極限状態下微小生物の遺伝的変異と適応進化の階層モデルおよび解析手法の開発

2006 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 16300086
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 統計科学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 岸野 洋久 東京大学, 大学院・農学生命科学研究科, 教授 (00141987)
• 研究分担者: 徐 泰健 東京大学, 大学院・農学生命科学研究科, 特任助手 (60401189) ; 北添 康弘 高知大学医学部, 医学情報センター, 教授 (90112010) ; 渡部 輝明 高知大学医学部, 医学情報センター, 助手 (90325415)
• 研究期間 (年度): 2004 – 2006
• キーワード: ウイルス分子進化 / 宿主適応 / 配列進化と構造進化 / 集団構造と履歴 / ゲノムの組換え / 階層ベイズ / 収斂進化

研究概要

本研究では、集団内の遺伝的変異と分子進化の階層モデルを通して、極限状態に置かれた微小生物の隠れた適応進化の様相を浮き彫りにすることを目的とした。
まず、HIV-1ウイルスgp120の配列レベルでの多様化が宿主細胞の受容体との結合に関与するV3ループの微細構造の変化を促しているか、調査した。タンパク質の構造データベースの情報を利用して、アミノ酸配列のタンパク質立体構造に対する適応度を経験尤度で表現し、V3ループの微細構造の変化の度合いを間接推定した。その結果、分子進化速度の大きな集団ほど、感染後構造の変化をもたらしていることが推察された。さらに、二つのタンパク質の複合体の結合能を、結合状態におけるアミノ酸配列の尤度と自由状態における尤度を比較した対数尤度比で表現した。これを抗原・抗体の結合に適用し、インフルエンザHAの1968年における大流行以降の長期的な免疫適応を推測した。
ウイルスゲノムの組換えは多様度を格段に高めることから、集団の適応において重要な役割を担うと信じられている。系統樹の形(トポロジー)が決まると、配列の尤度がマルコフ過程の推移確率の関数として記述される。組換えは、ゲノムの領域間でのトポロジーの食い違いとして検出される。そこで、トポロジー間の組換え距離を計算するアルゴリズムを開発し、隣接領域間の組換え距離に事前分布を導入する階層ベイズモデルを構築した。この方法により、組換えの位置とパターンを同時推定することが可能となった。
統計モデルの開発とともに、モデルの妥当性の評価を行う手法の開発に力を注いだ。系統間の独立性を直交性に変換するベクトル空間を構築し、統計モデルを通して推定された遺伝子配列間の進化距離から、遺伝子配列をこの空間にマッピングする方法を開発した。

研究成果

• [雑誌論文] Robust time estimation reconciles views of the antiquity of placental mammals. (2007)
  • 著者名/発表者名: Kitazoe.Y., Kishino.H., Waddell, P.J., Nakajima, N., Okabayashi, T., Watabe, T., Okuhara, Y.
  • 雑誌名: PLoS ONE 4 ページ: e384
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] A likelihood-based index of protein-protein binding affinities with application to influenza HA escape from antibodies. (2007)
  • 著者名/発表者名: Watabe.T., Kishino, H., Martins, L.O., Kitazoe.Y.
  • 雑誌名: Molecular Biology and Evolution. (accepted)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Population genetics without intraspecific data. (2007)
  • 著者名/発表者名: Thorne, J.L., Choi, S.C., Yu, J., Kishino.H.
  • 雑誌名: Molecular Biology and Evolution. (accepted)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Quantifying the impact of protein tertiary structure on molecular evolution. (2007)
  • 著者名/発表者名: Choi, S.C., Hobolth, A., Douglas M., Robinson, D.M., Kishino, H., Thorne, J.L.
  • 雑誌名: Molecular Biology and Evolution. (accepted)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] A likelihood-based index of protein-protein binding affinities with application to influenza HA escape from antibodies. (2007)
  • 著者名/発表者名: Watabe, T., Kishino, H., Martins, L.0., Kitazoe, Y.
  • 雑誌名: Molecular Biology and Evolution. (accepted)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Population genetics without intraspecific data. (2007)
  • 著者名/発表者名: Thorne, J.L, Choi, S.C., Yu, J., Fishing, H.
  • 雑誌名: Molecular Biology and Evolution. (accepted)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Quantifying the impact of protein tertiary structure on molecular evolution. (2007)
  • 著者名/発表者名: Choi, S.C., Hobolth, A., Douglas M.Robinson, D.M., Kishino, H., Thorne, J.L
  • 雑誌名: Molecular Biology and Evolution. (accepted)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Fold recognition of the HIV-1 V3 loop and flexibility of its crown structure during the course of adaptation to a host. (2006)
  • 著者名/発表者名: Watabe.T., Kishino.H., Okuhara.Y., Kitazoe.Y.
  • 雑誌名: Genetics. 172 ページ: 1379-1383
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Core set approach to reduce uncertainty of gene trees (2006)
  • 著者名/発表者名: Okabayashi, T., Kitazoe, Y., Kishino, H., Watabe, T., Nakajima, N., Okuhara, Y., O'Loughlin, S., Walton, C.
  • 雑誌名: BMC Evolutionary Biology. 6 ページ: 41
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Positive selection acting on a surface membrane protein of the plant-pathogenic phytoplasmas. (2006)
  • 著者名/発表者名: Kakizawa, S., Oshima, K., Jung, H-Y., Suzuki, S, Nishigawa, H., Arashida, R., Miyata, S., Ugaki, M., Kishino, H., Namba, S.
  • 雑誌名: Journal of Bacteriology. 188 ページ: 3424-3428
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Simultaneous estimation of mixing rates and genetic drift under successive sampling of genetic markers with application to the mud crab (Scyllaparamamosain) in Japan. (2006)
  • 著者名/発表者名: Kitakado, T., Kitada, S., Obata, Y., Kishino, H.
  • 雑誌名: Genetics. 173 ページ: 2063-2072
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] An integrated likelihood method for estimating genetic differentiation between populations. (2006)
  • 著者名/発表者名: Kitakado, T., Kitada, S., Kishino, H., Skaug, H.J.
  • 雑誌名: Genetics. 173 ページ: 2073-2082
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Phylogenetic methodology for detecting protein interactions. (2006)
  • 著者名/発表者名: Waddell, P.J., Kishino.H., Ota, R.
  • 雑誌名: Molecular Biology and Evolution. 24 ページ: 650-659
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Fold recognition of the HIV-1 V3 loop and flexibility of its crown structure during the course of adaptation to a host. (2006)
  • 著者名/発表者名: Watabe, T., Kishino, H., Okuhara, Y., Kitazoe, Y.
  • 雑誌名: Genetics. 172 ページ: 1379-1383
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Core set approach to reduce uncertainty of gene trees. (2006)
  • 著者名/発表者名: Okabayashi, T., Kitazoe, Y., Kishino, H., Watabe.T., Nakajima, N., Okuhara, Y., O'Loughlin, S., Walton, C.
  • 雑誌名: BMC Evolutionary Biology. 6 ページ: 41
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Positive selection acting on a surface membrane protein of the plant-pathogenic phytoplasmas. (2006)
  • 著者名/発表者名: Kakizawa, S., Oshima, K, Jung, H-Y., Suzuki, S, Nishigawa, H., Arashida, R., Miyata, S., Ugaki, M., Kishino, H., Namba, S.
  • 雑誌名: Journal of Bacteriology. 188 ページ: 3424-3428
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Simultaneous estimation of mixing rates and genetic drift under successive sampling of genetic markers with application to the mud crab (Scylla paramamosain) in Japan. (2006)
  • 著者名/発表者名: Kitakado, T., Kitada, S., Obata, Y., Kishino, H.
  • 雑誌名: Genetics. 173 ページ: 2063-2072
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Phylogenetic methodology for detecting protein interactions. (2006)
  • 著者名/発表者名: Waddell, P.J., Kishino, H., Ota, R.
  • 雑誌名: Molecular Biology and Evolution. 24 ページ: 650-659
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Incorporating gene-specific variation when inferring and evaluating optimal evolutionary tree topologies from multilocus sequence data. (2005)
  • 著者名/発表者名: Seo, T.-K., Kishino.H., Thorne, J.L.
  • 雑誌名: Proceedings of National Academy of Sciences, USA. 102 ページ: 4436-4441
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Multidimensional vector space representation for correlated evolution and molecular phylogeny. (2005)
  • 著者名/発表者名: Kitazoe, Y., Kishino.H., Okabayashi, T., Watabe, T., Nakajima, N., Okuhara, Y., Kurihara, Y.
  • 雑誌名: Molecular Biology and Evolution. 22 ページ: 704-715
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Inheritance of song and stridulatory peg number divergence between Chorthippus brunneus and C. jacobsi, two naturally hybridising grasshopper species (Orthoptera : Acrididae). (2005)
  • 著者名/発表者名: Saldamando C.I., Miyaguchi, S., Tatsuta, H., Kishino.H., Bridle, J.R., R.K.Butlin.
  • 雑誌名: Journal of Evolutionary Biology. 18 ページ: 703-712
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Divergence pattern of duplicate genes in protein-protein interactions follows the power law. (2005)
  • 著者名/発表者名: Zhang, Z., Luo, Z., Kishino.H., Kearsey, M.J.
  • 雑誌名: Molecular Biology and Evolution. 22 ページ: 501-505
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Incorporating gene-specific variation when inferring and evaluating optimal evolutionary tree topologies from multilocus sequence data. (2005)
  • 著者名/発表者名: Seo, T.-K., Kishino, H., Thorne, J.L
  • 雑誌名: Proceedings of National Academy of Sciences, USA. 102 ページ: 4436-4441
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Multidimensional vector space representation for correlated evolution and molecular phylogeny. (2005)
  • 著者名/発表者名: Kitazoe, Y., Kishino, H., Okabayashi, T., Watabe, T., Nakajima, N., Okuhara, Y., Kurihara, Y.
  • 雑誌名: Molecular Biology and Evolution. 22 ページ: 704-715
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Inheritance of song and stridulatory peg number divergence between Chorthippus brunneus and C. jacobsi, two naturally hybridising grasshopper species (Orthoptera : Acrididae). (2005)
  • 著者名/発表者名: Saldamando C.I., Miyaguchi, S., Tatsuta, H., Kishino, H., Bridle, J.R., R.K Butlin.
  • 雑誌名: Journal of Evolutionary Biology 18 ページ: 703-712
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Divergence pattern of duplicate genes in protein-protein interactions follows the power law. (2005)
  • 著者名/発表者名: Zhang, Z., Luo, Z., Kishino, H., Kearsey, M.J.
  • 雑誌名: Molecular Biology and Evolution. 22 ページ: 501-505
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Robust time estimation reconciles views of the antiquity of placental mammals.
  • 著者名/発表者名: Kitazoe, Y., Kishino, H., Waddell, P.J., Nakajima, N., Okabayashi, T., Watabe, T., Okuhara, Y.
  • 雑誌名: PLoS ONE 4 ページ: e384
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [図書] ゲノム進化の読解法 (2006)
  • 著者名/発表者名: 岸野洋久
  • 総ページ数: 106
  • 出版者: 岩波書店
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より