マルチスケール精神病データの疎性モデリング解析

2019 年度 実績報告書

• 研究領域: マルチスケール精神病態の構成的理解
• 研究課題/領域番号: 19H05200
• 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)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: ゲノムコホート / 高次元変数選択法 / 遺伝子×環境相互作用 / 機械学習

研究実績の概要

高次元変数選択法の検討：p>>n問題を初めて部分的にでも解決したのは、1998年にTibshiraniによって開発されたLassoである。単一のモデル選択基準計算のみで罰則付き最適化（スパース正則化）を行うことで、データを妥当な次元まで収縮（shrinking）させるという回帰分析手法である。Lassoを皮切りに、罰則項を工夫した様々な手法が開発され、罰則付き回帰（による高次元変数選択）と総称される。しかし申請者らの予備的な検討では、Lasso関連手法は相互作用解析のデータ規模では、特にクロスバリデーションのために計算実行可能性が維持できないことが分かった。そこで、まず全相互作用項も含めた全ての説明変数に関して尤度やP値などの尺度でランキングを作成して、そこから妥当な個数の上位変数を取り出し（周辺回帰スクリーニング）、その上位変数セットに関して高精度の罰則回帰を施すという二段階の手法の実装を行った。これはFanらの開発した超高次元パラメータ空間における高次元変数選択法であり、Sure Independence Screening（SIS）と呼ばれる。SISであれば、周辺回帰スクリーニングパートを容易に並列化することが可能であるため、ゲノムワイドデータにも適用可能となった。更に、SISは一般化線形モデルへも拡張されているため、ロジスティック回帰によって疾患二値データ（罹患・非罹患）を扱えることからもこの枠組みを採用することとした。
また、飲酒や喫煙などの生活習慣に関する環境暴露データを、順位のあるダミー変数あるいは順位のないダミー変数としてコーディングし、SNPとの分割表を集計することで、上記のSISの枠組みによるソフトウェアプログラムを遺伝子×環境相互作用の解析に拡張した。この拡張による統計量の分布を検査し、もっとも安定した統計量と閾値などを検討した。

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

実際のゲノムデータにこれらのコーディング法を適用して得られた周辺回帰ランキング統計量（尤度やオッズ比やp値）の分布を詳細に検査し、特に上位ランキング変数の抜き出し基準の更なる統計学的検討を行っている。また、得られたランキング統計量を重みとしたリッジ回帰の枠組みへの適用も試みている。これらは当初計画どおりの進捗である。

今後の研究の推進方策

遺伝子×遺伝子ならびに遺伝子×環境相互作用のための高次元変数選択法ソフトウェアを、実際のゲノムコホートデータをテストデータとして適用して、この手法の妥当性を検証し、必要があれば、適宜修正を行う。まずは、東北メディカル・メガバンク機構の前向きゲノムコホートで取得された健康診断データを応答変数として横断的解析を行い、次に、疾患二値データや前向きデータへの適用を順次試みる。

研究成果

• [雑誌論文] Genome-wide association study identifies new loci for albuminuria in the Japanese population (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Okuda, Koji Okamoto, Michiaki Abe, Kota Ishizawa, Satoshi Makino, Osamu Tanabe, Junichi Sugawara, Atsushi Hozawa, Kozo Tanno, Makoto Sasaki, Gen Tamiya, Masayuki Yamamoto, Sadayoshi Ito, Tadashi Ishii
  • 雑誌名: Clinical and Experimental Nephrology 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1007/s10157-020-01884-x
  • 査読あり
• [雑誌論文] Study profile of The Tohoku Medical Megabank Community-Based Cohort Study (2020)
  • 著者名/発表者名: Hozawa Atsushi、Tanno Kozo、Nakaya Naoki、Nakamura Tomohiro、Tsuchiya Naho、Hirata Takumi、Narita Akira、Kogure Mana、Nochioka Kotaro、Sasaki Ryohei、Takanashi Nobuyuki、Otsuka Kotaro、Sakata Kiyomi、Kuriyama Shinichi、Tamiya Gen、et al.
  • 雑誌名: Journal of Epidemiology 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.2188/jea.JE20190271
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Establishment of Integrated Biobank for Precision Medicine and Personalized Healthcare: The Tohoku Medical Megabank Project (2019)
  • 著者名/発表者名: Nobuo Fuse, Mika Sakurai-Yageta, Fumiki Katsuoka, Inaho Danjoh, Ritsuko Shimizu, Gen Tamiya, Fuji Nagami, Hiroshi Kawame, Shinichi Higuchi, Kengo Kinoshita, Shigeo Kure, Masayuki Yamamoto
  • 雑誌名: JMA Journal 巻: 2 ページ: 113～122
  • DOI: 10.31662/jmaj.2019-0014
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Automated acquisition of explainable knowledge from unannotated histopathology images (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Yoichiro、Tsuzuki Toyonori、Akatsuka Jun、Ueki Masao、Morikawa Hiromu、Numata Yasushi、Takahara Taishi、Tsuyuki Takuji、Tsutsumi Kotaro、Nakazawa Ryuto、Shimizu Akira、Maeda Ichiro、Tsuchiya Shinichi、Kanno Hiroyuki、Kondo Yukihiro、Fukumoto Manabu、Tamiya Gen、Ueda Naonori、Kimura Go
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 ページ: 5642
  • DOI: 10.1038/s41467-019-13647-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Illuminating Clues of Cancer Buried in Prostate MR Image: Deep Learning and Expert Approaches (2019)
  • 著者名/発表者名: Akatsuka Jun、Yamamoto Yoichiro、Sekine Tetsuro、Numata Yasushi、Morikawa Hiromu、Tsutsumi Kotaro、Yanagi Masato、Endo Yuki、Takeda Hayato、Hayashi Tatsuro、Ueki Masao、Tamiya Gen、Maeda Ichiro、Fukumoto Manabu、Shimizu Akira、Tsuzuki Toyonori、Kimura Go、Kondo Yukihiro
  • 雑誌名: Biomolecules 巻: 9 ページ: 673～673
  • DOI: 10.3390/biom9110673
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] GWAS with principal component analysis identifies a gene comprehensively controlling rice architecture (2019)
  • 著者名/発表者名: Yano Kenji、Morinaka Yoichi、Wang Fanmiao、Huang Peng、Takehara Sayaka、Hirai Takaaki、Ito Aya、Koketsu Eriko、Kawamura Mayuko、Kotake Kunihiko、Yoshida Shinya、Endo Masaki、Tamiya Gen、Kitano Hidemi、Ueguchi-Tanaka Miyako、Hirano Ko、Matsuoka Makoto
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 116 ページ: 21262～21267
  • DOI: 10.1073/pnas.1904964116
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] In Vivo Expression of NUP93 and Its Alteration by NUP93 Mutations Causing Focal Segmental Glomerulosclerosis (2019)
  • 著者名/発表者名: Hashimoto Taeko、Harita Yutaka、Takizawa Keiichi、Urae Seiya、Ishizuka Kiyonobu、Miura Kenichiro、Horita Shigeru、Ogino Daisuke、Tamiya Gen、Ishida Hideki、Mitsui Tetsuo、Hayasaka Kiyoshi、Hattori Motoshi
  • 雑誌名: Kidney International Reports 巻: 4 ページ: 1312～1322
  • DOI: 10.1016/j.ekir.2019.05.1157
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cohort Profile: Tohoku Medical Megabank Project Birth and Three-Generation Cohort Study (TMM BirThree Cohort Study): rationale, progress and perspective (2019)
  • 著者名/発表者名: Kuriyama Shinichi、Metoki Hirohito、Kikuya Masahiro、Obara Taku、Ishikuro Mami、Yamanaka Chizuru、Nagai Masato、Matsubara Hiroko、Kobayashi Tomoko、Sugawara Junichi、Tamiya Gen、Hozawa Atsushi、Nakaya Naoki、Tsuchiya Naho、Nakamura Tomohiro、Narita Akira、Kogure Mana、Hirata Takumi、et al.
  • 雑誌名: International Journal of Epidemiology 巻: 49 ページ: 18～19m
  • DOI: 10.1093/ije/dyz169
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quick assessment for systematic test statistic inflation/deflation due to null model misspecifications in genome-wide environment interaction studies (2019)
  • 著者名/発表者名: Ueki Masao、Fujii Masahiro、Tamiya Gen、for Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative and the Alzheimer’s Disease Metabolomics Consortium
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 14 ページ: e0219825
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0219825
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 3.5KJPNv2: an allele frequency panel of 3552 Japanese individuals including the X chromosome (2019)
  • 著者名/発表者名: Tadaka Shu、the Tohoku Medical Megabank Project Study Group、Katsuoka Fumiki、Ueki Masao、Kojima Kaname、Makino Satoshi、Saito Sakae、Otsuki Akihito、Gocho Chinatsu、Sakurai-Yageta Mika、Danjoh Inaho、Motoike Ikuko N.、Tamiya Gen、Yamamoto Masayuki、Kinoshita Kengo、et al.
  • 雑誌名: Human Genome Variation 巻: 6 ページ: 28
  • DOI: 10.1038/s41439-019-0059-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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: 126 ページ: 362～367
  • 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: Yumi Yamaguchi-Kabata, Jun Yasuda, Akira Uruno, Kazuro Shimokawa, Seizo Koshiba, Yoichi Suzuki, Nobuo Fuse, Hiroshi Kawame, Shu Tadaka, Masao Nagasaki, Kaname Kojima, Fumiki Katsuoka, Kazuki Kumada, Osamu Tanabe, Gen Tamiya, Nobuo Yaegashi, Kengo Kinoshita, Masayuki Yamamoto, Shigeo Kure
  • 雑誌名: Human Genetics 巻: 138 ページ: 389～409
  • 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: 48 ページ: 1305～1315
  • 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: 57 ページ: 274～281
  • 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: 42 ページ: 501～508
  • 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: 139 ページ: 1605～1608.e13
  • DOI: 10.1016/j.jid.2019.01.015
  • 査読あり
• [学会発表] 日本人基準ゲノムJG1の構築とクリニカルシークエンシングへの応用 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田宮 元
  • 学会等名: Scientific Meeting in Osaka
  • 招待講演
• [学会発表] 機械学習・人工知能技術を用いたゲノムリスク予測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田宮 元
  • 学会等名: 第46回東北眼疾患病態研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 日本人基準ゲノム配列を用いた家族性疾患の遺伝子同定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田宮 元
  • 学会等名: 第25回日本家族性腫瘍学会学術集会
  • 招待講演
• [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71回日本皮膚科学会西部支部学術大会
  • 招待講演
• [備考] 東北大学・東北メディカルメガバンク機構・リスク統計解析室
  • URL: http://www.genetix-h.com/~AMERI/index.html