単一細胞シークエンスデータに基づく細胞社会学のための情報手法の開発とデータ解析

2020 年度 実績報告書

• 研究領域: 予防を科学する炎症細胞社会学
• 研究課題/領域番号: 17H06399
• 研究機関: 国立遺伝学研究所
• 研究代表者: 池尾 一穂 国立遺伝学研究所, ゲノム・進化研究系, 准教授 (20249949)
• 研究分担者: 渡邉 日出海 北海道大学, 情報科学研究院, 教授 (30322754) ; 太田 聡史 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, 専任研究員 (30391890) ; 小倉 淳 長浜バイオ大学, バイオサイエンス学部, 教授 (60465929)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2022-03-31
• キーワード: 単一細胞トランスクリプトーム / 炎症細胞の遷移 / NGSデータ解析 / データベース / 細胞系譜再構築 / 体細胞変異

研究実績の概要

昨年度に引き続き、炎症記憶の形成過程を細胞や分子レベルでの細胞間相互作用として解明を目指し、数千個の細胞からなる炎症組織の構成細胞について定性的・定量的情報を「細胞状態変数」として収集蓄積、統合するために必要な手法の開発とそれを用いた実際のデータ解析を進めた。単一細胞プロファイルに基づく「炎症の場」としての細胞社会の記述を可能とすることを目指し以下のように研究を進めた。 １）単一細胞トランスクリプトーム動態の解析・モデリングのための単一細胞遺伝子発現プロファイルデータ解析手法の確立と解析（池尾）。解析パイプラインを遺伝研スパコン上に移設し解析能力の大幅な改善を行い、この高性能パイプラインを用いて各班のデータ解析の支援を行なった。また、成果の取りまとめデータ公開に向けたデータベースの基本構造の設計を行ないプロトタイプの開発に着手した。２）細胞集団の動態モデルの構築に向けて、様々な情報学的手法とシミュレーションを用いたモデル構築のための手法のモデル構築へ応用（太田)。突然変異情報を抽出し遺伝子変異に基づく細胞系譜作成を試作し、解析パイプラインとして構築するとともに実際のデータを用いた変異の抽出、細胞系譜の再構築を試みた。３）各細胞状態に対応するマーカー遺伝子の抽出とそれらの機能情報に基づく炎症記憶形成における役割の推定と検証（渡邉）。手法の 改良を進めるとともに、実際のデータに対して細胞分類、新規細胞の特徴づけを進め、各班と協力してデータの解析を進めた。４）機械学習モデルから炎症細胞へ遷移する細胞の予測(小倉)。機械学習を用い細胞系列の分類手法の試行を進めると同時に、各班のシングルセルデータの解析に着手した。
また、全員で協力して、シングルデータのデータベース化に着手した。データ解析支援については、計画班を中心に A01,A02の各グループに対して全員で協力して行った。

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

2020年度はcovidの影響もあり、研究活動にさまざま制約が生じた年であった。しかし、年度後半にはリモートでの共同研究、研究打ち合わせが軌道に乗りA03内での交流及び支援先との情報共有を進めていくことが可能となった。個々の活動では、(1)単一細胞トランスクリプトーム動態の解析・モデリングのための単一細胞遺伝子発現プロファイルデータ解析手法の確立と解析(池尾)、(2)細胞集団の動態モデルの構築に向けて様々な情報学的手法とシミュレーションを用いたモデル構築のための手法のモデル構築へ応用(太田)、(3)各細胞状態に対応するマーカー遺伝子候補の抽出とそれらの機能情報に基づく炎症記憶形成における役割の推定と検証(渡邉)、(4)機械学習モデルから炎症細胞へ遷移する細胞の予測(小倉)について引き続き研究を進め、現在、より高性能を発揮するように各手法の更なる改良を進めている。解析パイプラインの遺伝研スパコン上に展開により、各参加機関への解析支援も以前の１０倍以上の処理能力での対応が可能となり、より高度な個別支援を行う余裕ができた。加えて、新規アルゴリズムの開発により、遺伝子発現産物及びゲノム配列両者へのマッピング結果を提供可能となった。この性能改善は、変異情報に基づく細胞系譜作成にも応用され、実際に体細胞変異に基づく細胞系譜再構築が可能となった。これは、ドライバー変異などの探索への応用が期待される新しい手法である。また、成果取りまとめ、公開のためのデータベースの構築には、リモート会議の活用によりA０３内でのより活発な共同作業が進められた。Covidの影響は、支援、共同研究に見られるがリモート会議システムの活用などによってカバーすることで、進捗状況は計画の範囲であり概ね順調に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

最終年度に向けて支援及びデータの取りまとめを充実させていく。状況を鑑みリモートでの会議を活用し情報共有を密にして進めていくことを心がける。また引き続き、領域から得られた遺伝子発現プロファイルによる細胞系譜の作成と分子ネットワークの遷移モデル作成による手法の検証と細胞のダイナミクスの記述に努め、遺伝子発現データゲノム配列へのマッピング機能をフルに活用して変異、スプライスバリアント、ncRNAなどを広く含むゲノム配列情報の利用、新規転写物予測、その他の病理学データを統合することによりマーカー候補遺伝子の疾患への関与の機能アノテーションを支援していく。全ての過程においてスパコンの積極的な活用を行い、精度と解析処理において高性能な能力を提供していく。
1.Single cell遺伝子発現データを用いた遺伝子発現ネットワークの推定。学習型、非学習型のアルゴリズムを利用した解析パイプラインによる支援を進める。スパコンの積極的な活用により解析効率化に努める。他計画班グループと協力し、変異などの細胞集団解析結果と統合したモデリングを行う。
2.変異データに基づく細胞分子系統と集団進化モデルを実際のデータに適用し、炎症細胞社会遷移における細胞遷移モデルの細胞系譜再構築を試みる。
3.細胞間の類似・非類似、あるいは分類の基準を定め、マーカー遺伝子が炎症細胞への遷移に与える影響を解析し各グループへのデータ解析支援をA03全体として行う。
4.各計画班と連携して機械学習による細胞プロファイリング手法から、実際に炎症細胞へ遷移する細胞の予測を行う。またスプライスバリアントの検出など解析対象を従来の遺伝子単位に加えてゲノム配列ベースに拡張して提供する。
5.データの取りまとめと公開のためのデータ収集、管理を行い、全体のデータを横断的に統合したデータベースの構築に取り掛かる。

研究成果

• [雑誌論文] Collagen adhesion gene is associated with bloodstream infections caused by methicillin-resistant Staphylococcus aureus. (2020)
  • 著者名/発表者名: Iwata Y,Satou K,Furuichi K,Yoneda I,Matsumura T,Yutani M,Fujinaga Y,Hase A,Morita H,Ohta T,Senda Y,Sakai-Takemori Y,Wada T,Fujita S,Miyake T,Yasuda H,Sakai N,Kitajima S,Toyama T,Shinozaki Y,Sagara A,Miyagawa T,Hara A,Shimizu M,Kamikawa Y,Ikeo K,Shichino S,Ueha S,Nakajima T,Matsushima K,Kaneko S,WadaT.
  • 雑誌名: Int J Infect Dis 巻: 91 ページ: 22-31
  • DOI: 10.1016/j.ijid.2019.11.003
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The increased frequency of methicillin-resistant Staphylococcus aureus with low MIC of beta-lactam antibiotics isolated from hospitalized patients. (2020)
  • 著者名/発表者名: Iwata Y, Sakai N, Yoneda I, Satou K, Furuichi K, Senda Y, Sakai-Takemori Y, Wada T, Fujita S, Ogura H, Sato K, Minami T, Yamaguchi K, Kitajima S, Toyama T, Yamamura Y, Miyagawa T, Hara A, Shimizu M, Sakai Y, Ikeo K, Shichino S, Ueha S, Nakajima T, Matsushima K, Wada T.
  • 雑誌名: J Infect Chemother 巻: 26(6) ページ: 604-610
  • DOI: 10.1016/j.jiac.2020.01.016
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] DOCK11 and DENND2A play pivotal roles in the maintenance of hepatitis B virus in host cells. (2020)
  • 著者名/発表者名: Hashimoto S, Shirasaki T, Yamashita T, Iwabuchi S, Suzuki Y, Takamura Y, Ukita Y, Deshimaru S, Okayama T, Ikeo K, Kuroki K, Kawaguchi K, Mizukoshi E, Matsushima K, Honda M, Kaneko S
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 16(2) ページ: e0246313
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0246313
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Reconstruction of cell lineage trees by using single-cell RNA sequence data (2021)
  • 著者名/発表者名: 池尾一穂
  • 学会等名: Genome Concept Centennial Conference（国立遺伝学研究所国際研究集会）