集団遺伝学における統計的機械学習と感染症疫学への応用

• 研究課題/領域番号: 23K21692
• 補助金の研究課題番号: 21H03490 (2021-2023)
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 基金 (2024); 補助金 (2021-2023)
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分61030:知能情報学関連
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 伊藤 公人 北海道大学, 人獣共通感染症国際共同研究所, 教授 (60396314)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 16,770千円 (直接経費: 12,900千円、間接経費: 3,870千円); 2025年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2024年度: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円); 2023年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2022年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円); 2021年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: 集団遺伝学 / 統計的機械学習 / 感染症疫学 / 感染症数理疫学 / SARS-CoV-2 / 機械学習 / インフルエンザ / 相対実効再生産数 / 変異株 / 流行予測 / 世代時間 / デルタ株 / オミクロン株 / COVID-19

研究開始時の研究の概要

現在，新型コロナウイルスをはじめとする様々な感染症について，ウイルスのゲノム情報と感染者の疫学情報が急速に蓄積されている。集団遺伝学では，集団内の遺伝子の多様性により，集団内サイズの変化を推定する。一方，感染症疫学では，感染者数の時系列変化を基に再生産数を推定する。本研究では，集団遺伝学モデルと疫学モデルを融合し，変異ウイルスの集団に占める割合の時間変動をモデル化する。実際に観測される遺伝子データと疫学データを統計的機械学習により解析し，変異株の割合がどのように変化するかを予測する。予測した変異株の割合と観測データを比較し，予測の精度を検証する。

研究実績の概要

本研究では，遺伝子の多様性を表す集団遺伝学モデルに感染者数を表す疫学モデルを組み込み，ウイルスの多様性から感染者数や変異ウイルスの割合の時間変動を推定する手法を開発し，実際に観測される遺伝子データと疫学データを統計的機械学習により解析し，データ同化の手法を用いて感染者数や変異株の割合がどのように変化するかをリアルタイムに予測するとともに，予測の精度を検証することを目的としている。
2022年度までに変異株の従来株に対する相対実効再生産数を計算し，従来株から変異株への置き換わりを予測する手法を開発した。2023年度は，本手法をブラジルでのSARS-CoV-2変異株の置き換わりのデータに適用した。ブラジルでのガンマ株からデルタ株，デルタ株からオミクロンBA.1株への置き換わりを解析した結果，本手法により推定された相対実効再生産数は，Birth-Death-Skyline モデルで推定した実効再生産数の比とほぼ一致していることを明らかにした (Nat Comm, 2023)。また，同手法を用いて，ブラジルで流行するXBBの変異株を解析した結果， XBB＋F486P株，XBB＋F486P＋F456L株，XBB＋F486P＋F456L＋L455F株の他の流行株（主にBQ.1/BE株）に対する相対実効再生産数は，それぞれ1.24，1.33，1.48であることを明らかにした (Microbiol Spectr, 2024)。

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

SARS-CoV-2の変異株の割合がどのように変化するかをリアルタイムに予測する手法を確立し，各国のデータを用いて検証している。

今後の研究の推進方策

現在のモデルでは，変異株間の相対実効再生算数がすべて異なると仮定していた。この仮定を緩め，複数の株が同じ相対実効再生産数を持つことを許す数理モデルを構築し，効率的な最適モデルの探索アルゴリズムを開発する。

研究成果

• [国際共同研究] Oswaldo Cruz Foundation(ブラジル)
• [国際共同研究] Iowa State University(米国)
• [国際共同研究] Duke-NUS Medical School(シンガポール)
• [国際共同研究] Instituto Oswaldo Cruz(ブラジル)
• [雑誌論文] Extraction of the CDRH3 sequence of the mouse antibody repertoire selected upon influenza virus infection by subtraction of the background antibody repertoire (2024)
  • 著者名/発表者名: Shingai Masashi、Iida Sayaka、Kawai Naoko、Kawahara Mamiko、Sekiya Toshiki、Ohno Marumi、Nomura Naoki、Handabile Chimuka、Kawakita Tomomi、Omori Ryosuke、Yamagishi Junya、Sano Kaori、Ainai Akira、Suzuki Tadaki、Ohnishi Kazuo、Ito Kimihito、Kida Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of Virology 巻: 98 号: 3
  • DOI: 10.1128/jvi.01995-23
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Spatiotemporal dynamics and epidemiological impact of SARS-CoV-2 XBB lineage dissemination in Brazil in 2023 (2024)
  • 著者名/発表者名: Arantes I, Gomes M, Ito K, Sarafim S, Graf T, Miyajima F, Khouri R, de Carvalho FC, de Almeida WAF, Siqueira MM, Resende PC, Naveca FG, Bello G; COVID-19 Fiocruz Genomic Surveillance Network
  • 雑誌名: Microbiology Spectrum 巻: 12 号: 3
  • DOI: 10.1128/spectrum.03831-23
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Link prediction on bipartite networks using matrix factorization with negative sample selection (2023)
  • 著者名/発表者名: Peng S, Yamamoto A, Ito K
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 18 号: 8 ページ: e0289568-e0289568
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0289568
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Comparative epidemic expansion of SARS-CoV-2 variants Delta and Omicron in the Brazilian State of Amazonas (2023)
  • 著者名/発表者名: Arantes I, Bello G, Nascimento V, Souza V, da Silva A, Silva D, Nascimento F, Mejia M, Brandao MJ, Goncalves L, Silva G, da Costa CF, Abdalla L, Santos JH, Ramos TCA, Piantham C, Ito K, Siqueira MM, Resende PC, Wallau GL, Delatorre E, Graf T, Naveca FG
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41467-023-37541-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Predicting the Trajectory of Replacements of SARS-CoV-2 Variants Using Relative Reproduction Numbers (2022)
  • 著者名/発表者名: Piantham C, Ito K.
  • 雑誌名: Viruses 巻: 14 号: 11 ページ: 2556-2556
  • DOI: 10.3390/v14112556
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Estimating relative generation times and reproduction numbers of Omicron BA.1 and BA.2 with respect to Delta variant in Denmark (2022)
  • 著者名/発表者名: Ito Kimihito、Piantham Chayada、Nishiura Hiroshi
  • 雑誌名: Mathematical Biosciences and Engineering 巻: 19 号: 9 ページ: 9005-9017
  • DOI: 10.3934/mbe.2022418
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Targeted sampling reduces the uncertainty in force of infection estimates from serological surveillance (2022)
  • 著者名/発表者名: Kim K, Ito K
  • 雑誌名: Frontiers in Veterinary Science 巻: 9 ページ: 754255-754255
  • DOI: 10.3389/fvets.2022.754255
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Inactivated whole influenza virus particle vaccines induce neutralizing antibodies with an increase in immunoglobulin gene subclones of B-lymphocytes in cynomolgus macaques (2022)
  • 著者名/発表者名: Shiohara M、Suzuki Saori、Shichinohe S、Ishigaki H、Nakayama M、Nomura N、Shingai M、Sekiya T、Ohno M、Iida S、Kawai N、Kawahara M、Yamagishi J、Ito K、Mitsumata R、Ikeda T、Motokawa K、Sobue T、Kida H、Ogasawara K、Itoh Y
  • 雑誌名: Vaccine 巻: 40 号: 30 ページ: 4026-4037
  • DOI: 10.1016/j.vaccine.2022.05.045
  • 査読あり
• [雑誌論文] Relative instantaneous reproduction number of Omicron SARS‐CoV‐2 variant with respect to the Delta variant in Denmark (2022)
  • 著者名/発表者名: Ito Kimihito、Piantham Chayada、Nishiura Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of Medical Virology 巻: 94 号: 5 ページ: 2265-2268
  • DOI: 10.1002/jmv.27560
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Estimating relative generation times and relative reproduction numbers of Omicron BA.1 and BA.2 with respect to Delta in Denmark (2022)
  • 著者名/発表者名: Ito Kimihito、Piantham Chayada、Nishiura Hiroshi
  • 雑誌名: medRxiv 巻: -
  • DOI: 10.1101/2022.03.02.22271767
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Predicting the time course of replacements of SARS-CoV-2 variants using relative reproduction numbers (2022)
  • 著者名/発表者名: Piantham Chayada、Ito Kimihito
  • 雑誌名: medRxiv 巻: -
  • DOI: 10.1101/2022.03.30.22273218
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Predicted dominance of variant Delta of SARS-CoV-2 before Tokyo Olympic Games, Japan, July 2021 (2021)
  • 著者名/発表者名: Ito Kimihito、Piantham Chayada、Nishiura Hiroshi
  • 雑誌名: Eurosurveillance 巻: 26 号: 27 ページ: 2100570-2100570
  • DOI: 10.2807/1560-7917.es.2021.26.27.2100570
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Relative Reproduction Number of SARS-CoV-2 Omicron (B.1.1.529) Compared with Delta Variant in South Africa (2021)
  • 著者名/発表者名: Nishiura Hiroshi、Ito Kimihito、Anzai Asami、Kobayashi Tetsuro、Piantham Chayada、Rodr?guez-Morales Alfonso J.
  • 雑誌名: Journal of Clinical Medicine 巻: 11 号: 1 ページ: 30-30
  • DOI: 10.3390/jcm11010030
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Modeling the selective advantage of new amino acids on the hemagglutinin of H1N1 influenza viruses using their patient age distributions (2021)
  • 著者名/発表者名: Piantham Chayada、Ito Kimihito
  • 雑誌名: Virus Evolution 巻: 7 号: 1
  • DOI: 10.1093/ve/veab049
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 相対再生産数を用いた新型コロナウイルス変異株の置き換わり予測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 伊藤公人
  • 学会等名: 2023 年度(第33 回)日本数理生物学会大会企画シンポジウム
• [学会発表] 集団遺伝学による新型コロナウイルス変異株の流行予測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 伊藤公人
  • 学会等名: 日本遺伝学会公開市民講座
  • 招待講演
• [学会発表] 集団遺伝学による新型コロナウイルス変異株の流行予測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 伊藤公人
  • 学会等名: 第24回情報論的学習理論ワークショップ (IBIS2021)