微生物群集構造データの潜在環境因子の予測・可視化ツール LEA
東光一 , 鈴木真也 , 黒澤晋 , 森宙史 , 黒川顕
12211

1. 国立遺伝学研究所生命情報研究センター、2. 東京工業大学生命理工学院

要約クモデル）を適用することにより、そのような環境の連続性を抽出することを試みた。抽近年、世界中の様々な自然環境およびヒト共生環境から膨大な数のサンプルが取出された潜在環境因子（トピック）は、共存しやすい微生物のサブコミュニティと、それ得され、そこに含まれる微生物の群集構造に関してのデータが爆発的な勢いで蓄らを含むサンプルの文書で共起しやすい単語セットとの対応関係を表している。各サンプ積されている。微生物群集構造データを扱う研究の多くは、離散的な環境カテゴ
ルは複数のトピックの混合として表現されるため、トピックに基づく全サンプルの類似性リ（河川、海洋、健常、疾患など）を各サンプルに割り当てることにより、特定の可視化によって、多様な環境の連続性を評価することができる。モデルの学習結果を利の環境で観察される微生物群集の特徴や、環境間の群集構造の差異を明らかにす用して、膨大な数のサンプルをインタラクティブに探索するウェブアプリケーション LEAることを目的としている。しかし実際の環境は多くの場合明確な境界の定義が難 （Latent Environment Allocation; http://leamicrobe.jp）を開発した。新たに取得
しく、微生物群集構造の変化は環境の時空間的な連続性に基づいて評価する必要したサンプルの微生物群集構造データをアップロードすることで、LEA はサンプルの由来がある。本研究では、微生物群集構造と、由来環境に関する自然言語記述文書が環境を高速に予測し、新規サンプルの微生物群集構造の典型性・異質性を評価することが対となった３万以上のサンプルを含むデータセットに統計的潜在意味解析（トピッ 可能である。

方法

背景・目的

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Thompson, Luke R., et al. Nature 551.7681 (2017).

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PLoS computational biology, 11(10), e1004468.

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口腔内エリア海洋エリア

Arumugam, Manimozhiyan, et al.
Nature 473.7346 (2011): 174.

皮膚エリア

2.

腸内エリア

Topic #24

Herlemann, Daniel PR, et al.
The ISME journal 5.10 (2011): 1571.

目的：
連続的に変化する「環境」
コンセプトと、その環境を代表する「共存細菌群集」を約3万サンプルのメタゲノム・メタ16Sデータのみから教師なし学習する
Topic #79

1. 様々な「環境」の微生物群集を眺める

マップは多数のドット（メタゲノムサンプル）と、写真（トピック＝モデル推論された「潜在環境因子」）からなる。
「トピック」とは微生物群集変動の「基底変数」となるまとまりであり、各トピックは協調して変動する微生物のセットと、そのトピックを表現する英単語のセットを持つ。あるトピックの近傍に位置しているドットは、その環境の影響を強く受けた微生物群集構造を持つサンプルであることを意味する。

2.「環境」から微生物群集を検索

検索窓から任意の英単語・英語文章で「環境概念として対応する」サンプ
ルを検索することが可能。関連性の高いサンプルはハイライト表示される。
文字列一致を判定するのではなく、検索クエリを解析して、クエリが含意する「環境」を予測して、微生物群集構造においてその環境に対応するサンプルを表示する。

Samples

土壌エリア
Topic #52

Topic #17
Topic #37

SRS425923

膣内エリア

3. ユーザサンプルをマッピングして「環境」を予測する

ユーザサンプルのメタゲノムデータをアップロードすることで、LEAはサンプルの「環境」を推論し、それぞれのサンプルがどのような環境因子が「混ざった」結果として生成されたサンプルなのかを推定する。
また、マップ上の適切な位置にユーザサンプルを高速に配置することができ、過去の3万サンプルとの類似性からユーザサンプルの特徴を位置付ける「微生物GPS」として利用することができる。

例1）多摩川38地点細菌群集データ
海洋エリア

河川エリア

例2）2人の米国人の時系列（一年間）腸内細菌群集データ

例3）「健常者」と「潰瘍性大腸炎患者」の腸内細菌群集比較「健常者」糞便サンプルのマッピング結果「潰瘍性大腸炎患者」糞便サンプルのマッピング結果

例4）Earth Microbiome Project のデータセット (EMPOntologyラベル3例)
EMPO-Level 3 “Water (saline)”

EMPO-Level 3 “Water (non-saline)”

EMPO-Level 3 “Plant surface”

Licensed under a Creative Commons 表示 4.0 国際ライセンス(c)2018 東光一（国立遺伝学研究所）