深層学習による大規模ゲノムコホート解析

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16K08638
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 田宮 元 東北大学, 東北メディカル・メガバンク機構, 教授 (10317745)
• 研究分担者: 植木 優夫 国立研究開発法人理化学研究所, 革新知能統合研究センター, 研究員 (10515860)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: ゲノム / コホート研究 / 遺伝学 / 機械学習

研究実績の概要

大規模ゲノムコホート研究では、数万人の参加者について、健康診断結果や疾患アウトカムだけではなく、各種の血液検査値や画像データ、時には、メタボロミクスやプロテオミクスまで含めて、数百から千を超える表現型形質データが計測される。これらの計測データの高次元性とその高度な相関構造は、遺伝子や環境、その相互作用の効果を統計的に検出する際の本質的障害である。そこで本研究では、人工知能の一種である深層学習の枠組みを用いて、この高次元データから柔軟に特徴抽出を行い、それを個々人の健康状態の指標（健康状態変数）として用いることで、この障害を解決し、これまで未知であった遺伝子や環境因子、その相互作用の効果を網羅的に同定することを目的とした。
実際のコホートデータに含まれる表現型について、そのデータ型やスケールを整理し、各表現型間の相関構造などを調査して、入力に用いることのできる表現型計測値を選択し、入力に適したスケーリングを行った。深層学習のための多層ニューラルネットのデザインは、中間層のユニット数とネットワークの初期重み変数をランダムに設定し、複数種類のネットワークを生成し、学習後に各ネットワークの推定精度を評価し、最も成績のよいネットワークを採用するものとした。こうして作成した深層学習ソフトウェアを、ADNIデータや東北メディカル・メガバンク機構で収集された表現型データに適用し、特徴表現抽出を行い、健康状態変数として定義した。この健康状態変数を応答変数とし、ゲノムワイドSNPs情報、環境因子（生活習慣）、その相互作用項を全て説明変数として含めて、高次元変数選択法によるアソシエーション解析を行った。さらに、上記手順で同定された遺伝子や環境因子、その相互作用を機能的な情報でアノテーションし、リストアップして、追試研究に提供した。

研究成果

• [雑誌論文] The prevalence of GALM mutations that cause galactosemia: A database of functionally evaluated variants (2019)
  • 著者名/発表者名: Iwasawa Shinya、Kikuchi Atsuo、Wada Yoichi、Arai-Ichinoi Natsuko、Sakamoto Osamu、Tamiya Gen、Kure Shigeo
  • 雑誌名: Molecular Genetics and Metabolism 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1016/j.ymgme.2019.01.018
  • 査読あり
• [雑誌論文] Estimating carrier frequencies of newborn screening disorders using a whole-genome reference panel of 3552 Japanese individuals (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi-Kabata Y, Yasuda J, Uruno A, Shimokawa K, Koshiba S, Suzuki Y, Fuse N, Kawame H, Tadaka S, Nagasaki M, Kojima K, Katsuoka F, Kumada K, Tanabe O, Tamiya G, Yaegashi N, Kinoshita K, Yamamoto M, Kure S; Tohoku Medical Megabank Project Study Group
  • 雑誌名: Human Genetics 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1007/s00439-019-01998-7
  • 査読あり
• [雑誌論文] Outlier detection for questionnaire data in biobanks (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakurai Rieko、Ueki Masao、Makino Satoshi、Hozawa Atsushi、Kuriyama Shinichi、Takai-Igarashi Takako、Kinoshita Kengo、Yamamoto Masayuki、Tamiya Gen
  • 雑誌名: International Journal of Epidemiology 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1093/ije/dyz012
  • 査読あり
• [雑誌論文] Respiratory resistance among adults in a population-based cohort study in Northern Japan (2019)
  • 著者名/発表者名: Miura Emiri、Tsuchiya Naho、Igarashi Yu、Arakawa Ritsuko、Nikkuni Etsuhiro、Tamai Tokiwa、Tabata Masao、Ohkouchi Shinya、Irokawa Toshiya、Ogawa Hiromasa、Takai-Igarashi Takako、Suzuki Yoichi、Kuriyama Shinichi、Tamiya Gen、Hozawa Atsushi、Yamamoto Masayuki、Kurosawa Hajime
  • 雑誌名: Respiratory Investigation 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1016/j.resinv.2018.12.008
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth impairment in individuals with citrin deficiency (2019)
  • 著者名/発表者名: Numakura Chikahiko、Tamiya Gen、Ueki Masao、Okada Tomoo、Maisawa Shun-ichi、Kojima-Ishii Kanako、Murakami Jun、Horikawa Reiko、Tokuhara Daisuke、Ito Koichi、Adachi Masanori、Abiko Takahiro、Mitsui Tetsuo、Hayasaka Kiyoshi
  • 雑誌名: Journal of Inherited Metabolic Disease 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1002/jimd.12051
  • 査読あり
• [雑誌論文] Susceptibility Loci for Tanning Ability in the Japanese Population Identified by a Genome-Wide Association Study from the Tohoku Medical Megabank Project Cohort Study (2019)
  • 著者名/発表者名: Shido Kosuke、Kojima Kaname、Yamasaki Kenshi、Hozawa Atsushi、Tamiya Gen、Ogishima Soichi、Minegishi Naoko、Kawai Yosuke、Tanno Kozo、Suzuki Yoichi、Nagasaki Masao、Aiba Setsuya
  • 雑誌名: Journal of Investigative Dermatology 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1016/j.jid.2019.01.015
  • 査読あり
• [雑誌論文] Genome analyses for the Tohoku Medical Megabank Project towards establishment of personalized healthcare (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasuda J, Kinoshita K, Katsuoka F, Danjoh I, Sakurai-Yageta M, Motoike IN, Kuroki Y, Saito S, Kojima K, Shirota M, Saigusa D, Otsuki A, Kawashima J, Yamaguchi-Kabata Y, Tadaka S, Aoki Y, Mimori T, Kumada K, Inoue J, Makino S, Kuriki M, Fuse N, Koshiba S, Tanabe O, Nagasaki M, Tamiya G, et al.
  • 雑誌名: The Journal of Biochemistry 巻: 165 ページ: 139～158
  • DOI: 10.1093/jb/mvy096
  • 査読あり
• [雑誌論文] Potential identification of vitamin B6 responsiveness in autism spectrum disorder utilizing phenotype variables and machine learning methods (2018)
  • 著者名/発表者名: Obara T, Ishikuro M, Tamiya G, Ueki M, Yamanaka C, Mizuno S, Kikuya M, Metoki H, Matsubara H, Nagai M, Kobayashi T, Kamiyama M, Watanabe M, Kakuta K, Ouchi M, Kurihara A, Fukuchi N, Yasuhara A, Inagaki M, Kaga M, Kure S, Kuriyama S.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 ページ: 14840
  • DOI: 10.1038/s41598-018-33110-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Regional genetic differences among Japanese populations and performance of genotype imputation using whole-genome reference panel of the Tohoku Medical Megabank Project (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasuda J, Katsuoka F, Danjoh I, Kawai Y, Kojima K, Nagasaki M, Saito S, Yamaguchi-Kabata Y, Tadaka S, Motoike IN, Kumada K, Sakurai-Yageta M, Tanabe O, Fuse N, Tamiya G, Higasa K, Matsuda F, Yasuda N, Iwasaki M, Sasaki M, Shimizu A, Kinoshita K, Yamamoto M.
  • 雑誌名: BMC Genomics 巻: 19 ページ: 551
  • DOI: 10.1186/s12864-018-4942-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ethylene-gibberellin signaling underlies adaptation of rice to periodic flooding (2018)
  • 著者名/発表者名: Kuroha T, Nagai K, Gamuyao R, Wang DR, Furuta T, Nakamori M, Kitaoka T, Adachi K, Minami A, Mori Y, Mashiguchi K, Seto Y, Yamaguchi S, Kojima M, Sakakibara H, Wu J, Ebana K, Mitsuda N, Ohme-Takagi M, Yanagisawa S, Yamasaki M, Yokoyama R, Nishitani K, Mochizuki T, Tamiya G, McCouch SR, Ashikari M.
  • 雑誌名: Science 巻: 361 ページ: 181～186
  • DOI: 10.1126/science.aat1577
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Female Japanese quail visually differentiate testosterone-dependent male attractiveness for mating preferences (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiyama Gen、Mizushima Shusei、Matsuzaki Mei、Tobari Yasuko、Choi Jae-Hoon、Ono Takashi、Tsudzuki Masaoki、Makino Satoshi、Tamiya Gen、Tsukahara Naoki、Sugita Shoei、Sasanami Tomohiro
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 ページ: 10012
  • DOI: 10.1038/s41598-018-28368-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Omics research project on prospective cohort studies from the Tohoku Medical Megabank Project (2018)
  • 著者名/発表者名: Koshiba S, Motoike I, Saigusa D, Inoue J, Shirota M, Katoh Y, Katsuoka F, Danjoh I, Hozawa A, Kuriyama S, Minegishi N, Nagasaki M, Takai-Igarashi T, Ogishima S, Fuse N, Kure S, Tamiya G, Tanabe O, Yasuda J, Kinoshita K, Yamamoto M.
  • 雑誌名: Genes to Cells 巻: 23 ページ: 406～417
  • DOI: 10.1111/gtc.12588
  • 査読あり
• [学会発表] 人工知能・機械学習手法による大規模ゲノムコホート解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田宮 元
  • 学会等名: 第1回日本メディカルAI学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] RNF213の遺伝統計解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田宮 元
  • 学会等名: 日本脳神経外科学会 第77回学術総会
  • 招待講演
• [学会発表] 全ゲノム配列情報を用いた疾患発症予測に向けて (2018)
  • 著者名/発表者名: 植木 優夫
  • 学会等名: 科研費研究集会「予測モデリングとその周辺-機械学習・統計科学・情報理論からのアプローチ-」
• [学会発表] ジャポニカアレイの遺伝統計解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田宮 元
  • 学会等名: 第3回ジャポニカアレイ研究会
  • 招待講演
• [学会発表] ゲノムデータ解析の理論と実践 (2018)
  • 著者名/発表者名: 植木 優夫
  • 学会等名: リスク解析戦略研究センターシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 人工知能技術によるゲノムコホート研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田宮 元
  • 学会等名: 第225回日本小児科学会宮城地方会
  • 招待講演
• [備考] リスク統計解析室
  • URL: http://www.genetix-h.com/~AMERI/