MAFFT多重配列アラインメントプログラムの機能拡張

• 研究課題/領域番号: 20K06767
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分45020:進化生物学関連
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 加藤 和貴 大阪大学, 微生物病研究所, 准教授 (70378868)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2022年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2021年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2020年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
• キーワード: ゲノムアラインメント / 行動分析 / T細胞受容体 / 配列アラインメント / ゲノム比較 / 文字列の比較 / データベース / 正の淘汰 / 多重配列アラインメント / 分子進化 / ロングリードシークエンサ / 巨大アラインメント / 新型シークエンサー / ウイルスゲノム

研究開始時の研究の概要

DNAやタンパク質の一次配列上で由来を同じくする部分を推定することを配列アラインメントという。多数本の配列アライメントを多重配列アラインメントという。これは進化解析や機能解析の基礎となる技術であり、申請者の開発したMAFFTプログラムが現在広く普及している。実際に役立っている例として、ヒトに感染する新型コロナウイルスがどの動物に由来したかを調べる時にもMAFFTプログラムが用いられている。本研究ではこのプログラムを継続的に開発する。

研究実績の概要

* ハーバード大学 Scott Edwards教授らによる絶滅種モアのゲノム計画のために、モアと現生種シギダチョウの間の染色体全体程度の長さのグローバルアラインメントの計算を支援した。成果を記述した論文は、2024年4月にScience Advances誌に受理された。
* 一般的な文字列のアラインメントを計算するオプションを実装し、生物学を離れた応用を試みた。ボードゲームを用いた行動学的分析のために改造したプログラムを、ノーステキサス大学 April Becker博士らに提供した。
* 哺乳類の適応免疫系において、T細胞受容体遺伝子とIG遺伝子は、V(D)J遺伝子再構成によって高度な多様性を実現する。ゲノム上の多数のV,D,J遺伝子を特定することは、通常の遺伝子発見アルゴリズムには困難であり、手作業が必要である。そのため、この領域が正確にアノテートされた生物種は少ない。このことは、これらの遺伝子のゲノム上の分布に基づく進化学的議論を困難にしている。ヒトまたはマウスのV(D)J遺伝子とそれ以外の哺乳類のゲノムのローカルアラインメントにもとづいてこれらの遺伝子の位置を推定する時、スコアの閾値が問題となる。適切な閾値は、リファレンスとして利用する生物種とどのくらい近縁か等の要因によって異なるはずである。既存のアノテーションを教師データとした機械学習によって適切な閾値の決定を試みた。公表されているウシのゲノム配列において見落とされているかもしれないいくつかのTRGJ遺伝子が見つかったので、大学院生の Zhou Hao氏が実験的に検証している。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

進展はあるものの方向が予定と異なる。

今後の研究の推進方策

T細胞受容体だけでなく免疫グロブリンを高度する領域のアノテーションも試みる。T細胞受容体に比べて、生物種によってV(D)J遺伝子の並びの違いが大きいなどの困難な点が予想される。まず、配列上の類似性のみを用いた推定を試みた後、並びやシグナル配列を考慮に入れる。

研究成果

• [国際共同研究] Harvard Univ(米国)
• [国際共同研究] University of Minho(ポルトガル)
• [国際共同研究] University of North Texas(米国)
• [国際共同研究] University of Minho(ポルトガル)
• [国際共同研究] Harvard Univ(米国)
• [雑誌論文] An engineered ACE2 decoy neutralizes the SARS-CoV-2 Omicron variant and confers protection against infection in vivo (2022)
  • 著者名/発表者名: Ikemura Nariko、Taminishi Shunta、Inaba Tohru、Arimori Takao、Motooka Daisuke、Katoh Kazutaka、Kirita Yuhei、Higuchi Yusuke、Li Songling、Suzuki Tatsuya、Itoh Yumi、Ozaki Yuki、Nakamura Shota、Matoba Satoaki、Standley Daron M.、Okamoto Toru、Takagi Junichi、Hoshino Atsushi
  • 雑誌名: Science Translational Medicine 巻: 14 号: 650
  • DOI: 10.1126/scitranslmed.abn7737
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The evolution of structural genomics (2022)
  • 著者名/発表者名: Standley Daron M.、Nakanishi Tokuichiro、Xu Zichang、Haruna Soichiro、Li Songling、Nazlica Sedat Aybars、Katoh Kazutaka
  • 雑誌名: Biophysical Reviews 巻: 14 号: 6 ページ: 1247-1253
  • DOI: 10.1007/s12551-022-01031-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Amino Acid Specificity of Ancestral Aminoacyl-tRNA Synthetase Prior to the Last Universal Common Ancestor Commonote commonote (2022)
  • 著者名/発表者名: Furukawa Ryutaro、Yokobori Shin-ichi、Sato Riku、Kumagawa Taimu、Nakagawa Mizuho、Katoh Kazutaka、Yamagishi Akihiko
  • 雑誌名: Journal of Molecular Evolution 巻: 90 号: 1 ページ: 73-94
  • DOI: 10.1007/s00239-021-10043-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Emerging SARS-CoV-2 variants follow a historical pattern recorded in outgroups infecting non-human hosts (2021)
  • 著者名/発表者名: Katoh Kazutaka、Standley Daron M.
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 4 号: 1 ページ: 1134-1134
  • DOI: 10.1038/s42003-021-02663-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Deciphering the origin of Aspergillus flavus NRRL21882, the active biocontrol agent of Afla‐Guard(R) (2021)
  • 著者名/発表者名: Chang P.‐K.、Chang T.D.、Katoh K.
  • 雑誌名: Letters in Applied Microbiology 巻: 722231 号: 5 ページ: 509-516
  • DOI: 10.1111/lam.13433
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Long-read Sequencing Identifies the Pathogenic Nucleotide Repeat Expansion in RFC1 in a Japanese Case of CANVAS (2020)
  • 著者名/発表者名: Haruko Nakamura, Hiroshi Doi, Satomi Mitsuhashi, Satoko Miyatake, Kazutaka Katoh, Martin C Frith, Tetsuya Asano, Yosuke Kudo, Takuya Ikeda, Shun Kubota, Misako Kunii, Yu Kitazawa, Mikiko Tada, Mitsuo Okamoto, Hideto Joki, Hideyuki Takeuchi, Naomichi Matsumoto, Fumiaki Tanaka
  • 雑誌名: Journal of Human Genetics 巻: 65 号: 5 ページ: 475-480
  • DOI: 10.1038/s10038-020-0733-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A pipeline for complete characterization of complex germline rearrangements from long DNA reads (2020)
  • 著者名/発表者名: Mitsuhashi Satomi、Ohori Sachiko、Katoh Kazutaka、Frith Martin C.、Matsumoto Naomichi
  • 雑誌名: Genome Medicine 巻: 12 号: 1 ページ: 67-67
  • DOI: 10.1186/s13073-020-00762-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Long-read DNA sequencing fully characterized chromothripsis in a patient with Langer?Giedion syndrome and Cornelia de Lange syndrome-4 (2020)
  • 著者名/発表者名: Lei Ming、Liang Desheng、Yang Yifeng、Mitsuhashi Satomi、Katoh Kazutaka、Miyake Noriko、Frith Martin C.、Wu Lingqian、Matsumoto Naomichi
  • 雑誌名: Journal of Human Genetics 巻: - 号: 8 ページ: 667-674
  • DOI: 10.1038/s10038-020-0754-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Flexible, Functional, and Familiar: Characteristics of SARS-CoV-2 Spike Protein Evolution (2020)
  • 著者名/発表者名: Saputri Dianita S.、Li Songling、van Eerden Floris J.、Rozewicki John、Xu Zichang、Ismanto Hendra S.、Davila Ana、Teraguchi Shunsuke、Katoh Kazutaka、Standley Daron M.
  • 雑誌名: Frontiers in Microbiology 巻: 11 ページ: 2112-2112
  • DOI: 10.3389/fmicb.2020.02112
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] lamassemble: Multiple Alignment and Consensus Sequence of Long Reads (2020)
  • 著者名/発表者名: Frith Martin C.、Mitsuhashi Satomi、Katoh Kazutaka
  • 雑誌名: Methods Mol Biol. 巻: 2231 ページ: 135-145
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-1036-7_9
  • ISBN: 9781071610350, 9781071610367
• [雑誌論文] Analysis of Protein Intermolecular Interactions with MAFFT-DASH (2020)
  • 著者名/発表者名: Rozewicki John、Li Songling、Katoh Kazutaka、Standley Daron M.
  • 雑誌名: Multiple Sequence Alignment (Methods in Molecular Biology) 巻: 2232 ページ: 163-177
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-1036-7_11
  • ISBN: 9781071610350, 9781071610367
• [学会発表] Annotation of VDJ genes in TCR loci on eutherian genome (2023)
  • 著者名/発表者名: 加藤和貴, Zhou Hao, Daron M Standley
  • 学会等名: 日本進化学会第２５回年会
  • 招待講演
• [学会発表] Off-plan use of technology (2022)
  • 著者名/発表者名: Kazutaka Katoh
  • 学会等名: 日本進化学会第 24 回年会
  • 招待講演
• [学会発表] Multiple sequence alignments for predicting antigen-antibody interactions (2022)
  • 著者名/発表者名: Kazutaka Katoh
  • 学会等名: Simons Institute Workshop "Computational Challenges in Very Large-Scale 'Omics'"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 抗原抗体複合体予測における多重配列アラインメントの利用について (2022)
  • 著者名/発表者名: 加藤和貴
  • 学会等名: 遺伝研研究会「生命科学を支える分子系統学」
  • 招待講演
• [図書] Multiple Sequence Alignment (Methods in Molecular Biology) (2021)
  • 著者名/発表者名: Katoh, Kazutaka (Ed.)
  • 総ページ数: 321
  • 出版者: Springer
  • ISBN: 9781071610350
• [備考] MAFFT alignment server
  • URL: https://mafft.cbrc.jp/alignment/server/
• [備考] MAFFT multiple sequence alginment program
  • URL: https://mafft.cbrc.jp/alignment/server/
• [備考] 多重配列アラインメント計算サービス
  • URL: https://mafft.cbrc.jp/alignment/server/