染色体高次構造情報の計算機的再構築および染色体構造と表現型の連関解析

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Chromosome Orchestration System
• Project/Area Number: 15H05979
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 伊藤 武彦 東京工業大学, 大学院生命理工学研究科, 教授 (90501106)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉田 健一 京都大学, 医学研究科, 特定助教 (50738226)
• Project Period (FY): 2015-06-29 – 2020-03-31
• Keywords: 染色体立体構造解析

Outline of Annual Research Achievements

初年度である今年度は、ChIA-PET, Hi-CなどNGSデータに基づいた染色体立体構造実現に向け、技術課題の検討や基本的な情報基盤整備を進めた。特に、他の班員が実験によって生成したデータを解析するための解析パイプラインの整備が、本研究領域の全体的な目標にとって必要であるため、その整備を積極的に推進した。
まず、解析パイプラインに組み込むソフトウェアや、その設定パラメータについて、他グループより論文化されているデータにより検討を加え、システムに組み込むソフトウェア、パラーメータを決定した。
この結果に基づき複数ソフトウェアによる一連の処理をパイプライン化し、実験系研究者がそれを利用できるようにするために、Rasmolをベースとし染色体を３次元表示し、Hi-C, ChIA-PETなどの解析結果を遺伝子情報やGC含量などと合わせて可視化、および直感的に操作することが可能なグラフィカルユーザインターフェースの開発を実施した。
また、ChIA-PET, Hi-C実験データを解析するためのパイプラインを構築し、WEB サービス化を図った。解析パイプラインには、ノーマライゼーションツールや3D モデリングツールが含まれ、WEB サービスのユーザインターフェースにおいて、インターラクティブな操作でジョブ投入ができるようになっている。
一方分担領域では、これまでにコヒーシン複合体の変異が報告されている造血器腫瘍である骨髄異形成症候群（MDS）およびダウン症候群に合併する急性巨核芽急性白血病（DS-AMKL）について、全エクソンシーケンスおよびRNAシーケンスにより、コヒーシン複合体関係の遺伝子変異を含む遺伝子異常を調べた。MDSでは16.4%に、DS-AMKLには27.5%にコヒーシン複合体関係の遺伝子変異を認めた。過去の報告と同様に、変異と染色体異常数との相関は認めなかった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

昨年度において最も緊急性が高いと考えられる他の班員が実験によって生成したデータを解析するための解析パイプラインの整備を、プロトタイプシステムとはいえ実現することができたことは大きく評価されるべきことであると考えられる。また、ChIA-PET, Hi-Cの実験解析結果から情報解析を自動的に実施し、その結果を立体構造として可視化するためのプロトタイプデータベースを構築できたことも期初に立てた一年目の目的が達成できたと評価できる。
さらには、他班員との共同研究も3グループと開始(4C, ChIP-seq, ChIA-PET, ゲノム解読)できたことは期初には想定されていなかったことであり、この箇所は予定より進捗が進んでいると考えられる。
一方、開発したパイプラインの精度などを検証する手法の確立が喫緊の課題として浮上してきたため、次年度以降早急に取り組む予定である。以上全体としては、概ね順調に進展していると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

次年度以降はChiA-PET, Hi-CなどNGSを用いた実験データから情報学的に染色体立体構造予測を行う解析パイプラインの開発を引き続き行うとともに、予測精度の向上、解析速度向上を目標に改良を加える。そのため、昨年度は不十分であったパイプラインに対する精度等のベンチマークができる系の樹立を早急に試みる。しかしながら、「正解」の立体構造が既知なものは存在しないため、例えば、2種類の制限酵素を用いて得られたHi-Cデータから独立に得られた立体構造の一致度などを指標にすることを検討している。
また、全班員に対して得られた成果を情報学的視点によりフィードバック可能なデータベース、可視化、解析ツール群の開発を引き続き実施する。RNA-seq, ChIP-seqなどの染色体一次元に付随したデータの可視化に関しては、十分なクオリティのデータベース開発が完了していると考えられるが、空間的情報を持つデータの表示には改良の余地が大きいため、この箇所を重点的に開発するものとする。さらに、件数が今までは少なかった他班員から得られた実験データの情報解析を積極的に進め、プラットフォームへのデータ格納の充実を図る予定である。
さらには分担研究者とともに、コヒーシン複合体の変異による染色体機能の破綻が病態に関わっていることが明らかとなっている骨髄異形成症候群(MDS)およびダウン症候群に合併する急性巨核芽急性白血病（DS-AMKL）について、引き続き全エクソンあるいは全ゲノムシークエンス、RNAシークエンス、DNAメチル化解析といった網羅的な解析を試行し、染色体構造の変化を介した種々の機能破綻という観点から、これらの疾患の分子メカニズムを明らかにするための研究を遂行する。