精神疾患の階層横断的理解を加速する数理モデリング技術の開発

• 研究領域: マルチスケール精神病態の構成的理解
• 研究課題/領域番号: 19H05210
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 生物系
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 島村 徹平 名古屋大学, 医学系研究科, 教授 (00623943)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2020年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円); 2019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: 数理モデリング / モジュールネットワーク / 種間横断的解析 / 臓器連関 / システム生物学 / 行列因子分解 / ネットワーク解析 / スパースモデリング

研究開始時の研究の概要

本研究では、脳の複雑な階層性を超えて、精神病態を統合的に理解するため、精神疾患の階層横断的理解を加速する数理モデリング技術を開発する。本研究課題の推進により、階層別に解析することで生じる情報損失を回避するとともに、個別に行われてきた精神疾患研究を統合的に捉えるための情報解析基盤の構築、複雑な生命現象をマルチスケールの観点から俯瞰的に思考するといった生命科学研究における新しいパラダイムの創出が期待される。

研究実績の概要

本研究では、生命現象を階層ごとの閉じた情報の中で捉えようとする従前のアプローチを克服し、脳の複雑な階層性を加味して精神疾患を高次脳機能におけるシステムレベルの障害として包括的に理解するため、精神疾患の階層横断的理解を加速するための数理モデリング技術を開発する。本研究課題の推進により、階層別に解析することで生じる情報損失を回避するとともに、個別に行われてき精神疾患研究を統合的に捉えるための情報解析基盤の構築、複雑な生命現象をマルチスケールの観点から俯瞰的に思考するといった生命科学研究における新しいパラダイムの創出が期待される。２０２０年度は以下の進展があった。
①種間横断的検証を可能にする機械学習技術の開発：前年度の結果をまとめ、ヒトやマウスなどの種の異なるオミクスデータ、あるいは異なる階層のオミクス情報などのマルチモーダルデータを統合解析する機械学習技術（BALSAMICO）をgithub上に公開した。また、統合解析技術の精度向上を図るため、新たに深層学習技術を取り入れた手法（scMM）を開発し、シミュレーションデータおよび実データで、解析技術の有用性を確認した。
②モジュールネットワーク比較のための機械学習技術の開発：前年度開発したモジュールネットワーク比較手法をスパコン上で実行する解析パイプラインを構築し、シミュレーションデータおよび実データで、解析技術の有用性・汎用性を確認した。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Hierarchical non-negative matrix factorization using clinical information for microbial communities (2021)
  • 著者名/発表者名: Abe Ko、Hirayama Masaaki、Ohno Kinji、Shimamura Teppei
  • 雑誌名: BMC Genomics 巻: 22 号: 1 ページ: 104-104
  • DOI: 10.1186/s12864-021-07401-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Short-Chain Fatty Acid-Producing Gut Microbiota Is Decreased in Parkinson’s Disease but Not in Rapid-Eye-Movement Sleep Behavior Disorder (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishiwaki Hiroshi、Hamaguchi Tomonari、Ito Mikako、Ishida Tomohiro、Maeda Tetsuya、Kashihara Kenichi、Tsuboi Yoshio、Ueyama Jun、Shimamura Teppei、Mori Hiroshi、Kurokawa Ken、Katsuno Masahisa、Hirayama Masaaki、Ohno Kinji
  • 雑誌名: mSystems 巻: 5 号: 6
  • DOI: 10.1128/msystems.00797-20
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] CYBERTRACK2.0: zero-inflated model-based cell clustering and population tracking method for longitudinal mass cytometry data (2020)
  • 著者名/発表者名: Minoura K*, Abe K*, Maeda Y, Nishikawa H, Shimamura T§
  • 雑誌名: Bioinformatics 巻: - 号: 11 ページ: 873-873
  • DOI: 10.1093/bioinformatics/btaa873
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Model-based clustering for flow and mass cytometry data with clinical information (2020)
  • 著者名/発表者名: Abe K, Minoura K, Maeda Y, Nishikawa H, Shimamura T§
  • 雑誌名: BMC Bioinformatics 巻: 21(Suppl 13) 号: S13 ページ: 393-393
  • DOI: 10.1186/s12859-020-03671-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] ARHGAP10, which encodes Rho GTPase-activating protein 10, is a novel gene for schizophrenia risk (2020)
  • 著者名/発表者名: Mariko Sekiguchi, Akiko Kodama,... Emiko Shishido,... Daisuke Mori, Norio Ozaki
  • 雑誌名: Translational psychiatry 巻: 10 号: 1 ページ: 1-15
  • DOI: 10.1038/s41398-020-00917-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Integrated multiomics analysis of hepatoblastoma unravels its heterogeneity and provides novel druggable targets. (2020)
  • 著者名/発表者名: Sekiguchi M, Seki M, Kawai T, Yoshida K, Yoshida M, Isobe T, Hoshino N, Shirai R, Tanaka M, Souzaki R, Watanabe K, Arakawa Y, Nannya Y, Suzuki H, Fujii Y, Kataoka K, Shiraishi Y, Chiba K, Tanaka H, Shimamura T, Sato Y, Sato-Otsubo A, Kimura S, Kubota Y, Hiwatari M, et al
  • 雑誌名: NPJ Precis Oncol. 巻: Jul 7;4:20. 号: 1 ページ: 20-20
  • DOI: 10.1038/s41698-020-0125-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Meta‐Analysis of Gut Dysbiosis in Parkinson's Disease (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishiwaki Hiroshi、Ito Mikako、Ishida Tomohiro、Hamaguchi Tomonari、Maeda Tetsuya、Kashihara Kenichi、Tsuboi Yoshio、Ueyama Jun、Shimamura Teppei、Mori Hiroshi、Kurokawa Ken、Katsuno Masahisa、Hirayama Masaaki、Ohno Kinji
  • 雑誌名: Movement Disorders 巻: 35 号: 9 ページ: 1626-1635
  • DOI: 10.1002/mds.28119
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] EXOSC9 depletion attenuates P-body formation, stress resistance, and tumorigenicity of cancer cells. (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshino S, Matsui Y, Fukui Y, Seki M, Yamaguchi K, Kanamori A, Saitoh Y, Shimamura T, Suzuki Y, Furukawa Y, Kaneko S, Seiki M, Murakami Y, Inoue JI, Sakamoto T.
  • 雑誌名: Sci Rep 巻: 10 号: 1 ページ: 9275-9275
  • DOI: 10.1038/s41598-020-66455-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Coordinated demethylation of H3K9 and H3K27 is required for rapid inflammatory responses of endothelial cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Higashijima Y, Matsui Y, Shimamura T, Nakaki R, Nagai N, Tsutsumi S, Abe Y, Link VM, Osaka M, Yoshida M, Watanabe R, Tanaka T, Taguchi A, Miura M, Ruan X, Li G, Inoue T, Nangaku M, Kimura H, Furukawa T, Aburatani H, Wada Y, Ruan Y, Glass CK, Kanki Y
  • 雑誌名: The EMBO Journal 巻: 39 号: 7 ページ: 1-1
  • DOI: 10.15252/embj.2019103949
  • NAID: 120006902140
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Model-based cell clustering and population tracking for time-series flow cytometry data. (2019)
  • 著者名/発表者名: Minoura K, Abe K, Maeda Y, Nishikawa H, Shimamura T.
  • 雑誌名: BMC Bioinformatics 巻: 20(Suppl 23) 号: S23 ページ: 633-633
  • DOI: 10.1186/s12859-019-3294-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Phosphoethanolamine Accumulation Protects Cancer Cells under Glutamine Starvation through Downregulation of PCYT2 (2019)
  • 著者名/発表者名: Osawa T, Shimamura T, Saito K, Hasegawa Y, Ishii N, Nishida M, Ando R, Kondo A, Anwar M, Kato K, Endo K, Yamano S, Kanki Y, Matsumura Y, Minami T, Tanaka T, Anai M, Wada Y, Wanibuchi H, Hayashi M, Hamada A, Yoshida M, Yachida S, Nakao M, Sakai J, Aburatani H, Shibuya M, Hanada K, Miyano S, Soga T, Kodama T
  • 雑誌名: Cell Rep. 巻: 29(1) 号: 1 ページ: 89-103
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2019.08.087
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Replication stress triggers microsatellite destabilization and hypermutation leading to clonal expansion in vitro (2019)
  • 著者名/発表者名: Matsuno Yusuke、Atsumi Yuko、Shimizu Atsuhiro、Katayama Kotoe、Fujimori Haruka、Hyodo Mai、Minakawa Yusuke、Nakatsu Yoshimichi、Kaneko Syuzo、Hamamoto Ryuji、Shimamura Teppei、Miyano Satoru、Tsuzuki Teruhisa、Hanaoka Fumio、Yoshioka Ken-ichi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 号: 1 ページ: 3925-3925
  • DOI: 10.1038/s41467-019-11760-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Distinct methylation levels of mature microRNAs in gastrointestinal cancers (2019)
  • 著者名/発表者名: Konno Masamitsu、Koseki Jun、Asai Ayumu、Yamagata Akira、Shimamura Teppei、Motooka Daisuke、Okuzaki Daisuke、Kawamoto Koichi、Mizushima Tsunekazu、Eguchi Hidetoshi、Takiguchi Shuji、Satoh Taroh、Mimori Koshi、Ochiya Takahiro、Doki Yuichiro、Ofusa Ken、Mori Masaki、Ishii Hideshi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 号: 1 ページ: 3888-3888
  • DOI: 10.1038/s41467-019-11826-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Meflin-Positive Cancer-Associated Fibroblasts Inhibit Pancreatic Carcinogenesis. (2019)
  • 著者名/発表者名: Mizutani Y, Kobayashi H, Iida T, Asai N, Masamune A, Hara A, Yamaguchi J, Wang T, Woods SL, Worthley D, Shimamura T, Fujishiro M, Hirooka Y, Enomoto A, Takahashi M. et al.
  • 雑誌名: Cancer Res. 巻: 79 号: 20 ページ: 5367-5381
  • DOI: 10.1158/0008-5472.can-19-0454
  • NAID: 120006786261
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Pathogenic Epigenetic Consequences of Genetic Alterations in IDH-Wild-Type Diffuse Astrocytic Gliomas (2019)
  • 著者名/発表者名: Ohka Fumiharu、Shinjo Keiko、Deguchi Shoichi、Matsui Yusuke et al.
  • 雑誌名: Cancer Research 巻: 79 号: 19 ページ: 4814-4827
  • DOI: 10.1158/0008-5472.can-19-1272
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Divergent lncRNA MYMLR regulates MYC by eliciting DNA looping and promoter-enhancer interaction (2019)
  • 著者名/発表者名: Kajino T, Shimamura T, Gong S, Yanagisawa K, Ida L, Nakatochi M, Griesing S, Shimada Y, Kano K, Suzuki M, Miyano S
  • 雑誌名: EMBO J 巻: 38 号: 17 ページ: 1-13
  • DOI: 10.15252/embj.201798441
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] ENIGMA: An Enterotype-Like Unigram Mixture Model for Microbial Association Analysis. (2019)
  • 著者名/発表者名: Abe K, Hirayama H, Ohno K, Shimamura T.
  • 雑誌名: BMC Genomics 巻: 20(Suppl 2) 号: S2 ページ: 191-191
  • DOI: 10.1186/s12864-019-5476-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Regnase-1-mediated post-transcriptional regulation is essential for hematopoietic stem and progenitor cell homeostasis (2019)
  • 著者名/発表者名: Kidoya H, Muramatsu F, Shimamura T, Jia W, Satoh T, Hayashi Y, Naito H, Kunisaki Y, Arai F, Seki M, Suzuki Y, Osawa T, Akira S., Takakura N.
  • 雑誌名: Nature Commun, 巻: 10 号: 1 ページ: 1072-1072
  • DOI: 10.1038/s41467-019-09028-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A Network of Networks Approach for Modeling Interconnected Brain Tissue-Specific Networks. (2019)
  • 著者名/発表者名: Kawakubo H, Matsui Y, Kushima I, Ozaki N, Shimamura T.
  • 雑誌名: Bioinformatics 巻: - 号: 17 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1093/bioinformatics/btz032
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 細胞集団のダイナミクスを捉えるためのベイズモデリング (2021)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 第5回理論免疫学ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] がん研究における一細胞解析のためのモデリング・AI 技術の最新動向 (2020)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 第79回日本癌学会学術総会
  • 招待講演
• [学会発表] 臓器連関トランスオミクス解析のためのベイズモデリング (2020)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 第93回日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] 今こそ知りたい！行列因子分解～ゼロから始めるマルチオミクス解析～ (2020)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 代謝統合オミクス若手技術セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] データサイエンスを駆動力とした多細胞ダイナミクスの数理モデリング (2020)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 新学術領域「細胞ダイバース」第3回若手ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] 数理モデリングによる生命現象の理解と制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 東北大学加齢研究所セミナー・キャノンメディカルシステムズARL共催セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 多細胞時空間動態のベイズモデリングとその応用 (2020)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 第2回日本メディカルAI学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] 多細胞時空間解析のためのデータサイエンス (2019)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 第11回がんゲノム・エピゲノム数理統計研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 多細胞時空間解析のためのデータサイエンス (2019)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 第42回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 医学と予兆学～疾病発生および治癒効果の予兆に向けて～ (2019)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 名古屋大学予兆学シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 一細胞遺伝子発現プロファイルからの細胞集団および細胞間コミュニケーションの動態モデリング (2019)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 第57回日本生物物理学会
  • 招待講演
• [学会発表] 一細胞時空間オミクス解析のためのデータサイエンス (2019)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 第92回日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] がん免疫療法の耐性化ダイナミクスを理解するための数理モデリング (2019)
  • 著者名/発表者名: 阿部興、島村徹平
  • 学会等名: 日本バイオインフォマティクス学会2019年年会・第8回生命医薬情報学連合大会
  • 招待講演
• [学会発表] 拡張された非負値行列因子分解によるオミクスデータの解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 2019年度統計関連学会連合大会
  • 招待講演
• [学会発表] データサイエンスを駆動力とした多細胞時空間動態のモデリング (2019)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: Single-Cell 2019 OSAKAセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] データサイエンスとAIで迫る時空間オミクス研究の現在と未来 (2019)
  • 著者名/発表者名: 島村徹平
  • 学会等名: 大阪大学蛋白質研究所セミナー「がん研究の新機軸」
  • 招待講演