メタゲノム資源からの新規微生物探索とその代謝経路予測による環境浄化システムの解明

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23710242
• 研究機関: 新潟大学
• 研究代表者: 阿部 貴志 新潟大学, 自然科学系, 准教授 (30390628)
• キーワード: メタゲノム / 一括学習型自己組織化マップ / 連続塩基 / 連続アミノ酸 / 生物系統推定 / タンパク質機能推定

研究概要

メタゲノム解析により、全地球レベルでの生物生態系の把握を目標にした大規模解析が行われている。メタゲノム配列データは新規性の高い微生物種が優占種となる場合も多く、既知微生物配列との配列相同性検索では、新規微生物種の存在を検出することが困難な場合も多い。ゲノム配列断片の連続塩基組成のみで高精度に分類可能な一括学習型自己組織化マップ（BLSOM）を用いて、メタゲノム配列を対象にした生物系統推定手法の確立、ならびに、次世代シークエンサー由来の配列断片に対する生物系統推定精度の向上に向けた改良を行った。これらの成果を組み込んだソフトウェアPEMSを公開した。PEMSは、公開されている全既生物ゲノムを対象にした大規模BLSOM解析結果を用いて、メタゲノム配列を照合し、配列ごとの生物系統推定、ならびに、その集約結果を取得できる。参照用の大規模BLSOM解析結果については、最新の情報を反映できるよう、更新も行った。共同研究にて、PEMSを活用して、未公開のメタゲノム配列を対象にした生物系統推定結果から微生物群集構造の比較を行い、論文発表も行った。
また、有用遺伝子探索のためのタンパク質機能推定法として、配列相同性検索を補完する異なった原理による推定法として、連続アミノ酸組成に基づくBLSOMに着目した機能推定法の開発・改良を行い、タンパク質機能推定のためのWebシステムを構築した。本システムは、機能既知なアミノ酸配列セットを対象に３つの異なる解析条件で作成したBLSOM解析結果に、利用者にアミノ酸配列を照合し、各々の推定結果を元に判定する多重判定方式で、推定結果を取得することができ、大量なタンパク質アミノ酸配列に対しても簡便に機能推定が可能である。これらを組み合わせることで、メタゲノム配列データから効率的な知識発見に必要な生物系統推定、有用遺伝子探索、ならびに、代謝経路予測が可能となった。

研究成果

• [雑誌論文] A novel approach, based on BLSOMs (Batch Learning Self-Organizing Maps), to the microbiome analysis of ticks. (2013)
  • 著者名/発表者名: Ryo Nakao*, Takashi Abe*, Ard M. Nijhof, Seigo Yamamoto, Frans Jongejan, Toshimichi Ikemura, Chihiro Sugimoto (*equal contribution).
  • 雑誌名: The ISME Journal 巻: 7 ページ: 1003-1015
  • DOI: 10.1038/ismej.2012.171
  • 査読あり
• [雑誌論文] Systematization of diversity of protein sequences in enzymes related to secondary metabolic pathways in plants in the context of big data biology inspired by KNApSAcK Motorcycle database. (2013)
  • 著者名/発表者名: Shun Ikeda*, Takashi Abe*, Yukiko Nakamura, Kibinge Nelson, Aki Hirai Morita, Atsushi Nakatani, Naoaki Ono, Toshimichi Ikemura, Kensuke Nakamura, Md. Altaf-Ul-Amin, Shigehiko Kanaya (*equal contribution).
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 54 ページ: 711-727
  • DOI: 10.1093/pcp/pct04
  • 査読あり
• [雑誌論文] Whole-genome sequencing of Theileria parva strains provides insight into parasite migration and diversification in the African continent. (2013)
  • 著者名/発表者名: Kyoko Hayashida, Takashi Abe, William Weir, Ryo Nakao, Kimihito Ito, Kiichi Kajino, Yutaka Suzuki, Frans Jongejan, Dirk Geysen, and Chihiro Sugimoto.
  • 雑誌名: DNA Research 巻: 20 ページ: 209-220
  • DOI: 10.1093/dnares/dst003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rice Annotation Project Database (RAP-DB): An integrative and interactive database for rice genomics. (2013)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Sakai, Sung Shin Lee, Tsuyoshi Tanaka, Hisataka Numa, Jungsok Kim, Yoshihiro Kawahara, Hironobu Wakimoto, Ching-chia Yang, Masao, Iwamoto, Takashi Abe, Yuko Yamada, Akira Muto, Hachiro Inokuchi, Toshimichi Ikemura, Takashi Matsumoto, Takuji Sasaki, Takeshi Itoh.
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 54 ページ: e6(1-11)
  • DOI: 10.1093/pcp/pcs183
  • 査読あり
• [雑誌論文] Notable clustering of transcription-factor-binding motifs in human pericentric regions and its biological significance. (2013)
  • 著者名/発表者名: Yuki Iwasaki, Kennosuke Wada, Yoshiko Wada, Takashi Abe and Toshimichi Ikemura.
  • 雑誌名: Chromosome Research 巻: 21 ページ: 461-474
  • DOI: 10.1007/s10577-013-9371-y
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nobel bioinformatics strategies for prediction of directional sequence changes in influenza virus genomes and for surveillance of potentially hazardous strains. (2013)
  • 著者名/発表者名: Yuki Iwasaki, Takashi Abe, Yoshiko Wada, Kennosuke Wada and Toshimichi Ikemura.
  • 雑誌名: BMC Infectious Diseases 巻: 13 ページ: 386
  • DOI: 10.1186/1471-2334-13-386
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comparative metagenomics of anode- associated microbiomes developed in rice paddy-field microbial fuel cells. (2013)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Kouzuma, Takuya Kasai, Gen Nakagawa, Ayaka Yamamoto, Takashi Abe and Kazuya Watanabe.
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 8(11) ページ: e77443
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0077443
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Novel Bioinformatics Strategy to Analyze Microbial Big Sequence Data for Efficient Knowledge Discovery: Batch-Learning Self-Organizing Map (BLSOM). (2013)
  • 著者名/発表者名: Yuki Iwasaki, Takashi Abe, Kennosuke Wada, Yoshiko Wada, and Toshimichi Ikemura.
  • 雑誌名: Microorganisms 巻: 1 ページ: 137-157
  • DOI: 10.3390/microorganisms1010137
  • 査読あり
• [学会発表] 環境微生物群集の地球レベルでの俯瞰的把握に向けた海洋メタゲノム配列を対象にした比較解析. (2014)
  • 著者名/発表者名: 市川圭介, 池村淑道, 阿部貴志.
  • 学会等名: 第8回日本ゲノム微生物学会年会
  • 発表場所: 東京都, 東京農業大学
  • 年月日: 20140307-20140309
• [学会発表] 一括学習型自己組織化マップ（BLSOM）を用いたタンパク質機能推定システムの開発. (2014)
  • 著者名/発表者名: 大蔵徳丸, 池村淑道, 阿部貴志.
  • 学会等名: 第8回日本ゲノム微生物学会年会
  • 発表場所: 東京都, 東京農業大学
  • 年月日: 20140307-20140309
• [学会発表] メタゲノム解析による活性汚泥中に生息する有用な微生物の探索. (2014)
  • 著者名/発表者名: 熊谷鷹佑, 阿部貴志, 中田俊芳, 佐藤修正, 平川英樹, 近藤昭宏, 池村淑道, 松井和彦.
  • 学会等名: 第8回日本ゲノム微生物学会年会
  • 発表場所: 東京都, 東京農業大学
  • 年月日: 20140307-20140309
• [学会発表] tRNADB-CE: tRNA gene database curated manually by experts. (2013)
  • 著者名/発表者名: Takashi Abe, Hachiro Inokuchi, Yuko Yamada, Akira Muto and Toshimichi Ikemura.
  • 学会等名: 第36回日本分子生物学会年会
  • 発表場所: 兵庫県, 神戸国際会議場
  • 年月日: 20131203-20131206
• [学会発表] ゲノムアノテーション (2013)
  • 著者名/発表者名: 阿部貴志
  • 学会等名: 統合データベース講習会：AJACS琉球
  • 発表場所: 沖縄県, 琉球大学
  • 年月日: 20130730-20130730
  • 招待講演
• [図書] Advances in Viral Genomes Research (Novel bioinformatics method to analyze more than 10,000 influenza virus strains easily at once: Batch-Learning Self Organizing Map (BLSOM).) (2013)
  • 著者名/発表者名: Eds: J. Borrelli and Y. Giannini (Yuki Iwasaki, Toshimichi Ikemura, Kennosuke Wada, Yoshiko Wada, Takashi Abe)
  • 総ページ数: 123
  • 出版者: Nova Science Publishers
• [図書] ベーシックマスター分子生物学 （担当：16章 ゲノミクス） (2013)
  • 著者名/発表者名: 東中川徹, 大山隆, 清水光弘共編 (池村淑道、阿部貴志)
  • 総ページ数: 438
  • 出版者: オーム社
• [備考] BLSOMを用いたメタゲノム配列に対する生物系統推定ソフトウェアPEMS
  • URL: http://bioinfo.ie.niigata-u.ac.jp/?PEMS_Soft