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疾患-治療薬経路グラフの高次元化研究

研究課題

研究課題/領域番号 23K21721
補助金の研究課題番号 21H03547 (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62010:生命、健康および医療情報学関連
研究機関長浜バイオ大学

研究代表者

白井 剛  長浜バイオ大学, バイオサイエンス学部, 教授 (00262890)

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 *注記
15,340千円 (直接経費: 11,800千円、間接経費: 3,540千円)
2025年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2024年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2023年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2022年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2021年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
キーワード生命分子計算 / 生体超分子構造 / データサイエンス医療 / グラフ理論
研究開始時の研究の概要

疾患とその治療薬の関係は分子構造・分子間相互作用データにより一般的に定義可能か?この問に既存の疾患原因となる遺伝子・タンパク質、既存の治療薬、およびそれらの分子相互作用グラフデータの高次元化により答え、新規の疾患に対する新規の治療薬ターゲットを発見するアルゴリズムを定義する。

研究実績の概要

昨年度の研究で、疾患-治療薬経路グラフデータ高次化のために、主として医薬品(ドラッグ)立体構造モデルの構築および立体構造データの疾患-治療薬経路グラフへの連結するためのモデリングのためのパイプラインを構築し高分子薬(抗体・核酸など約500分子)を除く約21,000の構造モデルを構築した。引き続き本年度は2024年度計画に従い、高分子薬の構造モデリングについて必要となる翻訳後修飾・人為的修飾など手動モデリングの過程を、alphafold2などを活用しながら構築をすすめ、主に核酸医薬品など全体の80%程度(医薬品の全数としては22,148分子)のモデルを構築した。さらに医薬品アノーテーションの高度化を目的として、高分子薬の種別(タンパク質(713分子)、核酸(77分子)、糖鎖(36分子)、抗体(620分子)、ワクチン成分(26分子)、その他の高分子(229分子))の判別子および解剖治療化学分類(ATC: Anatomical Therapeutic Chemical)コード(5587分子)のデータをグラフデータに付け加えた。また、これまで機械学習で使用する、医薬品と疾患をつなぐタンパク質の識別コードは既成のAutoEncoderの出力を使用していたが、独自のエンコーディングを実装するために、タンパク質配列ペアの頻度マトリックスをオートエンコーディングする機械学習器を試作しテストした。テストでは、配列(正確にはタンパク質配列ペアの頻度マトリックス)を、20次元程度のベクトルにエンコーディグ(これがタンパク質のコードとなる)して、相関係数0.7程度で元のマトリックスを再現可能であった。

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

2023年度実績の概要に述べた様に、当初計画から変更なく概ね計画に沿って進行していると判断した。

今後の研究の推進方策

今年度は引き続き、高分子薬の構造モデルの構築とターゲットタンパク質との複合体構造データの作成を行い、疾患-治療薬経路グラフへの連結を推進する。モデリングのためのパイプラインは引き続き翻訳後修飾の処理などのため改善する。また、ターゲットタンパク質複合体構造とSIRD(https://sird.nagahama-i-bio.ac.jp/sird/)など独自開発した構造分類データベースを融合して、ドメインなどの分割を考慮した疾患-治療薬経路グラフの高度化と機械学習の高度化を引き続き行う。基礎的なデータが整いつつあるので、本年度はrandom forest(RF)またはGNN(graph neural network)などの、現状(GBDT, Gradient Boosted Decision Tree)とは異なるモデルによる機械学習器の構築を行い、判別・予測性能の比較を行う。特に2023年度から着手した、独自のAuto Encoder により予測性能が向上するか否かを検証する。また同様の試みとして、医薬品の分子構造をグラフコンボリューショナルニューラルネットを介して入力データとする方法も検討する。これにより、医薬品の構造類似性の判別性能が向上することが期待できる。

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (33件)

すべて 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (16件) (うち国際共著 1件、 査読あり 16件、 オープンアクセス 15件) 学会発表 (11件) (うち招待講演 7件) 図書 (5件) 産業財産権 (1件) (うち外国 1件)

  • [雑誌論文] Proximity extracellular protein-protein interaction analysis of EGFR using AirID-conjugated fragment of antigen binding2023

    • 著者名/発表者名
      Yamada Kohdai、Shioya Ryouhei、Nishino Kohei、Furihata Hirotake、Hijikata Atsushi、Kaneko Mika K.、Kato Yukinari、Shirai Tsuyoshi、Kosako Hidetaka、Sawasaki Tatsuya
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 14 号: 1 ページ: 8301-8301

    • DOI

      10.1038/s41467-023-43931-7

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Two single-point mutations in Ankyrin Repeat one drastically change the threshold temperature of TRPV12023

    • 著者名/発表者名
      Shogo Hori, Michihiro Tateyama, Tsuyoshi Shirai, Yoshihiro Kubo, Osamu Saitoh
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 14 号: 1 ページ: 2415-2415

    • DOI

      10.1038/s41467-023-38051-1

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Changes in the hydrophobic network of the FliGMC domain induce rotational switching of the flagellar motor2023

    • 著者名/発表者名
      Nishikino Tatsuro、Hijikata Atsushi、Kojima Seiji、Shirai Tsuyoshi、Kainosho Masatsune、Homma Michio、Miyanoiri Yohei
    • 雑誌名

      iScience

      巻: 26 号: 8 ページ: 107320-107320

    • DOI

      10.1016/j.isci.2023.107320

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Involvement of mTOR pathway in neurodegeneration in NSF-related developmental and epileptic encephalopathy2023

    • 著者名/発表者名
      Hayashi Takahiro、Yano Naoko、Kora Kengo、Yokoyama Atsushi、Maizuru Kanako、Kayaki Taisei、Nishikawa Kinuko、Osawa Mitsujiro、Niwa Akira、Takenouchi Toshiki、Hijikata Atsushi、Shirai Tsuyoshi、Suzuki Hisato、Kosaki Kenjiro、Saito Megumu K、Takita Junko、Yoshida Takeshi
    • 雑誌名

      Human Molecular Genetics

      巻: 32 号: 10 ページ: 1683-1697

    • DOI

      10.1093/hmg/ddad008

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A novel variant of NR5A1, p.R350W implicates potential interactions with unknown co-factors or ligands2023

    • 著者名/発表者名
      Gau Maki、Suga Ryota、Hijikata Atsushi、Kashimada Ayako、Takagi Masatoshi、Nakagawa Ryuichi、Takasawa Kei、Shirai Tsuyoshi、Kashimada Kenichi、Morio Tomohiro
    • 雑誌名

      Frontiers in Endocrinology

      巻: 13 ページ: 1033074-1033074

    • DOI

      10.3389/fendo.2022.1033074

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Improvement of Protein Solubility in Macromolecular Crowding during Myoglobin Evolution2022

    • 著者名/発表者名
      Isogai Yasuhiro、Imamura Hiroshi、Sumi Tomonari、Shirai Tsuyoshi
    • 雑誌名

      Biochemistry

      巻: 61 号: 15 ページ: 1543-1547

    • DOI

      10.1021/acs.biochem.2c00166

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Role of a bacterial glycolipid in Sec-independent membrane protein insertion2022

    • 著者名/発表者名
      Nomura K, Mori S, Fujikawa K, Osawa T, Tsuda S, Yoshizawa-Kumagaye K, Masuda S, Nishio H, Yoshiya T, Yoda T, Shionyu M, Shirai T, Nishiyama KI, Shimamoto K.
    • 雑誌名

      Sci Rep.

      巻: 12 号: 1 ページ: 12231-12231

    • DOI

      10.1038/s41598-022-16304-1

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Physiological levels of poly(ADP-ribose) during the cell cycle regulate HeLa cell proliferation2022

    • 著者名/発表者名
      Yamashita S, Tanaka M, Ida C, Kouyama K, Nakae S, Matsuki T, Tsuda M, Shirai T, Kamemura K, Nishi Y, Moss J, Miwa, M
    • 雑誌名

      Experimental Cell Research

      巻: 417 号: 1 ページ: 113163-113163

    • DOI

      10.1016/j.yexcr.2022.113163

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Intermolecular Interactions between a Membrane Protein and a Glycolipid Essential for Membrane Protein Integration2022

    • 著者名/発表者名
      Mori Shoko、Nomura Kaoru、Fujikawa Kohki、Osawa Tsukiho、Shionyu Masafumi、Yoda Takao、Shirai Tsuyoshi、Tsuda Shugo、Yoshizawa-Kumagaye Kumiko、Masuda Shun、Nishio Hideki、Yoshiya Taku、Suzuki Sonomi、Muramoto Maki、Nishiyama Ken-ichi、Shimamoto Keiko
    • 雑誌名

      ACS Chemical Biology

      巻: 17 号: 3 ページ: 609-618

    • DOI

      10.1021/acschembio.1c00882

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] DNA polymerase D temporarily connects primase to the CMG-like helicase before interacting with proliferating cell nuclear antigen2021

    • 著者名/発表者名
      Oki Keisuke、Yamagami Takeshi、Nagata Mariko、Mayanagi Kouta、Shirai Tsuyoshi、Adachi Naruhiko、Numata Tomoyuki、Ishino Sonoko、Ishino Yoshizumi
    • 雑誌名

      Nucleic Acids Research

      巻: 49 号: 8 ページ: 4599-4612

    • DOI

      10.1093/nar/gkab243

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Evaluating cepharanthine analogues as natural drugs against SARS‐CoV‐22021

    • 著者名/発表者名
      Hijikata Atsushi、Shionyu‐Mitsuyama Clara、Nakae Setsu、Shionyu Masafumi、Ota Motonori、Kanaya Shigehiko、Hirokawa Takatsugu、Nakajima Shogo、Watashi Koichi、Shirai Tsuyoshi
    • 雑誌名

      FEBS Open Bio

      巻: 12 号: 1 ページ: 285-294

    • DOI

      10.1002/2211-5463.13337

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Potential Anti-COVID-19 Agents, Cepharanthine and Nelfinavir, and Their Usage for Combination Treatment2021

    • 著者名/発表者名
      H. Ohashi, K. Watashi, W. Saso, K. Shionoya, et al.
    • 雑誌名

      iScience

      巻: 24 号: 4 ページ: 335-337

    • DOI

      10.1016/j.isci.2021.102367

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Structure of mitogen-activated protein kinase kinase 1 in the DFG-out conformation2021

    • 著者名/発表者名
      Nakae Setsu、Kitamura Maho、Fujiwara Daisuke、Sawa Masaaki、Shirai Tsuyoshi、Fujii Ikuo、Tada Toshiji
    • 雑誌名

      Acta Crystallographica Section F Structural Biology Communications

      巻: 77 号: 12 ページ: 459-464

    • DOI

      10.1107/s2053230x21011687

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Current status of structure-based drug repurposing against COVID-19 by targeting SARS-CoV-2 proteins2021

    • 著者名/発表者名
      Hijikata Atsushi、Shionyu Clara、Nakae Setsu、Shionyu Masafumi、Ota Motonori、Kanaya Shigehiko、Shirai Tsuyoshi
    • 雑誌名

      Biophysics and Physicobiology

      巻: 18 号: 0 ページ: 226-240

    • DOI

      10.2142/biophysico.bppb-v18.025

    • NAID

      130008106407

    • ISSN
      2189-4779
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Common and unique strategies of myoglobin evolution for deep-sea adaptation of diving mammals2021

    • 著者名/発表者名
      Isogai Yasuhiro, Imamura Hiroshi, Nakae Setsu, Sumi Tomonari, Takahashi Ken-ichi, Shirai Tsuyoshi
    • 雑誌名

      iScience

      巻: 24 号: 8 ページ: 102920-102920

    • DOI

      10.1016/j.isci.2021.102920

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] SARS-CoV-2タンパク質構造モデルによる薬剤候補予測2021

    • 著者名/発表者名
      HIJIKATA Atsushi、SHIONYU-MITSUYAMA Clara、NAKAE Setsu、SHIONYU Masafumi、OTA Motonori、KANAYA Shigehiko、SHIRAI Tsuyoshi
    • 雑誌名

      生物物理

      巻: 61 号: 2 ページ: 102-106

    • DOI

      10.2142/biophys.61.102

    • NAID

      130008002757

    • ISSN
      0582-4052, 1347-4219
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] すべての生体分子情報がオンラインされた世界での生物学2023

    • 著者名/発表者名
      白井 剛
    • 学会等名
      第23回名古屋大学遺伝子実験施設公開セミナー「シン・タンパク質生命科学
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Introduction: IDRs as New Drug Targets,2023

    • 著者名/発表者名
      白井 剛
    • 学会等名
      日本生物物理学会第61回年会シンポジウム「Biophysical approaches against the drug target proteins involving intrinsically disordered regions」
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] どのようにAIと付き合って行くべきか?2023

    • 著者名/発表者名
      白井 剛
    • 学会等名
      アジア経済研究会 第80回定例会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 祖先型タンパク質再現による生物の環境適応戦略の解析2023

    • 著者名/発表者名
      白井 剛
    • 学会等名
      バイオインタラクション研究会 第20回ワークショップ
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 祖先型遺伝子の再現によるタンパク質生体機能進化の研究2023

    • 著者名/発表者名
      白井 剛
    • 学会等名
      第834回 生医研セミナー(多階層生体防御システム研究拠点)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Archaea由来エンドヌクレアーゼEndoMSの構造解析と変異体の論理的設計2022

    • 著者名/発表者名
      白井 剛
    • 学会等名
      第34回日本 Archaea 研究会講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 構造情報の生物学における位置付けについて2022

    • 著者名/発表者名
      白井 剛
    • 学会等名
      第32回バイオメディカル研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 天然物データベースの高度化と構造創薬への応用2021

    • 著者名/発表者名
      塩生 くらら, 塩生 真史, 土方敦司, 太田 元規, 金谷 重彦, 白井 剛
    • 学会等名
      第21回日本蛋白質科学会年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 「物理の力」で病気と闘う?2021

    • 著者名/発表者名
      白井剛
    • 学会等名
      第59回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 疾患―タンパク質―ドラッグのネットワークグラフを用いた新しい創薬ターゲット予測法2021

    • 著者名/発表者名
      土方敦司, 塩生真史, 白井 剛
    • 学会等名
      第59回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Drug Target eXcavator: 新規ヒト創薬ターゲット探索ツールの開発2021

    • 著者名/発表者名
      土方敦司, 塩生真史, 白井剛
    • 学会等名
      第21回日本蛋白質科学会年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [図書] タンパク質の構造解析手法とIn silicoスクリーニングへの応用事例2023

    • 著者名/発表者名
      白井 剛
    • 総ページ数
      4
    • 出版者
      技術情報協会
    • ISBN
      9784861049958
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [図書] Poly(ADP-Ribose) Polymerase2022

    • 著者名/発表者名
      Ida C, Yamashita S, Eguchi T, Kuroda Y, Nakae S, Nishi Y, Kamemura K, Shirai T, Mizukami T, Tanaka M, Moss J, Miwa M
    • 総ページ数
      10
    • 出版者
      Humana New York, NY
    • ISBN
      9781071628911
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [図書] データサイエンスの歩き方2022

    • 著者名/発表者名
      滋賀大学データサイエンス学部、長崎大学情報データ科学部
    • 総ページ数
      256
    • 出版者
      学術図書出版社
    • ISBN
      9784780609363
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [図書] 創薬研究のための相互作用解析パーフェクト2021

    • 著者名/発表者名
      由良 敬, 鈴木博文, 栗栖源嗣,川端 猛,木下賢吾,白井 剛,土方敦司,田之倉優
    • 総ページ数
      368
    • 出版者
      羊土社
    • ISBN
      9784758122566
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [図書] バイオインフォマティクス入門 第2版2021

    • 著者名/発表者名
      白井 剛
    • 総ページ数
      200
    • 出版者
      慶應義塾大学出版会
    • ISBN
      9784766427912
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [産業財産権] Methods of utilizing thermostable mismatch endonuclease2021

    • 発明者名
      T Uemori, 4名, T Shirai
    • 権利者名
      T Uemori, 4名, T Shirai
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2021
    • 取得年月日
      2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 外国

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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