ベイズ深層学習による細胞ダイナミクスの新次元俯瞰

• 研究領域: 情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理
• 研究課題/領域番号: 22H04839
• 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: 複合領域
• 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): 2022-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 採択後辞退 (2023年度)
• 配分額: 8,710千円 (直接経費: 6,700千円、間接経費: 2,010千円); 2023年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2022年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
• キーワード: 深層生成モデル / ベイズモデリング / 一細胞オミクス / 空間トランスクリプトーム / 細胞ダイナミクス / 細胞間コミュニケーション / イメージング高解像度化

研究開始時の研究の概要

本研究では、申請者らが行ってきたベイズ推論と深層学習を機軸として、多細胞が生み出す生命現象の理解を深め、生命システムの設計原理を俯瞰するための新たな解析技術を開発する。本研究の推進により、細胞動態における細胞応答のゆらぎ（不確実性）を考慮した上で、細胞のダイナミクスや相互作用を考慮した多体系として多細胞システムを理解し、最終的に、細胞と周辺環境の多様な運命・応答をモデル化する情報解析基盤の構築、さらには複雑な生命現象をマルチモーダルと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

研究課題では、ベイズ推論と深層学習を機軸として、多細胞が生み出す生命現象の理解を深め、生命システムの設計原理を俯瞰するための新たな解析技術を開発する。具体的には、下記の解析技術を開発する。これら解析技術の有用性を、ヒト臨床サンプルおよび疾患モデル動物を用いた実験系、あるいは本領域の計画班・公募班が使用する実験系で検証する。2022年度は以下のような進展があった。１）ゆらぎを考慮した細胞動態シミュレーションのための深層生成モデルの開発：深層生成モデルと数理モデルの融合により、シングルセルトランスクリプトームデータから細胞状態遷移のゆらぎをシミュレートし、確率的な遺伝子発現変化や細胞運命分岐点を探索するための深層生成モデル VICDYF を開発した。２）共局在細胞を同定するための深層生成モデルの開発：一細胞解像度で細胞間の共局在ネットワークを推定するとともに、共局在関係によって定義される細胞集団の分類、関連するリガンドとレセプター間の分子パスウェイを同定するための深層生成モデル deepCOLORを開発した。３）多細胞が作り出す組織構造変化を抽出するベイズ機械学習の開発：組織透明化手法 CUBIC を用いて、マウスのさまざまな臓器を透明化し、血管・リンパ管を臓器のまま３次元かつ高解像度に可視化した画像データから、位相的データ解析や非定常ポアソン過程モデルなどの機械学習技術により、３次元の脈管構造の『かたち』を総合的に評価するための方法を開発した。４）多分子が作り出すタンパク構造変化を抽出するベイズ機械学習の開発：分子動力学シミュレーション、パーシステントホモロジー法、およびベイズ統計モデルを用いて、アミノ酸変異によって引き起こされるタンパク質構造変化の多様性を解析するための方法を開発した。

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

研究の基盤となるモデリング技術を開発し、シミュレーションデータおよび実データでその有用性を検証できたため。

今後の研究の推進方策

研究の基盤となるモデリング技術開発を引き続き進めるとともに、多細胞が生み出す生命現象の理解を深め、生命システムの設計原理を俯瞰するための新たな解析基盤を構築する。

研究成果

• [雑誌論文] Convergent genomic diversity and novel BCAA metabolism in intrahepatic cholangiocarcinoma (2023)
  • 著者名/発表者名: Kitagawa A, Osawa T,Noda M,Kobayashi Y, Aki S,Nakano Y,Saito T,Shimizu D,Komatsu H,Sugaya M,Takahashi J,...Mimori K.
  • 雑誌名: Br J Cancer 巻: - 号: 12 ページ: 22068-22068
  • DOI: 10.1038/s41416-023-02256-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Increased flexibility of the SARS-CoV-2 RNA-binding site causes resistance to remdesivir (2023)
  • 著者名/発表者名: Torii Shiho、Kim Kwang Su、Koseki Jun、Suzuki Rigel、Iwanami Shoya、Fujita Yasuhisa、Jeong Yong Dam、Ito Jumpei、Asakura Hiroyuki、Nagashima Mami、Sadamasu Kenji、Yoshimura Kazuhisa、Sato Kei、Matsuura Yoshiharu、Shimamura Teppei、Iwami Shingo、Fukuhara Takasuke、The Genotype to Phenotype Japan (G2P-Japan) Consortium
  • 雑誌名: PLOS Pathogens 巻: 19 号: 3 ページ: e1011231-e1011231
  • DOI: 10.1371/journal.ppat.1011231
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spatial and single-cell transcriptomics decipher the cellular environment containing HLA-G+ cancer cells and SPP1+ macrophages in colorectal cancer (2023)
  • 著者名/発表者名: Ozato Y, Mimori K(28番目）,他26名
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 42 号: 1 ページ: 111929-111929
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111929
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Bayesian statistical method for detecting structural and topological diversity in polymorphic proteins (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Shuto、Koseki Jun、Shimamura Teppei
  • 雑誌名: Computational and Structural Biotechnology Journal 巻: 20 ページ: 6519-6525
  • DOI: 10.1016/j.csbj.2022.11.038
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Smoking enhances the expression of angiotensin‐converting enzyme 2 involved in the efficiency of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 infection (2022)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Rigel、Ono Yuki、Noshita Koji、Kim Kwang Su、Ito Hayato、Morioka Yuhei、Tamura Tomokazu、Okuzaki Daisuke、Tagawa Tetsuzo、Takenaka Tomoyoshi、Yoshizumi Tomoharu、Shimamura Teppei、Iwami Shingo、Fukuhara Takasuke
  • 雑誌名: Microbiology and Immunology 巻: 67 号: 1 ページ: 22-31
  • DOI: 10.1111/1348-0421.13034
  • 査読あり
• [雑誌論文] Detecting time-evolving phenotypic components of adverse reactions against BNT162b2 SARS-CoV-2 vaccine via non-negative tensor factorization (2022)
  • 著者名/発表者名: Ikeda Kei、Nakada Taka-Aki、Kageyama Takahiro、Tanaka Shigeru、Yoshida Naoki、Ishikawa Tetsuo、Goshima Yuki、Otaki Natsuko、Iwami Shingo、Shimamura Teppei、Taniguchi Toshibumi、Igari Hidetoshi、Hanaoka Hideki、Yokote Koutaro、Tsuyuzaki Koki、Nakajima Hiroshi、Kawakami Eiryo
  • 雑誌名: iScience 巻: 25 号: 10 ページ: 105237-105237
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.105237
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Metabolic remodeling of pyrimidine synthesis pathway and serine synthesis pathway in human glioblastoma (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakamizo Akira、Miyamatsu Yuichiro、Hirose Haruka、Amano Toshiyuki、Matsuo Satoshi、Fujiwara Minako、Shimamura Teppei、Yoshimoto Koji
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 16277-16277
  • DOI: 10.1038/s41598-022-20613-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Metabolome and transcriptome analysis on muscle of sporadic inclusion body myositis. (2022)
  • 著者名/発表者名: Murakami, A., Noda, S., Kazuta, T., Hirano, S., Kimura, S., Nakanishi, H., Matsuo, K., Tsujikawa, K., Iida, M., Koike, H., Sakamoto, K., Hara, Y., Kuru, S., Kadomatsu, K., Shimamura, T., Ogi, T., Katsuno, M.
  • 雑誌名: Ann Clin Transl Neurol. 巻: 9 号: 10 ページ: 1602-1615
  • DOI: 10.1002/acn3.51657
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] An analysis modality for vascular structures combining tissue-clearing technology and topological data analysis (2022)
  • 著者名/発表者名: Takahashi K, Abe K, Kubota SI, Fukatsu N, Morishita Y, Yoshimatsu Y, Satoshi Hirakawa, Yoshiaki Kubota, Tetsuro Watabe, Shogo Ehata, Hiroki R. Ueda, Teppei Shimamura, Kohei Miyazono
  • 雑誌名: Nature Communiactions 巻: 13 号: 1 ページ: 5239-5239
  • DOI: 10.1038/s41467-022-32848-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A bifurcation concept for B-lymphoid/plasmacytoid dendritic cells with largely fluctuating transcriptome dynamics. (2022)
  • 著者名/発表者名: Nagaharu K, Kojima Y, Hirose H, Minoura K, Hinohara K, Minami H, Kageyama Y, Sugimoto Y, Masuya M, Nii S, Seki M, Suzuki Y, Tawara I, Shimamura T, Katayama N, Nishikawa H, Ohishi K.
  • 雑誌名: Cell Rep. 巻: 40 号: 9 ページ: 111260-111260
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111260
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] UVB-Induced Skin Autoinflammation Due to Nlrp1b Mutation and Its Inhibition by Anti-IL-1β Antibody (2022)
  • 著者名/発表者名: Murase Yuya、Takeichi Takuya、Koseki Jun、Miyasaka Yuki、Muro Yoshinao、Ohno Tamio、Shimamura Teppei、Akiyama Masashi
  • 雑誌名: Frontiers in Immunology 巻: 13 ページ: 876390-876390
  • DOI: 10.3389/fimmu.2022.876390
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Exome sequencing of Japanese schizophrenia multiplex families supports the involvement of calcium ion channels (2022)
  • 著者名/発表者名: Toyama Miho、Takasaki Yuto、Branko Aleksic、Kimura Hiroki、Kato Hidekazu、Nawa Yoshihiro、Kushima Itaru、Ishizuka Kanako、Shimamura Teppei、Ogi Tomoo、Ozaki Norio
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 17(5) 号: 5 ページ: e0268321-e0268321
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0268321
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 深層生成モデルで読み解く生命システムの動作原理 (2023)
  • 著者名/発表者名: 島村 徹平
  • 学会等名: 第7回理論免疫学ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] 深層学習による生体内微小環境の新次元俯瞰 (2022)
  • 著者名/発表者名: 島村 徹平
  • 学会等名: 第45回日本分子生物学会年会ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] 深層学習で細胞社会を読み解く (2022)
  • 著者名/発表者名: 島村 徹平
  • 学会等名: 第45回日本分子生物学会年会フォーラム
  • 招待講演
• [学会発表] 深層学習による生体内微小環境の新次元俯瞰 (2022)
  • 著者名/発表者名: 島村 徹平
  • 学会等名: LINK-Jセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 深層学習による生体内微小環境の新次元俯瞰 (2022)
  • 著者名/発表者名: 島村 徹平
  • 学会等名: 第95回日本生化学会大会企画シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 深層学習による生体内微小環境の新次元俯瞰 (2022)
  • 著者名/発表者名: 島村 徹平
  • 学会等名: 第60回日本癌治療学会学術集会会長企画シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Estimating fluctuations in cell state dynamics and predicting fate bifurcations under influenza infection using deep learning (2022)
  • 著者名/発表者名: 島村 徹平
  • 学会等名: 第20回あわじ感染と免疫国際フォーラム
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A new modality for elucidating tumor microenvironment using deep learning (2022)
  • 著者名/発表者名: 島村 徹平
  • 学会等名: 第81回日本癌学会学術総会
  • 招待講演
• [図書] 実験医学別冊最強のステップUPシリーズ 空間オミクス解析スタートアップ実践ガイド、空間トランスクリプトームに基づく細胞間相互作用ネットワークの解析技術 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小嶋泰弘、島村徹平
  • 総ページ数: 244
  • 出版者: 羊土社
  • ISBN: 9784758122610