Staff

システム生物医学／バイオインフォマティクス

教授
井原 茂男
Professor Sigeo IHARA
専門分野： バイオインフォーマティクス
研究内容： 多体問題、ネットワーク、ダイナミックスの観点からとらえたシステム生物医学の理論的手法、文献情報を用いた方法論の発展を試み、先端研での実験データからの解析を進め、実験の研究室とともにソフトウェア、データベースを開発している。

生命のシステム的理解をめざす動的なインタラクトームからの知的統合化基盤

急増する生命科学の様々な情報を統合化し、生命科学の新しい展望を開き、 更なる基礎科学の進歩とトランスレーショナル研究を加速することが期待されている。

我々の目的は、生命のシステム的理解のために当所で行なわれている実験結果を効率的に整理し、 次の発見のための予測を効率的に行なう情報基盤の開発を推進することにある。

具体的には、以下の３つを主体として活動している。

  1. 得られた実験結果のデータベースの構築と公開
  2. 文献情報処理をベースにした蛋白質相互作用ネットワークの構築技術をもとに、 分子レベルのシミュレーションを統合したインタラクトーム解析の開発
  3. 使いやすく、安心して使える情報処理基盤技術の開発とシステムの維持管理

これらの研究成果をもとに更なる研究の深化を進めると同時に、産官学の連携も進めている。


図１．解析例

Pickup publications

データベースの公開

山本、佐藤が中心となってLSBMの実験から得られた実験結果のデータベースの構築と公開をしています。 また、安心して使いやすい、情報処理基盤技術の開発とシステムの維持管理を進めています。

マイクロアレイの結果から構築した正常臓器別の遺伝子発現データ(RefExA)のほかに、 TNF刺激による時系列データおよびその阻害剤を併用したときの系の変化を調べたHUVEC DBを 新たに公開しました。
RefExA
HUVEC-DB

文献からの蛋白質相互作用ネットワーク構築

2005年の3月に米国物理学会からの招待で、ロスアンジェルスで開催された米国物理学会で講演しました。 物理特に統計物理学の分野でネットワークの解析が盛んに行われるようになっています。 生物の蛋白質相互作用の情報をまとめることによって得られるネットワークから大変興味がもたれています。

西川と井原が中心となって、文献情報からの蛋白質相互作用ネットワークの構築システムを作成し、 油谷先生と共同でマイクロアレイデータの解析を進めています。 文献情報から得られたヒト全蛋白質相互作用ネットワークのグラフ理論的な解析をしたところ、 文献に現れる全相互作用のうち３０％は物理的な意味のある相互作用であるが、 残りは非物理的な意味論的な相互作用であること、従って文献からの相互作用の意味抽出が 生物理解の上で極めて重要であることがわかりました。

多次元サポートベクターマシンによる遺伝子発現データ解析

マイクロアレイ解析を行うときに必須の統計解析について新しいアルゴリズム開発として、 多次元サポートベクターマシンによる遺伝子発現データを可視化する手法を開発しました。

DNAマイクロアレイから得られる遺伝子発現プロファイルは非常に高次元なデータであるため、 従来は主成分分析などの次元削減手法によって可視化が行われていました。

しかし、従来の手法は、データに関する事前情報を全く利用しないため、 癌組織-正常組織間の発現プロファイル比較など、二群間比較を行う際には、最適な可視化になるとは限りません。 河村らは、機械学習の分野で用いられているSupport Vector Machines (SVM)を多次元に拡張した 多次元サポートベクターマシン(Multidimensional SVM, MD-SVM)を提案しました。

MD-SVMはデータに関する事前情報を利用することで、二群を鮮明に分ける軸を複数抽出し、 二群間比較に最適な可視化を実現します。 肺ガン組織及び正常肺組織から得られた発現プロファイルに適用し、 主成分分析に比べ二つの群が鮮明に分かれていること、また、肺ガン組織のサンプル中に存在する異常サンプルが より容易に検出できることを確認しました。

原著論文
Komura D, Nakamura H, Tsutsumi S, Aburatani H, Ihara S.
Multidimensional support vector machines for visualization of gene expression data.
Bioinformatics. 2005 Feb 15;21(4):439-44

原著論文

    バイオ関連

  1. Daigo K, Kawamura T, Ohta Y, Ohashi R, Katayose S, Tanaka T, Aburatani H, Naito M, Kodama T, Ihara S, Hamakubo T.
    Proteomic analysis of native hepatocyte nuclear factor-4α (HNF4α) isoforms, phosphorylation status, and interactive cofactors ,
    The Journal of biological chemistry,286,674-686 (2011);Epub 2010 Nov 3.
  2. Papantonis A, Larkin JD, Wada Y. Ohta Y, Ihara S, Kodama T, and Cook PR.:
    Active RNA Polymerases: Mobile or Immobile Molecular Machines?,
    PLoS Biology, 8, Issue 7, e1000419 (2010).
  3. Nakajima K, Komiyama Y, Hojo H, Ohba S, Yano F, Nishikawa N, Ihara S, Aburatani H, Takato T, Chung U,
    Enhancement of bone formation ex vivo and in vivo by a helioxanthin-derivative,
    Biochemical and Biophysical Research Communications, Vol.397, No.3, 631-631 (2010).
  4. Wada Y, Ohta Y, Xu M, Tsutsumi S, Minami T, Inoue K, Komura D, Kitakami J, Oshida N, Papantonis A, Izumi A, Kobayashi M, Meguro H, Kanki Y, Mimura I, Yamamoto K, Mataki C, Hamakubo T, Shirahige K, Aburatani H, Kimura H, Kodama T, Cook PR, Ihara S.,
    Wave of nascent transcription on activated human genes,
    Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.(PNAS). 106 18357－18361 (2009).
  5. Wakabayashi K, Okamura M, Tsutsumi S, Nishikawa NS, Tanaka T, Sakakibara I, Kitakami J, Ihara S, Hashimoto Y, Hamakubo T, Kodama T, Aburatani H, Sakai J.,
    'The peroxisome proliferator-activated receptor gamma/retinoid X receptor alpha heterodimer targets the histone modification enzyme PR-Set7/Setd8 gene and regulates adipogenesis through a positive feedback loop',
    Mol Cell Biol. 13,3544-55 (2009).
  6. Komura D, Shen F, Ishikawa S, Fitch KR, Chen W, Liu G, Ihara S, Nakamura H, Hurles ME, Zhang J, Scherer SW, Jones KW, Shapero MH, Huang J, Lee C and Aburatani H:
    Genome-wide detection of human copy number variations using high density DNA oligonuceotide arrays.
    Genome Research, 16, 1575-1584 (2006).
  7. Komura D, Nishimura K, Ishikawa S, Panda B, Huang J, Nakamura H, Ihara S, Hirose M, Jones KW and Aburatani H:
    Reducing experimental noise from genotyping microarray using probe information,
    In Silico Biology, 6, 0009 (2006).
  8. Komura D, Nakamura H, Tsutsumi S, Aburatani H, and Ihara S,:
    Multidimensional Support Vector Machines for visualization of gene expression data,
    Bioinformatics, 21, 439-444 (2005).
  9. Nobuhiko Oshida and Sigeo Ihara,
    Packet traffic analysis of scale-free networks for large-scale network-on-chip design,
    Phys. Rev. E 74,026115-026122 (2006).
  10. Sigeo Ihara, Rikaako Suzuki, Junichi Kitakami, Naoko Nishikawa, Koji Abe, Shingo Tsuji, Shuichi Tsutsumi, Shogo Yamamoto,Michitaka Hirose, and Hiroyuki Aburatani.
    Graph Theoretical Properties of Protein Interaction Networks in the Literature,
    Proceedings of the 17th International Symposium on Mathematical Theory of Networks and Systems, 1171-1121 (2006).
  11. Seiji Yamashita, Yoshimasa Tanaka, Shuichi Tsutsumi, Hiroyuki Aburatani, Nagahiro Minato, Sigeo Ihara "Analysis of mechanism for human γδ T cell recognition of nonpeptide antigens" BBRC 334: 349-360 (2005)
  12. X. Ge, Yamamoto S, Tsutsumi S, Midorikawa Y, Ihara S, S. M. Wang, and Aburatani H. "Interpreting expression profiles of cancers by genome-wide survey of breadth-of-expression in normal tissues" Genomics 86: 127-141 (2005)
  13. Sigeo Ihara, "Protein interaction networks from literature mining" Bulletin of the American Physical Society, 50: 5 (2005)
  14. Komura D, Nakamura H, Tsutsumi S, Aburatani H, Ihara S. "Multidimensional Support Vector Machines for visualization of gene expression data" Bioinformatics 21: 439-444 (2004)
  15. Hippo Y, Watanabe K, Watanabe A, Midorikawa Y, Yamamoto S, Ihara S, Tokita S, Iwanari H, Ito Y, Nakano K, Nezu J, Tsunoda H, Yoshino T, Ohizumi I, Tsuchiya M, Ohnishi S, Makuuchi M, Hamakubo T, Kodama T, Aburatani H. "Identification of Soluble NH2-Terminal Fragment of Glypican-3 as a Serological Marker for Early-Stage Hepatocellular Carcinoma" Cancer Res., 64 (7): 2418-23 (2004)
  16. Komura D., Nakamura H., Tsutsumi S., Aburatani H. and Ihara S., "Multidimensional Support Vector Machines for visualization of gene expression data" Proceedings of 2004 ACM Symposium on Applied Computing, Nicosia, Cyprus 175-179 (2004)
  17. Matsui, Y., Saiura, A., Sugawara, Y., Sata, M., Naruse, K., Yagita, H., Kohro, T., Mataki, C., Izumi, A., Yamaguchi, T., Minami, T., Sakihama, T., Ihara S., Aburatani, H., Hamakubo, T., Kodama, T., Makuuchi, M. "Identification of gene expression profile in tolerizing murine cardiac allograft by co-stimulatory blockade" Physiol Genomics 15:199-208 (2003)
  18. Sabau S.V., Hashimoto S, Nemoto Y, Ihara S, "Cell Simulation for Circadian Rhythm Based on Michaelis-Menten Model" Journal of Biological Physics 28(3): 465-469 Jan (2002)

    19. 並列計算機関連およびヘテロジニアス計算ソフトウェア

  19. Ho S, Ohkura Y, Maruizumi T, Joshi P, Nakamura N, Kubo S, Ihara S. "Hot carrier induced degradation due to multi-phonon mechanism analyzed by lattice and device Monte Carlo coupled simulation" IEICE TRANSACTIONS ON ELECTRONICS E86C (3): 336-349 (2003)
  20. Shirun Ho, Sigeo Ihara and Satoshi Itoh, Shoichi Kubo, Masato Ikegawa, Nobuyuki Mise and Richard D. Schlichting "Agent-based middleware system applied to particle-mesh heterogeneous scientific simulations" Proceeding of Real World Computing symposium 2000, pp.43-48 (2000)
  21. 久保 昭一、何 希倫、井原 茂男、伊藤 智、リチャード・シュリックッティング、渡邊克博「連成解析用ミドルウェアを用いた複合シミュレーションにおけるエージェント処理の性能評価」：情報処理学会第６０回全国大会講演論文集（１） pp.49-50 (1999)
  22. 何 希倫、井原 茂男、伊藤 智 "A common software platform for heterogeneous scientific simulations" Joint Symposium on Parallel Processing 99: P.221 (1999)
  23. 何 希倫、井原 茂男、伊藤 智「異種シミュレーションを結合するエージェントミドルウェアのプロトタイプ開発」：第４７期第２回分子動力学部門委員会、講演会資料、pp.1-12 (出版1998)
  24. Shirun Ho, Sigeo Ihara, and Richard Schlichting "A common software structure for heterogeneous computing" Proceedings of Real World Computing symposium 98, pp.137-142, (1998)
  25. 何 希倫、井原 茂男「異なる計算手法を結合したヘテロジニアスコンピューテジング」：第４７回応用力学連合講演会、講演予稿集、Japan NCTAM: pp187-88 (1998)

    26. 材料・半導体関連

  26. W.K. Leung, R.J. Needs, G. Rajagopal, S. Itoh and S. Ihara "Quantum Monte Carlo study of Silicon Self-Interstitials Defects" VLSI DES 13: (1-4) 229-235 Sp. Iss. SI (2001)
  27. S. Ihara, S. Itoh and J. Greer "Cluster ion implantation: a molecular dynamics study" Materials Science in Smiconductor Processing 3: 91-95. (2000)
  28. W. K. Leung, R. J. Needs, G. Rajagopal, S. Itoh and S. Ihara "Quantum Monte Carlo Study of Silicon Self-Interstitials Defects" Physical Review Letters 83: 2351-2354 (1999)
  29. Ihara, S. Itoh and J. KItakami "Mechanisms of cluster implantation in silicon: A molecular Dynamics　Study" Phys. Rev. B58　10736-10744 (1998)
  30. S. Ihara and S. Itoh "Molecular Dynamics in Semiconductor Physics" Computer Materials Science 10: 80-87 (1998)
  31. K.Esfarjani, Y.Hashi, S.Itoh, S. Ihara, and Y.Kawazoe "Stability and vibrational spectra of toroidal isomers of C240" Z. Phys. D41: p73-76 (1997).
  32. Tamura R, Akagi K, Tsukada M, Itoh S., Ihara S. "Electronic properties of polygonal defects in graphitic carbon sheets" PHYS REV B 56:(3) 1404-1411 JUL 15 (1997)
  33. Y.Hashi, K.Esfarjani, S.Itoh, S. Ihara, and Y.Kawazoe "Electronic structure of C240 rings" Trans. Mat. Res. Soc. Jpn. 20: p486-489 (1996)
  34. S. Itoh, P.Ordejon, D.A. Drabold, R.M. Martin, and S. Ihara "Order-N Tight Binding Molecular Dynamics: Application to Giant Fullerenes" Sci Rep RITU A41: 163-169 (1996)
  35. S. Ihara, S. Itoh, K. Akagi, R. Tamura, and M. Tsukada "Structure of polygonal defects in graphitic carbon sheets" Phys. Rev. B54: 14713-14719 (1996)
  36. K. Akagi, R. Tamura, M. Tsukada, and S.Itoh, and S. Ihara "Electronic structure of helically coiled carbon nanotubes:Relation between the phason lines and energy band structures" Phys. Rev. B53: 2114-2120 (1996)
  37. M. Tsukada, K. Akagi, R. Tamura, and S. Ihara "Electronic States of Nanostructures of Curved Graphitic Carbon cages" Surface Review and Letters 3: 827-834 (1996)
  38. "Molecular Dynamics Study of Toroidal and Helically Coiled Forms of graphitic Carbon" S. Ihara and S. Itoh, Surface Review and Letters, 3 827-834 (1996)
  39. PATIL MB, OHKURA Y, TOYABE T, S, IHARA. "ON COUPLING THE DRIFT-DIFFUSION AND MONTE-CARLO MODELS FOR MOSFET SIMULATION" SOLID STATE ELECTRON 38: (4) 935-936 APR (1995)
  40. J. Tanaka, T.Toyabe, H. Matsuo, S. Ihara, H. Masuda, and F. Otsuka "Reverse Short-channel Effect of Threshold Voltage in Locos Parasitic MOSFET" Solid-State Electronics 38: 567-572 (1995)
  41. Kimura S, Tanaka J, Noda H, Totabe T, Ihara S. "SHORT-CHANNEL-EFFECT-SUPPRESSED SUB-0.1-MU-M GROOVED-GATE MOSFETS WITH W-GATE" IEEE T ELECTRON DEV 42: (1) 94-100 JAN (1995)
  42. S. Ihara, and S. Itoh "Helically coiled and toroidal forms of graphitic carbon" Carbon 33: 931-939 (1995)
  43. K. Akagi, R. Tamura, M. Tsukada, S. Itoh, and S. Ihara "Electronic Structure of Helically Coiled Cage of Graphitic Carbon" Phys. Rev. Lett. 74: 2307-2310 (1995)
  44. Y. Ohkura, H. Mizuta, Ohbu, O. Kagaya, K. Katayama, and S. Ihara "The electron mobility transition in n-GaAs heavily doped channels" Semicond. Sci. Technol. :811 (1994)
  45. M.B. Patil, Y. Okuyama, Y. Ohkura, and S. Ihara "Transmission Matrix Approach for Electron transport in Inversion Layers" Solid-State Electronics 37 :1359-1365 (1994)
  46. C. Greer, S. Itoh and S. Ihara, "Ab initio geometry and stability of a C120 torus" Chem. Phys. Lett. 222: 621-625 (1994)
  47. S. Itoh and S. Ihara "Isomers of the toroidal forms of graphitic carbon" Phys. Rev. B49 May 15.: 13970-13974 (1994)
  48. J. Tanaka, T. Toyabe, S. Ihara, S. Kimura,H. Noda, and K. Itoh "Simulation of Sub-0.1μm MOSFET's with Completely Suppressed Short-Channel Effect" IEEE Electron Device Letters 14: 396-399 (1993)
  49. S. Itoh and S. Ihara "Toroidal forms of graphitic carbon II. Elongated tori" hys. Rev. B48: 8323-8328 (1993)
  50. S. Ihara, S. Itoh, and J. Kitakami "Helically cage forms of graphitic carbon" Phys. Rev. B48: 5643-5647 (1993)
  51. S. Ihara, S. Itoh, and J. Kitakami "Toroidal forms of graphitic carbon" Phys. Rev. B47: 12908-12911 (1993)
  52. S. Ihara, T.Uda, and M. Hirao "Electronic structure of a dimer-adatom-stucking-fault model for the Si(111) 7x7 reconstructed surface" Appl.Surf. Sci. 60/61: 22-28 (1992)
  53. S. Ihara, S.L. Ho, T. Uda, M. Hirao "Ab initio molecular dynamics study of defects on the reconstructed Si(100) surfaces" hys. Rev. Lett. 65: 1909-1912 (1990)
  54. W. G. Hoover, A. J. de Groot, C. G. Hoover, I. Stowers, T. Kawai, B. L. Holian, T. Boku, S. Ihara, and J. Belak "Large-scale elastic-plastic indentation simulations via Nonequilibrium molecular dynamics" Phys. Rev. A42: 5844-5853 (1990)
  55. S. Ihara and K. Suzuki "Monte Carlo Study of Correlated Diffusion in Solids" J. Phys. Soc. Jpn. 55: 1695-1702 (1986)
  56. S. Ihara and K. Suzuki "Molecular Dynamics Study of Li3N" Phys. Lett 110A: 265-268 (1985)
  57. S. Ihara and K. Suzuki "Molecular Dynamics Study of Ag3SI" J. Phys. Soc. Jpn. 54: 2607-2619 (1985)
  58. S. Ihara and K. Suzuki "Molecular Dynamics Study of b-AgI1-x Clx" phy. stat. soli. B 131: (1): 97-103 (1985)
  59. S. Ihara and K. Suzuki "Monte Carlo Diffusion in Non-Bravais Lattice: Application to the bcc Lattice" J. Phys. Soc. Jpn. 53: 3476-3480 (1984)
  60. S. Ihara and K. Suzuki "Molecular Dynamics Study of a -Ag2S" J. Phys. Soc. Jpn. 53: 3081-3087 (1984)

    61. 出版

  61. バイオテクノロジーの流れ（化学工業日報社、２００２）共著　太田隆久 監修
  62. はじめての並列プログラミング（共立出版、１９９８）共著
  63. 先端材料の基礎知識（オーム社、１９９１）共著

    64. 新聞掲載

  64. 日本工業新聞 ｢文献検索による蛋白質相互作用ネットワーク構築｣ 平成15年11月21日 他５件

    65. 表彰

  65. 日経サイエンス主催 第３回コンピュータ ビジュアリゼーション コンテスト優秀賞受賞