Development of metagenome analytical method and its application to common marmoset intestine

狨猴肠道宏基因组分析方法的建立及其应用

• 批准号: 20J21477
• 负责人: 上原 美夏
• 金额: $ 1.79万
• 依托单位: Keio University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J21477/
• 关键词: 腸内細菌叢; バイオインフォマティクス; メタトランスクリプトーム; トランスクリプトーム; メタゲノム; ネットワーク解析; グラフ理論; 共変動解析

本研究は、消化管に沿った宿主と細菌叢の相互作用を明らかにするために、双方の遺伝子発現プロファイルを統合し空間的な機能変化を捉えることを目的とした。前年度に提案した消化管に沿った細菌叢ゲノムの再構築手法について、研究成果を論文にまとめ、国際学術誌に投稿し、受理された。メタゲノムとメタトランスクリプトームを統合し、細菌叢未知遺伝子の機能を予測する一連の解析手法のパイプラインは、論文の査読を通じて、より実用的に改善された。このパイプラインのコードはGitHubで公開している。次に、本課題の目標である消化管に沿った宿主と細菌叢の相互作用の予測を行うため、宿主消化管と細菌叢の遺伝子発現プロファイルを用いたネットワーク解析に取り組んだ。コモンマーモセット5個体の盲腸・横行結腸・直腸を対象に、宿主と細菌叢の転写産物をシークエンスして得られた遺伝子発現プロファイルを統合した。宿主と細菌叢の相互作用を解釈するために、宿主と細菌叢の遺伝子をノードとして、共変動する遺伝子同士をエッジで繋いだ巨大なネットワークを作成した後、このネットワークから、密に共変動する遺伝子セット（部分グラフ）の抽出に取り組んだ。ネットワークから部分グラフを抽出する従来の方法は、本研究で取り扱う生物間の相互作用の解釈には適していなかったため、グラフ理論に基づいた新たなコミュニティ抽出のアルゴリズムを提案した。この方法は、完全部分グラフ（クリーク）を抽出した後、宿主と細菌叢間のエッジを考慮した部分グラフ間の相互作用の強度を示す指標を計算して、部分グラフをマージしていく戦略を取る。抽出されたコミュニティのエンリッチメント解析を実施した結果、本手法は、既存のアルゴリズムに比べて、機能的に関連する宿主と細菌叢双方の遺伝子を含むコミュニティをより多く抽出することに成功した。

这项研究旨在整合基因表达谱并捕获空间功能变化，以阐明沿胃肠道沿线的宿主 - 细菌菌群相互作用。该研究结果汇编成有关该方法的论文，以重建上一年提出的胃肠道界面的细菌菌群基因组，并提交给国际学术期刊，并被接受。通过对本文的同行评审，可以更加实际的改善，这些分析技术的一组分析技术的管道已整合了元基因组学和元转录组以预测未知细菌基因的功能。该管道的代码发表在GitHub上。接下来，我们使用宿主消化道和细菌菌群的基因表达谱进行网络分析，以预测沿胃肠道沿宿主与细菌菌群之间的相互作用，这是该主题的目标。通过测序宿主和细菌菌群转录本获得的基因表达谱均整合到五种常见的摩尔果中。为了解释宿主与细菌植物群之间的相互作用，我们创建了一个巨大的网络，该网络使用宿主和细菌植物基因作为节点在边缘连接边缘基因，然后努力提取一组密集的共价基因（次级）。由于从网络中提取子图的常规方法不适合解释本研究中涵盖的生物之间的相互作用，因此提出了一种基于图理论的新的社区提取算法。该方法使用一种策略，其中提取了完整的子图（Creek），然后通过计算指示指示宿主和细菌菌群之间边缘的子图之间相互作用的强度来进行合并子图。在对提取的群落进行富集分析后，该方法成功提取了更多包含与现有算法相比的社区，这些群落既包含功能相关的宿主和细菌植物群基因。

项目成果

複数の消化管部位を対象としたメタトランスクリプトーム解析手法の開発とコモンマーモセット消化管への応用

多胃肠道宏转录组分析方法的建立及其在狨猴胃肠道中的应用

• 发表时间: 2022
• 作者: Uehara Mika;Inoue Takashi;Kominato Minori;Hase Sumitaka;Sasaki Erika;Toyoda Atsushi;Sakakibara Yasubumi;古澤卓也;上原美夏，井上貴史，小湊みのり，長谷純崇，佐々木えりか，豊田敦，榊原康文
• 通讯作者: 上原美夏，井上貴史，小湊みのり，長谷純崇，佐々木えりか，豊田敦，榊原康文