深層生成モデルを活用した細胞共局在ネットワーク解析ツール「DeepCOLOR」を開発【島村徹平 教授】
国立大学法人東京医科歯科大学
国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）
細胞間コミュニケーションの全体像解明から、創薬・疾患の超早期予測への応用にも期待
ポイント
- 深層生成モデル※１を活用して空間トランスクリプトームデータから一細胞レベルでの共局在解析を行う手法、DeepCOLOR（ディープカラー）を開発。
- 多様な組織内で近接する細胞集団の同定や細胞間コミュニケーションの分子機構の推定が可能。
- 細胞間コミュニケーション※２の包括的な全体像の解明により、疾患の超早期段階からの予測、創薬標的の探索や治療法開発への応用が期待。
この手法は、一細胞トランスクリプトームデータと空間トランスクリプトームデータを統合し、深層生成モデルの枠組みを利用して、生体組織内の細胞間ネットワークを一細胞解像度で分析することを可能にする技術です。本解析手法をマウスの脳組織、ヒトの扁平上皮癌サンプル、SARS-CoV-2に感染したヒトの肺組織のデータに適用し、細胞間の共局在関係を網羅的に解析することにより、組織内で近接する細胞集団の同定や、細胞間コミュニケーションの分子機構の推定が可能となりました。
細胞間コミュニケーションの理解は、細胞応答や疾患、組織の生物学的機能研究において不可欠です。DeepCOLORは、一細胞トランスクリプトームデータを用いて、細胞の組織内空間分布を復元し、一細胞レベルの共局在解析を実現することに成功しました。本解析手法は、細胞間コミュニケーションの分子メカニズムに関する網羅的なデータに基づく仮説の提案を可能にし、疾患の超早期段階からの予測や新規の創薬標的の探索に役立つと期待されます。
本研究成果は、国際学術誌「Cell Systems」に2024年2月21日にオンライン掲載されました。
研究の背景
研究成果の概要
研究成果の意義
図１ DeepCOLORの概要
用語解説
※１深層生成モデル
深層学習によりデータの生成過程を記述した確率モデル。近年、一細胞トランスクリプトーム解析への応用が進んでいる。
※２細胞間コミュニケーション
細胞同士が直接接触したり、あるいはある細胞がシグナル分子を放出してそれを別な細胞が受信し応答したりすることで、細胞間で情報を交換し合うプロセスのこと。このプロセスは、細胞の機能調節、成長、分化、および生存に不可欠であり、多細胞生物において組織や器官が協調して機能するために重要である。
※３共局在関係
異なる細胞が物理的に同一の組織内部位に位置すること。この関係は、細胞内の機能的な相互作用やシグナル伝達の研究において重要で、細胞の働きや病態の理解に役立つ。
※４シングルセルRNAシークエンス
一細胞ごとの区別をつけた状態でRNA分子の網羅的なシークエンシングを行うことにより、細胞ごとの遺伝子発現量の網羅的な定量化を行う手法。
※５遺伝子発現プロファイル
特定の細胞、組織、または生物全体での遺伝子発現のパターンを示すデータのこと。このプロファイルは、RNAやタンパク質の量の測定により、どの遺伝子がオン（活性化）またはオフ（非活性化）になっているか、どの程度発現しているかを示す。これにより、生物学的過程、疾患の状態、薬物の影響など、さまざまな条件下での細胞の挙動を理解することができる。
※６一細胞トランスクリプトーム解析
細胞ごとの遺伝子発現パターンを明らかにする技術。細胞間の微妙な違いを把握し、生物学的多様性を理解するために用いられる。
※７空間トランスクリプトーム解析
転写産物の網羅的な発現の解析を各転写産物の組織内における空間的コンテキストを保ったまま行う技術。普及技術においては、一細胞レベルの解像度となっていないため、シングルセルRNAシークエンスとの統合解析が重要となる。
※８神経細胞のサブタイプ
神経細胞（ニューロン）は、その機能や形態、位置によって多様なサブタイプに分類される。
研究助成
論文情報
掲載誌：Cell Systems
論文タイトル：Single-cell colocalization analysis using a deep generative model
DOI：https://doi.org/10.1016/j.cels.2024.01.007
研究者プロフィール
東京医科歯科大学 難治疾患研究所
計算システム生物学分野 連携研究員
国立がんセンター研究所
計算生命科学ユニット 独立ユニット長
・研究領域
バイオインフォマティクス、データ科学、人工知能
東京医科歯科大学 難治疾患研究所
計算システム生物学分野 教授
名古屋大学 大学院医学系研究科
システム生物学分野 特任教授
・研究領域
システム生物学、バイオインフォマティクス、データ科学、人工知能
問い合わせ先
＜研究に関すること＞
東京医科歯科大学難治疾患研究所
計算システム生物学分野 島村 徹平（シマムラテッペイ）
E-mail：shimamura.csb[@]tmd.ac.jp
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東京医科歯科大学 総務部総務秘書課広報係
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