2014 Fiscal Year Annual Research Report
ＲＮＡ二次構造におけるゲノムワイドな変異解析アルゴリズムの開発と進化解析への応用
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14J00402
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
河口 理紗 東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(DC1)
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2014-04-25 – 2017-03-31
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| Keywords | RNA二次構造 / ゲノムワイドシミュレーション / 並列化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
我々はエネルギーの差分を保存していくことで配列長に依存せず且つゲノム全体にわたって隣接領域の影響を考慮した二次構造予測を行うアルゴリズムParasoRを開発した。これによって今まで計算資源などの問題から行うことができなかったゲノムワイドな二次構造解析が可能になり、mRNAやpre-mRNAなどの長いRNA配列においても二次構造を高速に計算できるようになった。
そこでこのParasoRアルゴリズムを実際にヒトとマウスのゲノムに適用し、ゲノムワイドにRNAの二次構造と生物学的な機能の関連性について解析を行った。まず先行研究で行われた次世代シーケンサーを利用した実験的な構造解析に得られたmRNAデータとの比較によって精度の検証を行ったが、計算機的な二次構造予測は構造を組む領域と組まない領域を高い精度で予測できることがわかった。さらに本来はRNAとならない領域を含んだゲノム全体の構造予測を行ったところ転写領域では遺伝子間領域よりも構造を組みやすいという傾向が見られ、さらにGCコンテンツなどの配列的特性によって正規化を行ったあとも、イントロンやUTR領域は構造を組みやすい傾向を持つことが示された。スプライシングの前後での構造変化に注目すると、スプライスアウトによってmRNA上の配列が有意に構造を組まなくなる方向へ変化していることがわかった。このような構造変化の大きな遺伝子はGCコンテンツや発現量の大きさとの相関が見られ、スプライシング効率などの変化を通して生物学的な機構の調整の一端を担っているのではないかと考えられる。
これらの解析結果は現在投稿用論文にまとめており、近日中に投稿予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年度は、予定していた二次構造アルゴリズムの実装を完了し、さらに実際のゲノム配列に対してゲノムワイドなシミュレーションを行うことを達成した。並列化については様々な環境を想定し、メモリ重視と速度重視の別々の手法による実装を行った。シミュレーションについてはヒトゲノム解析センターのスーパーコンピューター上で環境を構築し、ヒトとマウスのゲノムやRNAについて解析を行った。
これらの解析によりmRNAやpre-mRNA配列において部位特異的な二次構造的特徴をもっていることが明らかになり、イントロン配列などこれまで多くの研究で除外されてきた部分の二次構造解析が重要な意味を持っていることを示すことができた。
また本年度作成した構造データベースを利用することで、次年度以降の一塩基多型による構造変化の解析をより高速に行うことを可能にするアルゴリズムを実装する予定である。
本年度の結果については投稿論文を現在執筆中であり、次年度中の出版を予定しており、順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は本年度の研究結果の出版を目指しつつ、構築したアルゴリズムを拡張していく。
具体的には一塩基多型など変異と構造変化の影響の解析に適用していく予定である。これにより、現在の変異解析では考慮できていないpre-mRNAに対する構造的な影響の解析が可能になり、イントロンん領域の変異とスプライシング効率の変化などとの関係を明らかにすることができると考えられる。
また本年度の解析により、我々のアルゴリズムが実験的な解析結果を高い精度で予測できることがわかったことから、予測がうまくいかない原因となる要素を探索することで、パラメータやモデルの改善によるさらなる精度向上ができるのではないかと考えられる。
加えて、スプライシングと二次構造の密接な関係が示されたことから、既存のオルタナティブスプライシングと二次構造的なモチーフなどの特徴について網羅的な解析を行うことを考えている。
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