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2023 年度 実施状況報告書

敵対的生成ネットワークによる自在な発現特異性を有するプロモータ塩基配列の設計

研究課題

研究課題/領域番号 22K17992
研究機関筑波大学

研究代表者

尾崎 遼  筑波大学, 医学医療系, 准教授 (10743346)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
キーワード機械学習 / プロモーター配列 / 深層生成モデル
研究実績の概要

ヒトの健常・疾患臓器の研究において特定の細胞型を可視化・分取・追跡・摂動・制御するために、分子・細胞生物学ツールを特異的に発現させるプロモーター配列が必要となる。従来、発現特異性を示す内在性遺伝子(マーカー遺伝子)のプロモーター配列(既存配列)を用いていたが、細胞分類の細分化が進み、単一のマーカー遺伝子が見つけるのが困難になっている。
そこで本研究では、マーカー遺伝子に頼らずに、深層学習によって特異的発現プロモーター配列を人工的に設計する手法を開発する。さらに、開発した手法を複数のデータセットに適用し、細胞型特異的な人工プロモーター配列のデータベースを構築する。
その中で、2023年度では深層生成モデルの一つの拡散モデルによって人工的に設計する手法の概念設計・実装・検証を進めた。具体的には、画像生成において精度が高いことが知られる、拡散モデルの一つであるデノイジング拡散確率モデル(DDPM; Denoising Diffusion Probabilistic Model) [Ho et al. 2020]によって、塩基配列を出力するように学習した生成モデルを構築した。さらに望みの発現プロファイルを示すプロモーター配列を生成するために条件付き生成を用いた。具体的には条件付き生成の手法として、分類器無しガイダンス (classifier-free guidance) [Ho et al. 2022]を選択した。DDPMにおける逆拡散過程のモデルはU-Net、損失関数は平均二乗誤差 (MSE) を用いた。シミュレーションデータによる精度評価のため、2つの細胞型A、B に対応する発現量が複数種類のモチーフから計算される配列データセットを作成し、本モデルを適用した。その結果、複数種類の細胞型について、望んだ発現プロファイルを示す配列の生成に成功した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

本研究では、マーカー遺伝子に頼らずに、深層学習によって特異的発現プロモーター配列を人工的に設計する手法を開発することを目指している。その中で、当初の計画よりも、手法の実装とその精度検証に時間を要した。そのため、進捗に遅れが生じている。

今後の研究の推進方策

引き続き手法の実装と精度検証を進め、深層学習によって特異的発現プロモーター配列を人工的に設計する手法の構築を進める。また、開発した手法を複数のデータセットに適用し、細胞型特異的な人工プロモーター配列のデータベースを構築することを目標とする。さらに、それらの成果を、学会での口頭・ポスター発表および論文として発表することを目指す。

次年度使用額が生じた理由

本研究では、マーカー遺伝子に頼らずに、深層学習によって特異的発現プロモーター配列を人工的に設計する手法を開発することを目指している。その中で、当初の予想よりも、手法の実装と検証に時間を要したため、計画に遅れがあり、次年度使用額が生じた。次年度では、計画に遅れが生じた結果できなかった成果発表、特に学会での口頭・ポスター発表および論文での成果発表を行うことを目指す。

  • 研究成果

    (4件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (1件)

  • [雑誌論文] Neuronal subtype-specific transcriptomic changes in the cerebral neocortex associated with sleep pressure2024

    • 著者名/発表者名
      Nakata Shinya、Iwasaki Kanako、Funato Hiromasa、Yanagisawa Masashi、Ozaki Haruka
    • 雑誌名

      Neuroscience Research

      巻: - ページ: -

    • DOI

      10.1016/j.neures.2024.03.004

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Transcription factor-binding k-mer analysis clarifies the cell type dependency of binding specificities and cis-regulatory SNPs in humans2023

    • 著者名/発表者名
      Tahara Saeko、Tsuchiya Takaho、Matsumoto Hirotaka、Ozaki Haruka
    • 雑誌名

      BMC Genomics

      巻: 24 ページ: -

    • DOI

      10.1186/s12864-023-09692-9

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] DNA hypomethylation characterizes genes encoding tissue-dominant functional proteins in liver and skeletal muscle2023

    • 著者名/発表者名
      Maehara H.、Kokaji T.、Hatano A.、Suzuki Y.、Matsumoto M.、Nakayama K. I.、Egami R.、Tsuchiya T.、Ozaki H.、Morita K.、Shirai M.、Li D.、Terakawa A.、Uematsu S.、Hironaka K.、Ohno S.、Kubota H.、Araki H.、Miura F.、Ito T.、Kuroda S.
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 13 ページ: -

    • DOI

      10.1038/s41598-023-46393-5

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] RNA tomographyによる空間遺伝子発現分布推定結果の評価方法の検討2023

    • 著者名/発表者名
      松澤 亮輔, 尾崎 遼
    • 学会等名
      第147回MPS・第77回BIO合同研究発表会

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公開日: 2024-12-25  

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