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適応度進行波モデルと集団遺伝学に基づくクローン干渉を伴う適応進化の解明

研究課題

研究課題/領域番号 22K06347
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
研究機関京都大学

研究代表者

岡田 崇  京都大学, 医生物学研究所, 准教授 (10741043)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2024年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2023年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2022年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
キーワード集団遺伝学 / ウイルス進化 / クローン干渉 / 領域拡大 / 進化 / コロナウイルス / 子孫数分布 / 季節性インフルエンザ
研究開始時の研究の概要

進化速度の速いウイルスや細菌の適応進化は、集団遺伝学においてよく知られる選択的スイープの描像とは質的に異なり、複数の有益変異が同時に存在する状況(クローン干渉)にあることが示唆されつつある。有益変異間の競合という複雑さのため、{クローン干渉の理論的理解は未だ不十分である。また、クローン干渉のダイナミクスは大きな確率的揺らぎを示すために、集団遺伝学の標準的な手法を適用できない。本研究では、数理物理学的手法により、クローン干渉の理論を発展させるとともに、集団遺伝学の統計手法を拡張する。さらに、それらを実際の遺伝子配列のデータに応用することで、クローン干渉の実証し、その詳細なダイナミクスを解明する。

研究実績の概要

クローン干渉の効果は特定の生物種で特に重要であり、その中には人間社会に蔓延するインフルエンザウイルスやコロナウイルスのような急速に進化するウイルス種が含まれる。この効果は空間的な拡散ダイナミクスを通じても引き起こされる可能性があると理論上推測されている。実際のデータを基にこの仮説を検証するため、空間的に拡散する集団の典型例として、英国のコロナウイルスの遺伝的データ分析を行った。ここで開発された理論手法は、系統樹からさまざまな変異株の存在頻度の時系列データを構築し取得する手法である。このアプローチを用いることにより、英国の様々な地域で観察される変異株の時系列データが収集された。特に進化的に中立であると予想される系統群に焦点を当て、その存在頻度の時系列データに含まれる変動から各地域の有効集団サイズを推定することに成功した。この推定結果は実際の感染者数と比較して約二桁小さく、2次感染者数に非常に大きな分散があることを示している。この大きな分散の原因として考えられるのは、superspreaderの影響や学校、会社といったコミュニティ構造であり、それらの要素の影響を量的に評価するために、数値シミュレーションを行った。さらに、変異株間での感染力の違いが有効集団サイズの減少に寄与する可能性があるため、クローン干渉の理論を適用し、その影響を分析することで、変異株間の感染力の違いが有効集団サイズをどの程度及ぼしているかを明らかにした。

現在までの達成度 (区分)
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

今年度は、コロナウイルスのデータに集団遺伝学的な理論手法を適用し、その成果を論文として発表できた。よって、おおむね順調に進展していると言える。

今後の研究の推進方策

ウイルスの空間的ダイナミクスを遺伝的データから推定する理論手法を開発する。そして、実際のデータに応用することで、ウイルスの進化に関して定量的知見を得ることを目指す。

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (11件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (5件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (3件) (うち国際学会 3件、 招待講演 2件)

  • [国際共同研究] Leipzig University(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [国際共同研究] University of California(米国)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Imperial College London(英国)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Harvard University(米国)

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Leipzig University(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Lineage frequency time series reveal elevated levels of genetic drift in SARS-CoV-2 transmission in England2024

    • 著者名/発表者名
      Yu QinQin、Ascensao Joao A.、Okada Takashi、Boyd Olivia、Volz Erik、Hallatschek Oskar、The COVID-19 Genomics UK (COG-UK) Consortium
    • 雑誌名

      PLOS Pathogens

      巻: 20 号: 4 ページ: e1012090-e1012090

    • DOI

      10.1371/journal.ppat.1012090

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Stable States of a Microbial Community Are Formed by Dynamic Metabolic Networks with Members Functioning to Achieve Both Robustness and Plasticity2024

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Honjo, Kenshi Suzuki, Junya Katai, Yosuke Tashiro, Tomo Aoyagi, Tomoyuki Hori, Takashi Okada, Yasuhisa Saito, Hiroyuki Futamata
    • 雑誌名

      Microbes and environments

      巻: 39 号: 1 ページ: n/a

    • DOI

      10.1264/jsme2.ME23091

    • ISSN
      1342-6311, 1347-4405
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Patterns of change in regulatory modules of chemical reaction systems induced by network modification2023

    • 著者名/発表者名
      Hishida Atsuki、Okada Takashi、Mochizuki Atsushi
    • 雑誌名

      PNAS Nexus

      巻: 3 号: 1

    • DOI

      10.1093/pnasnexus/pgad441

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Network topology determines robustness and flexibility of chemical reaction sys- tems2023

    • 著者名/発表者名
      Takashi OKada
    • 学会等名
      ICIAM
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Determining regulations of biochemical reaction systems from network topology2023

    • 著者名/発表者名
      Takashi Okada
    • 学会等名
      The 29th East Asia Joint Symposium
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Lineage frequency fluctuations reveal the spatial dynamics of disease transmission in SARS-CoV-22023

    • 著者名/発表者名
      Takashi Okada
    • 学会等名
      APS March Meeting 2023
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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