2017 Fiscal Year Annual Research Report
スーパーコンピューティングと革新的情報技術によるがんシステムの新次元探索
| Project Area | Conquering cancer through neo-dimensional systems understanding |
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15H05912
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
宮野 悟 東京大学, 医科学研究所, 教授 (50128104)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
島村 徹平 名古屋大学, 医学系研究科, 特任准教授 (00623943)
PARK HEEWON 山口大学, 国際総合科学部, 助教 (70756642)
山口 類 東京大学, 医科学研究所, 准教授 (90380675)
井元 清哉 東京大学, 医科学研究所, 教授 (10345027)
白石 友一 東京大学, 医科学研究所, 助教 (70516880)
新井田 厚司 東京大学, 医科学研究所, 助教 (00772493)
片山 琴絵 東京大学, 医科学研究所, 助教 (40581195)
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| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | がん / システム生物学 / 統計的モデリング / バイオインフォマティクス / 人工知能 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1.ヒトゲノム解析センタースパコン上に実装したゲノムデータ解析パイプラインGenomonを改良しがんゲノミクス研究に活用した。Genomonは数十～数百塩基のサイズの構造変異の検出が可能であり、国内外での共同研究で多くの成果を得た。さらにゲノム解析結果を自動でグラフ化するツールPAPLOTを開発した。
2.ドライバー遺伝子の推定法を開発した。これまで多くは統計的手法を純粋にアルゴリズムと統計的観点から開発したものでゲノムなどのドメイン知識についての配慮はあまりなかった。そこでがん生物学的知識を統合した統計的方法論を開発しがんのドライバー遺伝子の高精度推定を可能にした。その中でinteraction-based feature-selection strategy based on the adaptive L1-type regularization and random lasso proceduresを考案した。Monte Carlo シミュレーションとTCGAデータの解析で超高次元情報に有効であり高い信頼性があることを確認した。
3.大規模遺伝子ネットワークの解釈と知識発見のための情報方式の開発を進めた。SiGN-BMなどにより大規模な遺伝子ネットワーク推定が可能になったがネットワークからの知識抽出がボトルネックとなっていた。そこで自然言語処理とネットワーク解析を統合する方法の開発に着手した。また富士通研究所の協力を得て、薬剤耐性ネットワーク解析にDeepTensorを応用し説明可能なフィーチャー抽出を進めた。
4.Watson for Genomicsの評価を行った。PMPなどで古川洋一教授が成果を出す中で、全ゲノムシークエンスが不可欠である症例も判明した。東條有伸教授の血液/造血器腫瘍では、全エクソーム／全ゲノムシークエンス解析のターンアラウンド時間が５日以下となった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本新学術領域では、計算システム生物学とスーパーコンピュータをがん研究に融合することに加え、人工知能システム(IBM Watson for Genomicsなど)を導入することで、がんのシステム異常の研究、さらには、生命科学研究をこれまでのスケールと次元を超えたところで実現することが特色としている。これまで、その導入と研究実施が順調に進んでいる。特に、計画研究・小川誠司教授とは緊密な連携のもと、シームレスな研究システムが確立し、国際共同研究も含め本年度も多くの重要な成果を出すことができた。公募研究（三森功士教授、松田浩一教授など）とも密着連携して成果をだした。そこでは、研究テーマごとに、克服すべき問題が同定されると、新たなデータ解析の方式を開発し、スーパーコンピュータ上に実装することで、研究を加速してきた。人工知能システムWatson for Genomicsについては、改良が急速に行われるとともに、今後の発展させかたの方向が明確になった。さらに、計画研究・高橋隆教授との共同研究ではデータに基づいて推定されたネットワークからの知識発見のために、がん研究では初めてDeepTensorの応用のチャレンジが開始された。一般にDeep Learningではなぜこのような予測になったのかがわからないが、DeepTensorはグラフ構造を対象とし、しかも予測に対して説明可能な情報を提示するものである。これはWatson for Genomicsが苦手とするところ解決するものと考えている。このようにシステム癌新次元の方式を探りながら、そしてシステム癌の方法論を昇華させながら多くの成果がえられるとともに、方法論に革新の兆しがあらわれてきた。
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| Strategy for Future Research Activity |
ゲノムの一次元地図から、時間軸・空間軸に広がるがんのシステム異常の複雑さの本態を捉え、システムがん研究が新たに直面している挑戦的課題に解決法を与え、がん研究を新次元へ転送するためのプラットフォームと方法論の構築を継続して行う。また、新公募研究が始まり、それらと強く連携して研究を進める。ノンコーディングRNAを含むネットワークを解析するGimletを開発してきたが、このソフトウェアを継続して改良し、がんのシステム異常解析の展開を行う。ヒトゲノム解析センターSHIROKANE及び「京」コンピュータ上に開発してきたネットワーク推定ソフトウェアパッケージSiGNやGenomonなどを、実験系の計画・公募研究との共同研究の中で継続して活用し研究を推進する。
１．がんゲノミクス研究に用いてきたWatson for Genomicsの有効性と限界が確認でき、そこから得られた知見に基づき、ゲノムシークエンスデータだけでなく、RNAシークエンス、構造異常、エピゲノムへと発展させていくよう努力する。
２．がんのシステム異常をネットワークの観点から捉える研究を推し進める。このために、遺伝子発現データからソフトウェアアップリケ―ションSiGNによって推定した大規模遺伝子ネットワークの解釈及び知識発見のための情報方式の開発を継続してすすめる。同時に、DeepTensorのがん研究への様々な応用を自然言語処理技術と合わせて進める。これは、がん研究だけでなくネットワークバイオロジーの観点から他の生命科学研究へ大きな波及効果があると考えている。
３．がんの進化や発生の研究ではたくさんのデータが得にくいという課題があるが、がん進化のシミュレーションモデルによるシミュレーションの大量の結果をDeep Learningによって学習させることにより、生物学的実験では見ることができない部分を探索する。
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Research Products
(56 results)
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[Journal Article] Targeting Tyro3 ameliorates a model of PGRN-mutant FTLD-TDP via tau-mediated synaptic pathology2018
Author(s)
Fujita K, Chen X, Homma H, Tagawa K, Amano M, Saito A, Imoto S, Akatsu H, Hashizume Y, Kaibuchi K, Miyano S, Okazawa H
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 9(1)
Pages: 433
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Prognostic relevance of genetic alterations in diffuse lower-grade gliomas2018
Author(s)
Aoki K, Nakamura H, Suzuki H, Matsuo K, Kataoka K, Shimamura T, Motomura K, Ohka F, Shiina S, Yamamoto T, Nagata Y, Yoshizato T, Mizoguchi M, Abe T, Momii Y, Muragaki Y, Watanabe R, Ito I, Sanada M, Yajima H, Morita N, Takeuchi I, Miyano S, Wakabayashi T, Ogawa S, Natsume A
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Journal Title
Neuro Oncol
Volume: 20(1)
Pages: 66-77
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Genomic Heterogeneity Within Individual Prostate Cancer Foci Impacts Predictive Biomarkers of Targeted Therapy2018
Author(s)
VanderWeele DJ, Finney R, Katayama K, Gillard M, Paner G, Imoto S, Yamaguchi R, Wheeler D, Lack J, Cam M, Pontier A, Nguyen YTM, Maejima K, Sasaki-Oku A, Nakano K, Tanaka H, Vander Griend D, Kubo M, Ratain MJ, Miyano S, Nakagawa H
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Journal Title
Eur Urol Focus
Volume: pii: S2405-4569(18)
Pages: 30007-5
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Integrated Molecular Characterization of the Lethal Pediatric Cancer Pancreatoblastoma2018
Author(s)
Isobe T, Seki M, Yoshida K, Sekiguchi M, Shiozawa Y, Shiraishi Y,..., Kataoka K, Sato Y, Kawai T, Chiba K, Tanaka H, Shimamura T, Kato M, Iguchi A, Hama A, Taguchi T, Akiyama M, Fujimura J, Inoue A, Ito T, Deguchi T, Kiyotani C, Iehara T, Hosoi H, Oka A, Sanada M, Tanaka Y, Hata K, Miyano S, Ogawa S, Takita J
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Journal Title
Cancer Res
Volume: 78(4)
Pages: 865-876
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] A novel genetic and morphologic phenotype of ARID2-mediated myelodysplasia2018
Author(s)
Sakai H, Hosono N, Nakazawa H, Przychodzen B, Polprasert C, Carraway HE, Sekeres MA, Radivoyevitch T, Yoshida K, Sanada M, Yoshizato T, Kataoka K, Nakagawa MM, Ueno H, Nannya Y, Kon A, Shiozawa Y, Takeda J, Shiraishi Y, Chiba K, Miyano S, Singh J, Padgett RA, Ogawa S, Maciejewski JP, Makishima H
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Journal Title
Leukemia
Volume: 32(3)
Pages: 839-843
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Prognostic relevance of integrated genetic profiling in adult T-cell leukemia/lymphoma2018
Author(s)
Kataoka K, Iwanaga M, Yasunaga JI, Nagata Y, Kitanaka A, Kameda T, Yoshimitsu M, Shiraishi Y, Sato-Otsubo A, Sanada M, Chiba K, Tanaka H,...,Yoshizato T, Sato Y, Yoshida K,..., Miyazaki Y, Takaori-Kondo A, Shibata T, Miyano S, Ishitsuka K, Utsunomiya A, Shimoda K, Matsuoka M, Watanabe T, Ogawa S
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Journal Title
Blood
Volume: 131(2)
Pages: 215-225
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Clonal evolution in myelodysplastic syndromes2017
Author(s)
da Silva-Coelho P, Kroeze LI, Yoshida K, Koorenhof-Scheele TN, Knops R, van de Locht LT, de Graaf AO, Massop M, Sandmann S, Dugas M, Stevens-Kroef MJ, Cermak J, Shiraishi Y, Chiba K, Tanaka H, Miyano S, de Witte T, Blijlevens NMA, Muus P, Huls G, van der Reijden BA, Ogawa S, Jansen JH
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 8
Pages: 15099
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Recurrent SPI1 (PU.1) fusions in high-risk pediatric T cell acute lymphoblastic leukemia2017
Author(s)
Seki M, Kimura S, Isobe T, Yoshida K,..., Shiraishi Y, Chiba K, Tanaka H, Shimamura T,..., Sanada M, Iwama A, Mano H, Miyano S, Ogawa S, Takita J
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Journal Title
Nature Genetics
Volume: 49(8)
Pages: 1274-1281
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Circulating exosomal microRNA-203 is associated with metastasis possibly via inducing tumor-associated macrophages in colorectal cancer2017
Author(s)
Takano Y, Masuda T, Iinuma H, Yamaguchi R, Sato K, Tobo T, Hirata H, Kuroda Y, Nambara S, Hayashi N, Iguchi T, Ito S, Eguchi H, Ochiya T, Yanaga K, Miyano S, Mimori K
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Journal Title
Oncotarget
Volume: 8(45)
Pages: 78598-78613
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Gene expression and risk of leukemic transformation in myelodysplasia2017
Author(s)
Shiozawa Y, Malcovati L, Galli A, Pellagatti A, Karimi M, Sato-Otsubo A, Sato Y, Suzuki H, Yoshizato T, Yoshida K, Shiraishi Y, Chiba K, Makishima H, Boultwood J, Hellstroem-Lindberg E, Miyano S, Cazzola M, Ogawa S
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Journal Title
Blood
Volume: 130(24)
Pages: 2642-2653
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Identification of a p53 target, CD137L, that mediates growth suppression and immune response of osteosarcoma cells2017
Author(s)
Tsuda Y, Tanikawa C, Miyamoto T, Hirata M, Yodsurang V, Zhang YZ, Imoto S, Yamaguchi R, Miyano S, Takayanagi H, Kawano H, Nakagawa H, Tanaka S, Matsuda K
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Journal Title
Sci Rep
Volume: 7(1)
Pages: 10739
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Japanese genome-wide association study identifies a significant colorectal cancer susceptibility locus at chromosome 10p142017
Author(s)
Takahashi Y, Sugimachi K, Yamamoto K, Niida A, Shimamura T, Sato T, Watanabe M, Tanaka J, Kudo S, Sugihara K, Hase K, Kusunoki M, Yamada K, Shimada Y, Moriya Y, Suzuki Y, Miyano S, Mori M, Mimori K
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Journal Title
Cancer Sci
Volume: 14(2)
Pages: 2295-2299
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] The Transcriptional Landscape of p53 Signalling Pathway2017
Author(s)
Tanikawa C, Zhang YZ, Yamamoto R, Tsuda Y, Tanaka M, Funauchi Y, Mori J, Imoto S, Yamaguchi R, Nakamura Y, Miyano S, Nakagawa H, Matsuda K
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Journal Title
EBioMedicine
Volume: 20
Pages: 109-119
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Abnormal hematopoiesis and autoimmunity in human subjects with germline IKZF1 mutations2017
Author(s)
Hoshino A, Okada S, Yoshida K, Nishida N, Okuno Y, Ueno H, Yamashita M, Okano T, Tsumura M, Nishimura S, Sakata S, Kobayashi M, Nakamura H, Kamizono J, Mitsui-Sekinaka K, Ichimura T, Ohga S, Nakazawa Y, Takagi M, Imai K, Shiraishi Y, Chiba K, Tanaka H, Miyano S, Ogawa S, Kojima S, Nonoyama S, Morio T, Kanegane H
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Journal Title
J Allergy Clin Immunol
Volume: 140(1)
Pages: 223-231
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Genome-wide screening of DNA methylation associated with lymph node metastasis in esophageal squamous cell carcinoma2017
Author(s)
Nagata H, Kozaki KI, Muramatsu T, Hiramoto H, Tanimoto K, Fujiwara N, Imoto S, Ichikawa D, Otsuji E, Miyano S, Kawano T, Inazawa J
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Journal Title
Oncotarget
Volume: 8(23)
Pages: 37740-37750
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Haploinsufficiency of TNFAIP3 (A20) by germline mutation is involved in autoimmune lymphoproliferative syndrome2017
Author(s)
Takagi M, Ogata S, Ueno H, Yoshida K, Yeh T, Hoshino A, Piao J, Yamashita M, Nanya M, Okano T, Kajiwara M, Kanegane H, Muramatsu H, Okuno Y, Shiraishi Y, Chiba K, Tanaka H, Bando Y, Kato M, Hayashi Y, Miyano S, Imai K, Ogawa S, Kojima S, Morio T
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Journal Title
J Allergy Clin Immuno
Volume: 139(6)
Pages: 1914-1922
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Hypoxic adaptation of leukemic cells infiltrating the CNS affords a therapeutic strategy targeting VEGFA2017
Author(s)
Kato I, Nishinaka Y, Nakamura M, Akarca AU, Niwa A, Ozawa H, Yoshida K, Mori M, Wang D, Morita M, Ueno H, Shiozawa Y, Shiraishi Y, Miyano S, Gupta R, Umeda K, Watanabe K, Koh K, Adachi S, Heike T, Saito MK, Sanada M, Ogawa S, Marafioti T, Watanabe A, Nakahata T, Enver T
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Journal Title
Blood
Volume: 129(23)
Pages: 3126-3129
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Genetic abnormalities in myelodysplasia and secondary acute myeloid leukemia: impact on outcome of stem cell transplantation2017
Author(s)
Yoshizato T, Nannya Y, Atsuta Y, Shiozawa Y, Iijima-Yamashita Y, Yoshida K, Shiraishi Y, Suzuki H, Nagata Y, Sato Y, Kakiuchi N, Matsuo K, Onizuka M, Kataoka K, Chiba K, Tanaka H, Ueno H,..., Maciejewski JP, Haferlach T, Miyazaki Y, Horibe K, Sanada M, Miyano S, Makishima H, Ogawa S
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Journal Title
Blood
Volume: 129(17)
Pages: 2347-2358
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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