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2017 年度 実施状況報告書

次世代シークエンシングデータを利用した機械学習によるRNA二次構造予測の高精度化

研究課題

研究課題/領域番号 16K00404
研究機関慶應義塾大学

研究代表者

佐藤 健吾  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (20365472)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
キーワードバイオインフォマティクス / RNA二次構造予測 / 機械学習
研究実績の概要

RNA二次構造予測は古くから研究されているにも関わらず,長鎖非コードRNAやRNAウィルスのような長いRNA配列に対する予測精度は未だに十分とは言えない.近年,次世代シークエンサーから二次構造プロファイルを取得することが可能となったが,二次構造プロファイルは完全な二次構造でないために,既存の機械学習に基づく手法をそのまま適用することはできない.本研究では,部分的な構造情報である二次構造プロファイルを弱レベル学習データとして利用可能とする機械学習アルゴリズムを開発し,既存手法よりも精密な二次構造モデルを大量の二次構造プロファイルから学習することによって,過学習を回避しつつRNA二次構造予測の精度向上を目指す. これにより,二次構造予測をベースにした機能性RNAの機能・構造解析の精度向上を実現する.本年度は,既存のTurner熱力学モデルに基づく自由エネルギー最小化法と構造化SVMによるパラメータ学習法を融合することによってより頑健かつ高精度なRNA二次構造予測手法の開発を行った.計算機実験の結果,既存の手法に見られる過学習は観測されず,予測精度の向上が確認された.さらに,構造化SVMと深層学習を組み合わせた機械学習アルゴリズムを用いて塩基対確率を直接推定し,その上で期待精度最大化に基づくRNA二次構造予測を行う手法の開発を行った.これによって,通常のRNA二次構造予測のみならず,シュードノット構造を考慮したRNA二次構造予測において既存手法を上回る精度を達成した.

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

当初の計画通り,過学習を回避する方法および深層学習を含む高度な機械学習アルゴリズムを導入することに成功したため,おおむね順調に進展していると言える.

今後の研究の推進方策

本年度開発した手法(熱力学モデルの融合および深層学習の導入)を,大量の次世代シークエンスデータから得られる弱ラベルからの機械学習アルゴリズムに適用し,さらに高精度なRNA二次構造予測を目指す.

次年度使用額が生じた理由

(理由)
論文投稿料および旅費が当初の予定よりも少なく済んだことによる.
(使用計画)
次年度以降,研究成果を学会発表するための旅費および論文投稿料を当初の予定よりも当初の予定よりも増やす.

  • 研究成果

    (5件)

すべて 2017 その他

すべて 学会発表 (3件) 備考 (2件)

  • [学会発表] RNA secondary structure prediction using deep learning2017

    • 著者名/発表者名
      Akiyama, M., Sakakibara, Y., Sato, K.
    • 学会等名
      第6回生命医薬情報学連合大会,日本バイオインフォマティクス学会2017年年会
  • [学会発表] がん細胞株における derived RNA のプロファイル解析2017

    • 著者名/発表者名
      青木言太,土谷麻里子,小坂威雄,長谷純崇,佐藤健吾,水野隆一,大家基嗣,榊原康文
    • 学会等名
      第19回日本RNA学会年会
  • [学会発表] 深層学習によるRNA二次構造予測2017

    • 著者名/発表者名
      秋山真那斗,榊原康文,佐藤健吾
    • 学会等名
      第19回日本RNA学会年会
  • [備考] MXfold: the max-margin based RNA folding algorithm

    • URL

      https://github.com/keio-bioinformatics/mxfold

  • [備考] Neuralfold

    • URL

      https://github.com/keio-bioinformatics/Neuralfold

URL: 

公開日: 2018-12-17  

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