル / マルチオミクス / 因子分解 / 細胞ダイナミクス / シングルセルオミクス / 空間トランスクリプトーム / ベイズモデリング / 時空間解析 / 相互作用ネットワーク / 行列因子分解

研究開始時の研究の概要

本研究では、最先端のベイズモデリングを基軸として、一細胞レベルでの多次元データを処理・解析・統合し、多細胞が生み出す複雑な相互作用ネットワークのダイナミクスを理解するための情報解析技術を開発する。本研究の進展により、生命の複雑さにまつわる法則性を発見し、生命を理解するのみならず、創薬の効率化、新薬の開発、薬剤の有効性や副作用の高精度予測等などの関連分野への波及効果も期待できる。

研究成果の概要

本研究課題では、がん免疫複雑系を対象として、一細胞レベルでがん多様性が治療抵抗性を生み出すメカニズムを解明するため、最先端の数理モデリング・人工知能（AI）を駆使した一細胞解析基盤を開発した。具体的には、（１）細胞集団間の因果効果を推定するためのベイズモデリング技術の開発、（２）治療抵抗性に至る複雑系のダイナミクスを記述する統計モデリング技術の開発、（３）細胞集団内の分子制御機構探索のための深層学習技術の開発を行った。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究課題では、革新的な一細胞オミクス計測技術によるデータ取得、最先端の数理モデリング・人工知能技術の開発、ヒト臨床検体およびモデル動物によるモデルの概念実証に関する一連の研究を、確固たる研究連携基盤の上で実施した。本研究で開発した解析手法により、がんの複雑系の解明、さらにはがんの診断、治療、治療効果予測などの臨床応用に向けた強力な研究開発基盤が構築されることが期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Convergent genomic diversity and novel BCAA metabolism in intrahepatic cholangiocarcinoma (2023)
  • 著者名/発表者名: Kitagawa A, Osawa T,Noda M,Kobayashi Y, Aki S,Nakano Y,Saito T,Shimizu D,Komatsu H,Sugaya M,Takahashi J,...Mimori K.
  • 雑誌名: Br J Cancer 巻: - 号: 12 ページ: 2206-2217
  • DOI: 10.1038/s41416-023-02256-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Increased flexibility of the SARS-CoV-2 RNA-binding site causes resistance to remdesivir (2023)
  • 著者名/発表者名: Torii Shiho、Kim Kwang Su、Koseki Jun、Suzuki Rigel、Iwanami Shoya、Fujita Yasuhisa、Jeong Yong Dam、Ito Jumpei、Asakura Hiroyuki、Nagashima Mami、Sadamasu Kenji、Yoshimura Kazuhisa、Sato Kei、Matsuura Yoshiharu、Shimamura Teppei、Iwami Shingo、Fukuhara Takasuke、The Genotype to Phenotype Japan (G2P-Japan) Consortium
  • 雑誌名: PLOS Pathogens 巻: 19 号: 3 ページ: e1011231-e1011231
  • DOI: 10.1371/journal.ppat.1011231
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spatial and single-cell transcriptomics decipher the cellular environment containing HLA-G+ cancer cells and SPP1+ macrophages in colorectal cancer. (2023)
  • 著者名/発表者名: Ozato Y, Kojima Y, Kobayashi Y, Hisamatsu Y, Toshima T, Yonemura Y, Masuda T, Kagawa K, Goto Y, Utou M, Fukunaga M,... Mimori K.
  • 雑誌名: Cell Rep 巻: 42(1) 号: 1 ページ: 111929-111929
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111929
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Bayesian statistical method for detecting structural and topological diversity in polymorphic proteins (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Shuto、Koseki Jun、Shimamura Teppei
  • 雑誌名: Computational and Structural Biotechnology Journal 巻: 20 ページ: 6519-6525
  • DOI: 10.1016/j.csbj.2022.11.038
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Smoking enhances the expression of angiotensin‐converting enzyme 2 involved in the efficiency of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 infection (2022)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Rigel、Ono Yuki、Noshita Koji、Kim Kwang Su、Ito Hayato、Morioka Yuhei、Tamura Tomokazu、Okuzaki Daisuke、Tagawa Tetsuzo、Takenaka Tomoyoshi、Yoshizumi Tomoharu、Shimamura Teppei、Iwami Shingo、Fukuhara Takasuke
  • 雑誌名: Microbiology and Immunology 巻: 67 号: 1 ページ: 22-31
  • DOI: 10.1111/1348-0421.13034
  • 査読あり
• [雑誌論文] Detecting time-evolving phenotypic components of adverse reactions against BNT162b2 SARS-CoV-2 vaccine via non-negative tensor factorization (2022)
  • 著者名/発表者名: Ikeda Kei、Nakada Taka-Aki、Kageyama Takahiro、Tanaka Shigeru、Yoshida Naoki、Ishikawa Tetsuo、Goshima Yuki、Otaki Natsuko、Iwami Shingo、Shimamura Teppei、Taniguchi Toshibumi、Igari Hidetoshi、Hanaoka Hideki、Yokote Koutaro、Tsuyuzaki Koki、Nakajima Hiroshi、Kawakami Eiryo
  • 雑誌名: iScience 巻: 25 号: 10 ページ: 105237-105237
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.105237
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Metabolic remodeling of pyrimidine synthesis pathway and serine synthesis pathway in human glioblastoma (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakamizo Akira、Miyamatsu Yuichiro、Hirose Haruka、Amano Toshiyuki、Matsuo Satoshi、Fujiwara Minako、Shimamura Teppei、Yoshimoto Koji
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 16277-16277
  • DOI: 10.1038/s41598-022-20613-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Metabolome and transcriptome analysis on muscle of sporadic inclusion body myositis. (2022)
  • 著者名/発表者名: Murakami, A., Noda, S., Kazuta, T., Hirano, S., Kimura, S., Nakanishi, H., Matsuo, K., Tsujikawa, K., Iida, M., Koike, H., Sakamoto, K., Hara, Y., Kuru, S., Kadomatsu, K., Shimamura, T., Ogi, T., Katsuno, M.
  • 雑誌名: Ann Clin Transl Neurol. 巻: 9 号: 10 ページ: 1602-1615
  • DOI: 10.1002/acn3.51657
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] An analysis modality for vascular structures combining tissue-clearing technology and topological data analysis (2022)
  • 著者名/発表者名: Takahashi K, Abe K, Kubota SI, Fukatsu N, Morishita Y, Yoshimatsu Y, Satoshi Hirakawa, Yoshiaki Kubota, Tetsuro Watabe, Shogo Ehata, Hiroki R. Ueda, Teppei Shimamura, Kohei Miyazono
  • 雑誌名: Nature Communiactions 巻: 13 号: 1 ページ: 5239-5239
  • DOI: 10.1038/s41467-022-32848-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A bifurcation concept for B-lymphoid/plasmacytoid dendritic cells with largely fluctuating transcriptome dynamics. (2022)
  • 著者名/発表者名: Nagaharu K, Kojima Y, Hirose H, Minoura K, Hinohara K, Minami H, Kageyama Y, Sugimoto Y, Masuya M, Nii S, Seki M, Suzuki Y, Tawara I, Shimamura T, Katayama N, Nishikawa H, Ohishi K.
  • 雑誌名: Cell Rep. 巻: 40 号: 9 ページ: 111260-111260
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111260
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] UVB-Induced Skin Autoinflammation Due to Nlrp1b Mutation and Its Inhibition by Anti-IL-1β Antibody (2022)
  • 著者名/発表者名: Murase Yuya、Takeichi Takuya、Koseki Jun、Miyasaka Yuki、Muro Yoshinao、Ohno Tamio、Shimamura Teppei、Akiyama Masashi
  • 雑誌名: Frontiers in Immunology 巻: 13 ページ: 876390-876390
  • DOI: 10.3389/fimmu.2022.876390
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Exome sequencing of Japanese schizophrenia multiplex families supports the involvement of calcium ion channels (2022)
  • 著者名/発表者名: Toyama Miho、Takasaki Yuto、Branko Aleksic、Kimura Hiroki、Kato Hidekazu、Nawa Yoshihiro、Kushima Itaru、Ishizuka Kanako、Shimamura Teppei、Ogi Tomoo、Ozaki Norio
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 17(5) 号: 5 ページ: e0268321-e0268321
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0268321
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A mixture-of-experts deep generative model for integrated analysis of single-cell multiomics data (2021)
  • 著者名/発表者名: Minoura Kodai、Abe Ko、Nam Hyunha、Nishikawa Hiroyoshi、Shimamura Teppei
  • 雑誌名: Cell Reports Methods 巻: 1(5) 号: 5 ページ: 100071-100071
  • DOI: 10.1016/j.crmeth.2021.100071
• [雑誌論文] Depletion of central memory CD8+ T cells might impede the antitumor therapeutic effect of Mogamulizumab (2021)
  • 著者名/発表者名: Maeda Yuka、Wada Hisashi、Sugiyama Daisuke、Saito Takuro、Irie Takuma、Itahashi Kota、Minoura Kodai、Suzuki Susumu、Kojima Takashi、Kakimi Kazuhiro、Nakajima Jun、Funakoshi Takeru、Iida Shinsuke、Oka Mikio、Shimamura Teppei、Doi Toshihiko、Doki Yuichiro、Nakayama Eiichi、Ueda Ryuzo、Nishikawa Hiroyoshi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12(1) 号: 1 ページ: 7280-7280
  • DOI: 10.1038/s41467-021-27574-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hierarchical non-negative matrix factorization using clinical information for microbial communities (2021)
  • 著者名/発表者名: Abe Ko、Hirayama Masaaki、Ohno Kinji、Shimamura Teppei
  • 雑誌名: BMC Genomics 巻: 22 号: 1 ページ: 104-104
  • DOI: 10.1186/s12864-021-07401-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] CYBERTRACK2.0: zero-inflated model-based cell clustering and population tracking method for longitudinal mass cytometry data (2020)
  • 著者名/発表者名: Minoura K*, Abe K*, Maeda Y, Nishikawa H, Shimamura T§
  • 雑誌名: Bioinformatics 巻: - 号: 11 ページ: 873-873
  • DOI: 10.1093/bioinformatics/btaa873
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Short-Chain Fatty Acid-Producing Gut Microbiota Is Decreased in Parkinson’s Disease but Not in Rapid-Eye-Movement Sleep Behavior Disorder (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishiwaki Hiroshi、Hamaguchi Tomonari、Ito Mikako、Ishida Tomohiro、Maeda Tetsuya、Kashihara Kenichi、Tsuboi Yoshio、Ueyama Jun、Shimamura Teppei、Mori Hiroshi、Kurokawa Ken、Katsuno Masahisa、Hirayama Masaaki、Ohno Kinji
  • 雑誌名: mSystems 巻: 5 号: 6
  • DOI: 10.1128/msystems.00797-20
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Model-based clustering for flow and mass cytometry data with clinical information (2020)
  • 著者名/発表者名: Abe K, Minoura K, Maeda Y, Nishikawa H, Shimamura T§
  • 雑誌名: BMC Bioinformatics 巻: 21(Suppl 13) 号: S13 ページ: 393-393
  • DOI: 10.1186/s12859-020-03671-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] ARHGAP10, which encodes Rho GTPase-activating protein 10, is a novel gene for schizophrenia risk (2020)
  • 著者名/発表者名: Mariko Sekiguchi, Akiko Kodama,... Emiko Shishido,... Daisuke Mori, Norio Ozaki
  • 雑誌名: Translational psychiatry 巻: 10 号: 1 ページ: 1-15
  • DOI: 10.1038/s41398-020-00917-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Integrated multiomics analysis of hepatoblastoma unravels its heterogeneity and provides novel druggable targets. (2020)
  • 著者名/発表者名: Sekiguchi M, Seki M, Kawai T, Yoshida K, Yoshida M, Isobe T, Hoshino N, Shirai R, Tanaka M, Souzaki R, Watanabe K, Arakawa Y, Nannya Y, Suzuki H, Fujii Y, Kataoka K, Shiraishi Y, Chiba K, Tanaka H, Shimamura T, Sato Y, Sato-Otsubo A, Kimura S, Kubota Y, Hiwatari M, et al
  • 雑誌名: NPJ Precis Oncol. 巻: Jul 7;4:20. 号: 1 ページ: 20-20
  • DOI: 10.1038/s41698-020-0125-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Meta‐Analysis of Gut Dysbiosis in Parkinson's Disease (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishiwaki Hiroshi、Ito Mikako、Ishida Tomohiro、Hamaguchi Tomonari、Maeda Tetsuya、Kashihara Kenichi、Tsuboi Yoshio、Ueyama Jun、Shimamura Teppei、Mori Hiroshi、Kurokawa Ken、Katsuno Masahisa、Hirayama Masaaki、Ohno Kinji
  • 雑誌名: Movement Disorders 巻: 35 号: 9 ページ: 1626-1635
  • DOI: 10.1002/mds.28119
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] EXOSC9 depletion attenuates P-body formation, stress resistance, and tumorigenicity of cancer cells. (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshino S, Matsui Y, Fukui Y, Seki M, Yamaguchi K, Kanamori A, Saitoh Y, Shimamura T, Suzuki Y, Furukawa Y, Kaneko S, Seiki M, Murakami Y, Inoue JI, Sakamoto T.
  • 雑誌名: Sci Rep 巻: 10 号: 1 ページ: 9275-9275
  • DOI: 10.1038/s41598-020-66455-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Coordinated demethylation of H3K9 and H3K27 is required for rapid inflammatory responses of endothelial cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Higashijima Y, Matsui Y, Shimamura T, Nakaki R, Nagai N, Tsutsumi S, Abe Y, Link VM, Osaka M, Yoshida M, Watanabe R, Tanaka T, Taguchi A, Miura M, Ruan X, Li G, Inoue T, Nangaku M, Kimura H, Furukawa T, Aburatani H, Wada Y, Ruan Y, Glass CK, Kanki Y
  • 雑誌名: The EMBO Journal 巻: 39 号: 7 ページ: 1-1
  • DOI: 10.15252/embj.2019103949
  • NAID: 120006902140
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 深層生成モデルで読み解く生命システムの動作原理 (2022)
  • 著者名/発表者名: 島村 徹平
  • 学会等名: 第7回理論免疫学ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] 深層学習による生体内微小環境の新次元俯瞰 (2022)
  • 著者名/発表者名: 島村 徹平
  • 学会等名: 第45回日本分子生物学会年会ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] 深層学習で細胞社会を読み解く (2022)
  • 著者名/発表者名: 島村 徹平
  • 学会等名: 第45回日本分子生物学会年会フォーラム
  • 招待講演
• [学会発表] 深層学習による生体内微小環境の新次元俯瞰 (2022)
  • 著者名/発表者名: 島村 徹平
  • 学会等名: LINK-Jセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 深層学習による生体内微小環境の新次元俯瞰 (2022)
  • 著者名/発表者名: 島村 徹平
  • 学会等名: 第95回日本生化学会大会企画シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 深層学習による生体内微小環境の新次元俯瞰 (2022)
  • 著者名/発表者名: 島村 徹平
  • 学会等名: 第60回日本癌治療学会学術集会会長企画シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Estimating fluctuations in cell state dynamics and predicting fate bifurcations under influenza infection using deep learning (2022)
  • 著者名/発表者名: 島村 徹平
  • 学会等名: 第20回あわじ感染と免疫国際フォーラム
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A new modality for elucidating tumor microenvironment using deep learning (2022)
  • 著者名/発表者名: 島村 徹平
  • 学会等名: 第81回日本癌学会学術総会
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞間コミュニケーションを読み解くためのデータ科学 (2022)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 第6回理論免疫学ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] データから読み解く生命医科学 (2022)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 脳神経内科医のためのバイオインフォマティクス・ハンズオン 2021
  • 招待講演
• [学会発表] Deep learning to decipher cell dynamics and cell-cell interactions (2021)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 一細胞マルチモーダル情報をデータとモデルから読み解く (2021)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 産業技術研究所人工知能研究センター第51回AIセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞間コミュニケーションを読み解く深層学習 (2021)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 第94回日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] Modeling cell population dynamics and cell-to-cell communication from single-cell multi-omics data (2021)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 第80回日本癌学会学術総会
  • 招待講演
• [学会発表] データとモデルが駆動する生命科学 (2021)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 第32回高遠・分子細胞生物学シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] シングルセルオミクス解析のためのAI技術の最新動向 (2021)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 第39回内分泌代謝学サマーセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞集団のダイナミクスを捉えるためのベイズモデリング (2021)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 第5回理論免疫学ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] がん研究における一細胞解析のためのモデリング・AI 技術の最新動向 (2020)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 第79回日本癌学会学術総会
  • 招待講演
• [学会発表] 臓器連関トランスオミクス解析のためのベイズモデリング (2020)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 第93回日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] 今こそ知りたい！行列因子分解～ゼロから始めるマルチオミクス解析～ (2020)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 代謝統合オミクス若手技術セミナー
  • 招待講演
• [図書] 実験医学別冊最強のステップUPシリーズ 空間オミクス解析スタートアップ実践ガイド、空間トランスクリプトームに基づく細胞間相互作用ネットワークの解析技術 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小嶋泰弘、島村徹平
  • 総ページ数: 244
  • 出版者: 羊土社
  • ISBN: 9784758122610