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NGS揺らぎを正確に記述したアデノ随伴ウイルスの指向性進化法理論の構築

研究課題

研究課題/領域番号 22K17994
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分62010:生命、健康および医療情報学関連
研究機関大阪大学

研究代表者

根本 孝裕  大阪大学, ヒューマン・メタバース疾患研究拠点, 特任准教授(常勤) (10928295)

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
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2024年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2022年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
キーワード指向性進化法 / 次世代シークエンシング / 負の二項分布 / データ解析パイプライン / NGS / アデノ随伴ウィルス
研究開始時の研究の概要

指向性進化法は、自然界の進化を人工的に引き起こすことで、タンパク質を目的のタスクに合わせて最適化する手法である。手法は2018年のノーベル化学賞の対象ともなり様々な分野で応用されている。最近のシークエンシング技術の発展により、指向性進化法のあり方も変わってきているが、未だにシークエンシングに内在する大きな揺らぎを正確に記述した理論は開発されておらず、現場ではこの大きな揺らぎが元になる混乱が多い。本研究計画では、負の二項分布を用いてシークエンシングに内在する大きな揺らぎを正確に記述し、指向性進化法で重要になる量(濃縮度)を信頼区間込みで推定することを目的とする。

研究実績の概要

指向性進化法は、2018年のノーベル化学賞の対象ともなったタンパク質開発手法である。この手法では、DNAの塩基配列をランダムに変異させた変異種を多数用意し、それらを目的のタスクに合わせて繰り返しスクリーニングする。その結果ランダムな変異種の中から、目的のタスクに合わせて最適化された変異種が濃縮される。指向性進化法では、出来るだけ少ないスクリーニング回数で最適化された変異種を同定することが重要になるが、最近、スクリーニング回数を減らす目的で指向性進化法実験に次世代シークエンシングを取り入れる動きが見られる。ここで問題になるのが、次世代シークエンシング、特にPCR増幅エラーに付随したノイズである。2022年度は、このノイズを上手く制御するデータ解析ツール:ACIDES (Accurate Confidence Intervals for Directed Evolution Scores)を開発した。2023年度は、その論文投稿に関連して、追加実験をまず行った。特に複製実験(replicates実験)がある12個の公開データに対し、既存の5つのアルゴリズムとACIDESの性能比較評価を系統的に行った(論文の図5)。査読者とのやり取り後、最終的に論文はNature Communicationsに受理され、2023年12月に出版された。Pythonで書かれたACIDESのスクリプトはGitHubで公開され(https://github.com/nemoto-lab/ACIDES)、誰でも利用出来る状態になっている。

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

データ解析パイプライン(申請書中で「推定アルゴリズム」と記述したもの)の内容を論文としてまとめるのは、研究計画の3年目の予定だった。その理由として、共同研究者の実験結果とデータ解析パイプラインの内容を一つの論文にまとめたかったことが挙げられる。しかし、既存の手法と比較した際の我々のデータ解析パイプライン(ACIDES)の効率が予想以上に高かったため、急遽手法のみの論文を発表することになった。2022年度に投稿した論文に対し、2023年度は追加実験を行い、その結果、論文はNature Communicationsに受理され出版されたことから、研究計画は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

3年目は計画通り、ACIDESの対外発信を進めて行くと同時に、ACIDESを次の研究ステップにも繋げていく予定である。例えば、(i) 人の目(ex-vivo)の網膜を使ったAAV2(2型アデノ随伴ウイルス)に対する指向性進化法実験が既に共同研究者によって行われたが、その実験データに対するACIDESの応用研究や、また(ii) ACIDESでも使われる統計モデルの数理的構造を、より深く理解するための基礎研究などが現在進められている。

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

    (8件)

すべて 2023 2022 その他

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

  • [国際共同研究] Institut de la Vision(フランス)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Institut de la Vision(フランス)

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [雑誌論文] ACIDES: on-line monitoring of forward genetic screens for protein engineering2023

    • 著者名/発表者名
      Nemoto Takahiro、Ocari Tommaso、Planul Arthur、Tekinsoy Muge、Zin Emilia A.、Dalkara Deniz、Ferrari Ulisse
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 14 号: 1 ページ: 8504-8504

    • DOI

      10.1038/s41467-023-43967-9

    • 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] Uncursing winner’s curse: on-line monitoring of directed evolution convergence2023

    • 著者名/発表者名
      Nemoto Takahiro、Ocari Tommaso、Planul Arthur、Tekinsoy Muge、Zin Emilia A.、Dalkara Deniz、Ferrari Ulisse
    • 雑誌名

      bioRxiv

      巻: -

    • DOI

      10.1101/2023.01.03.522172

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Should I be satisfied by my directed evolution experiment? A machine learning approach?2022

    • 著者名/発表者名
      Nemoto Takahiro、Ocari Tommaso、Zin Emilia A.、Tekinsoy Muge、Zin Emilia A.、Dalkara Deniz、Ferrari Ulisse
    • 学会等名
      European society of gene & cell therapy 29th annual congress
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Can machine learning predict which AAV capsids are viable after 7mer insertion?2022

    • 著者名/発表者名
      Ocari Tommaso、Nemoto Takahiro、Zin Emilia A.、Tekinsoy Muge、Zin Emilia A.、Dalkara Deniz、Ferrari Ulisse
    • 学会等名
      European society of gene & cell therapy 29th annual congress
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Selectivity Analysis for Identifying the Best Performing Variants in Directed Evolution Screens2022

    • 著者名/発表者名
      Zin Emilia A.、Ocari Tommaso、Tekinsoy Muge、Nemoto Takahiro、Ferrari Ulisse、Dalkara Deniz
    • 学会等名
      European society of gene & cell therapy 29th annual congress
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [備考] ACIDES:スクリーニング解析アルゴリズムの技術革新

    • URL

      https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2023/20231226_1

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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