遺伝統計学と最適化理論の学際連携による大規模ゲノム情報の再解釈

• 研究課題/領域番号: 20K21834
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分62:応用情報学およびその関連分野
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 岡田 随象 大阪大学, 医学系研究科, 教授 (70727411)
• 研究分担者: 垣村 尚徳 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (30508180)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2021年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2020年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: 遺伝統計学 / 最適化理論 / poygenic risk score / ハプロタイプ / ゲノムデータ

研究開始時の研究の概要

大規模ゲノム情報は、①：長大なゲノム配列の中で一部の遺伝子変異のみが関与する「スパース性」、②：遺伝子変異数がサンプル数と比べて著しく大きい「P>>N問題」、が特徴である。遺伝統計学で扱われるヒト集団ゲノム情報は単純なグラフ構造として記述でき、即ち組合せ最適化問題として解釈可能である。本研究は、遺伝統計学と最適化理論の学際連携を通じて、大規模ヒトゲノム・臨床情報の組合せ最適化問題としての再定義を目指すものである。

研究成果の概要

大規模ゲノム情報は、①：長大なゲノム配列の中で一部の遺伝子変異のみが関与する「スパース性」、②：遺伝子変異数がサンプル数と比べて著しく大きい「P>>N問題」、が特徴である。遺伝統計学で扱われるヒト集団ゲノム情報は単純なグラフ構造として記述でき、即ち組合せ最適化問題として解釈可能である。本研究は、遺伝統計学と最適化理論の学際連携を通じて、大規模ヒトゲノム・臨床情報の組合せ最適化問題としての再定義を目指すものである。

研究成果の学術的意義や社会的意義

遺伝統計学と最適化理論は共通した理論的背景を有するも、異なる学問分野として捉えられてきた。本研究は、大規模疾患ゲノム情報をシンプルな行列・グラフ情報として捉えることにより、る数理理論の応用研究の題材となることを示し、学際連携の新たな可能性を切り拓いたものとして学術的な意義を有すると考えられる。今後、解析アルゴリズムのスケーラビリティーの獲得と高速計算化を進めることで、より汎用性の高い情報解析ツールとしての実装が可能になると期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Leveraging fine-mapping and multipopulation training data to improve cross-population polygenic risk scores (2022)
  • 著者名/発表者名: Weissbrod Omer、Kanai Masahiro、...、、Koretsune Yukihiro、Martin Alicia R.、Finucane Hilary K.、Price Alkes L.
  • 雑誌名: Nature Genetics 巻: 54 号: 4 ページ: 450-458
  • DOI: 10.1038/s41588-022-01036-9
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] An evolving hypothesis in autoimmune disease genetics (2022)
  • 著者名/発表者名: Okada Yukinori
  • 雑誌名: Nature Reviews Genetics 巻: - 号: 8 ページ: 458-459
  • DOI: 10.1038/s41576-022-00482-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Decoding the diversity of killer immunoglobulin-like receptors by deep sequencing and a high-resolution imputation method (2022)
  • 著者名/発表者名: Sakaue S, Hosomichi K, Hirata J, Nakaoka H, Yamazaki K, Yawata M, Yawata N, Naito T, Umeno J, Kawaguchi T, Matsui T, Motoya S, Suzuki Y, Inoko H, Tajima A, Morisaki T, Matsuda K, Kamatani Y, Yamamoto K, Inoue I, Okada Y
  • 雑誌名: Cell Genomics 巻: 2 号: 3 ページ: 100101-100101
  • DOI: 10.1016/j.xgen.2022.100101
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Responsible use of polygenic risk scores in the clinic: potential benefits, risks and gaps (2021)
  • 著者名/発表者名: Polygenic Risk Score Task Force of the International Common Disease Alliance
  • 雑誌名: Nature Medicine 巻: 27 号: 11 ページ: 1876-1884
  • DOI: 10.1038/s41591-021-01549-6
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A high-resolution HLA reference panel capturing global population diversity enables multi-ancestry fine-mapping in HIV host response (2021)
  • 著者名/発表者名: Luo Yang、Kanai Masahiro、...、Okada Yukinori、Han Buhm、McLaren Paul J.、Raychaudhuri Soumya
  • 雑誌名: Nature Genetics 巻: 53 号: 10 ページ: 1504-1516
  • DOI: 10.1038/s41588-021-00935-7
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A deep learning method for HLA imputation and trans-ethnic MHC fine-mapping of type 1 diabetes (2021)
  • 著者名/発表者名: Naito Tatsuhiko、Suzuki Ken、Hirata Jun、Kamatani Yoichiro、Matsuda Koichi、Toda Tatsushi、Okada Yukinori
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 号: 1 ページ: 1639-1639
  • DOI: 10.1038/s41467-021-21975-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Trans‐Ethnic Fine‐Mapping of the Major Histocompatibility Complex Region Linked to Parkinson's Disease (2021)
  • 著者名/発表者名: Naito Tatsuhiko、Satake Wataru、Ogawa Kotaro、Suzuki Ken、Hirata Jun、Foo Jia Nee、Tan Eng‐King、Toda Tatsushi、Okada Yukinori
  • 雑誌名: Movement Disorders 巻: 36 号: 8 ページ: 1805-1814
  • DOI: 10.1002/mds.28583
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Population-specific causal disease effect sizes in functionally important regions impacted by selection (2021)
  • 著者名/発表者名: Shi Huwenbo、Gazal Steven、Kanai Masahiro、Koch Evan M.、Schoech Armin P.、Siewert Katherine M.、Kim Samuel S.、Luo Yang、Amariuta Tiffany、Huang Hailiang、Okada Yukinori、Raychaudhuri Soumya、Sunyaev Shamil R.、Price Alkes L.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 号: 1 ページ: 1098-1098
  • DOI: 10.1038/s41467-021-21286-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Tractor uses local ancestry to enable the inclusion of admixed individuals in GWAS and to boost power (2021)
  • 著者名/発表者名: Atkinson Elizabeth G.、Maihofer Adam X.、Kanai Masahiro、Martin Alicia R.、Karczewski Konrad J.、Santoro Marcos L.、Ulirsch Jacob C.、Kamatani Yoichiro、Okada Yukinori、Finucane Hilary K.、Koenen Karestan C.、Nievergelt Caroline M.、Daly Mark J.、Neale Benjamin M.
  • 雑誌名: Nature Genetics 巻: 53 号: 2 ページ: 195-204
  • DOI: 10.1038/s41588-020-00766-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著