計算とシミュレーションによるがんシステム学の創成

2010 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Integrative Systems Understanding of Cancer for Advanced Diagnosis, Therapy and Prevention
• Project/Area Number: 22134004
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 宮野 悟 東京大学, 医科学研究所, 教授 (50128104)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 井元 清哉 東京大学, 医科学研究所, 准教授 (10345027) ; 山口 類 東京大学, 医科学研究所, 講師 (90380675) ; 長崎 正朗 東京大学, 医科学研究所, 准教授 (90396862)
• Keywords: がん / システム生物学 / ゲノム科学 / バイオインフォマティクス / 遺伝統計学 / スーパーコンピュータ

Research Abstract

システムとしてがんを統合的に理解するためのシステム的方法論の構築を開始し、以下の成果を得た。
1.次世代シークエンサーによるがんゲノムの包括的理解のための大規模並列ジョブ解析支援ソフトウェアをヒトゲノム解析センタースーパーコンピュータシステム上に開発した。
2.システムがん研究に適した大規模データ解析・シミュレーション統合解析プラットフォームの整備を開始し、データ解析の流れを組み立てることができるCancer integrative Pipeline(CanceriP)、及びモデリング・シミュレーションソフトウェアCell Illustrator 4.0整備した。
3.がんの動的・静的的システムを解析するために以下の推定技術を開発した。
(1)異なる成長因子などの刺激に基づいた時系列遺伝子発現プロファイルデータから、その刺激に誘導される遺伝子ネットワークを同時に推定・比較する技術を開発した。
(2)時系列遺伝子発現データからの遺伝子群間のGranger因果律を正準相関分析により同定する手法を考案し、ARモデルに基づく新たな遺伝子ネットワーク推定法を開発した。ベイジアンネットワークによって推定した局所的ネットワーク構造の不整合性に基づいて隠れ交絡因子とその発現量を推定する方法を考案し、欠損遺伝子や未知生体分子を考慮できる方法を開発した。遺伝子発現プロファイルデータから遺伝子ネットワークとネットワークモジュールを同時に推定する統計的モデルを開発した。
(3)がんの多様性を特徴付けるパスウェイを探索するために,確率的主成分分析モデルに基づき、遺伝子発現プロファイルデータから各遺伝子パスウェイの活性度を求める統計的手法を開発した。ヒト複数組織にわたる遺伝子発現を支配しているcis制御コードを見つけ出すBiclustering-based Extraction of Expression Modules(BEEM)法を開発した。モデルフリーな教師なし遺伝子セットスクリーニング法(Matrix Information Enrichment Analysis(MIEA))を開発した。

Research Products

• [Journal Article] Whole-genome sequencing and comprehensive variant analysis of a Japanese individual using massively parallel sequencing (2010)
  • Author(s): Fujimoto, A., Nakagawa, H., Hosono, N., Nakano, K., Abe, G., Boroevich, K.A., Nagasaki, M., Yamaguchi, R., Shibuya, T., Kubo, M., Miyano, S., Nakamura, Y., Tsunoda, T.
  • Journal Title: Nature Genetics Volume: 42 Pages: 931-936
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A fast and robust statistical test based on likelihood ratio with Bartlett correction to identify Granger causality between gene sets (2010)
  • Author(s): Fujita, A., Kojima, K., Patriota, A.G., Sato, J.R., Severino, P., Miyano, S.
  • Journal Title: Bioinformatics Volume: 26(18) Pages: 2349-2351
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Identifying hidden confounders in gene networks by Bayesian networks (2010)
  • Author(s): Higashigaki, T., Kojima, K., Yamaguchi, R., Inoue, M., Imoto, S., Miyano, S.
  • Journal Title: Proc.10th IEEE Bioinformatics and Bioengineering Pages: 168-173
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Granger causality in systems biology : modeling gene networks in time series microarray data using vector autoregressive models (2010)
  • Author(s): Fujita, A., Severino, P., Sato, J.R., Miyano, S.
  • Journal Title: Lecture Notes in Computer Science Volume: 6268 Pages: 13-24
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Discovering functional gene pathways associated with cancer heterogeneity via sparse supervised learning (2010)
  • Author(s): Kawano, S., Shimamura, T., Niida, A., Imoto, S., Yamaguchi, R., Nagasaki, M., Yoshida, R., Print, C., Miyano, S.
  • Journal Title: Proc.IEEE 10th International Symposium on Bioinformatics & Bioengineering Pages: 253-258
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gene regulatory network clustering for graph layout based on microarray gene expression data (2010)
  • Author(s): Kojima, K., Imoto, S., Nagasaki, M., Miyano, S.
  • Journal Title: Genome Informatics Volume: 24 Pages: 84-95
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An efficient biological pathway layout algorithm combining grid-layout and spring embedder for complicated cellular location information (2010)
  • Author(s): Kojima, K., Nagasaki, M., Miyano, S.
  • Journal Title: BMC Bioinformatics Volume: 11:335(掲載確定)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cell Illustrator 4.0 : A computational platform for systems biology (2010)
  • Author(s): Nagasaki, M., Saito, A., Jeong, E., Li, C., Kojima, K., Ikeda, E., Miyano, S.
  • Journal Title: In Silico Biology Volume: 10:0002(掲載確定)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gene set-based module discovery decodes cis-regulatory codes governing diverse gene expression across human multiple tissues (2010)
  • Author(s): Niida, A., Imoto, S., Yamaguchi, R., Nagasaki, M., Miyano, S.
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: 5(6):e10910(掲載確定)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Model-free unsupervised gene set screening based on information enrichment in expression profiles (2010)
  • Author(s): Niida, A., Imoto, S., Yamaguchi, R., Nagasaki, M., Fujita, A., Shimamura, T., Miyano, S.
  • Journal Title: Bioinformatics Volume: 26(24) Pages: 3090-3097
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Inferring dynamic gene networks under varying conditions for transcriptomic network comparison (2010)
  • Author(s): Shimamura, T., Imoto, S., Yamaguchi, R., Nagasaki, M., Miyano, S.
  • Journal Title: Bioinformatics Volume: 26(8) Pages: 1064-1072
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Collocation-based sparse estimation for constructing dynamic gene networks (2010)
  • Author(s): Shimamura, T., Imoto, S., Nagasaki, M., Yamauchi, M., Yamaguchi, R., Fujita, A., Tamada, Y, Gotoh, N., Miyano, S.
  • Journal Title: Genome Informatics Volume: 24 Pages: 164-178
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Phosphoproteomics-based modeling defines the regulatory mechanism underlying aberrant EGFR signaling (2010)
  • Author(s): Tasaki, S., Nagasaki, M., Kozuka-Hata, H., Semba, K., Gotoh, N., Hattori, S., Inoue, J., Yamamoto, T., Miyano, S., Sugano, S., Oyama, M.
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: 5(11):e13926
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Breaking the Keys to Cancer Systems by Supercomputer (2010)
  • Author(s): Satoru Miyano
  • Organizer: The 21st International Conference on Genome Informatics
  • Place of Presentation: The First World Hotel, Hangzhou, China
  • Year and Date: 2010-12-16
• [Presentation] Can Supercomputer Hack Cancer Systems? (2010)
  • Author(s): Satoru Miyano
  • Organizer: Asian Regional Conference on Systems Biology
  • Place of Presentation: The Royal Chulan Kuala Lumpur, Malaysia
  • Year and Date: 2010-11-30
• [Presentation] Breaking the Keys to Cancer Systems with Supercomputer (2010)
  • Author(s): Satoru Miyano
  • Organizer: Seoul National University Cancer Research Institute Symposium
  • Place of Presentation: Seoul National University Dental Hospital, Seoul, Korea
  • Year and Date: 2010-11-06
• [Presentation] Can Supercomputer Hack Cancer Systems? (2010)
  • Author(s): Satoru Miyano
  • Organizer: CSH Asia Conference on Computational Biology
  • Place of Presentation: Suzhou, China
  • Year and Date: 2010-09-27
• [Presentation] がんをシステムとして読み解くために (2010)
  • Author(s): 宮野悟
  • Organizer: 統計関連連合大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学
  • Year and Date: 2010-09-07
• [Presentation] Supercomputing for Systems Biology (2010)
  • Author(s): Satoru Miyano
  • Organizer: Brazilian Symposium on Bioinformatics 2010
  • Place of Presentation: Ferradura Resort, Buzios, Rio de Janeiro, Brazil
  • Year and Date: 2010-09-01