平成 25 年度 先端的計算科学研究プロジェクト

成果報告書

大規模情報処理パイプラインによる次世代シークエンサーによるエピゲノム解析
大川恭行（九州大学医学研究院先端医療医学部門エピジェネティクス分野）
1. 背景
ゲノム DNA は、デオキシリボ核酸で構成された巨大分子である一方で、4 つの塩基によって描かれた巨大な生命の設計図である。このゲノム上の DNA やヒストン等のタンパク質がメチル化、アセチル化等の化学修飾を受けることで、遺伝子の発現状態が調節される。生物個体を構成する個々の細胞がもつゲノム修飾の総体をエピゲノムと呼ぶ。受精から発生を経て老化に至るまで遺伝子が適切に働くためには、エピゲノムの制御が重要である。ゲノムプロジェクトの完了により DNA の塩基配列情報の解読がなされた今、エピゲノム情報解析の時代が到来している。これまでは、ゲノム情報はヒト固有の 27 億文字の塩基配列、テキストファイルにして 2GByte 程度の情報をもとに、エピゲノム解析では、その情報がいかに使われているかという視点での解析が行われ、27 億文字のどの箇所が、いつ、どのように使われているかという、多面的かつ網羅的な解析が行われていた。現在明らかになっているエピゲノム情報だけでもヒストン修飾が 150 種類以上、DNA 修飾が 6 種類以上と多岐にわたり、60 兆個の細胞がこれらのさまざまな修飾を受けているといわれる。そこで個々の配列、また細胞毎の異なる修飾の組み合わせ数を考慮するとなれば、エピゲノム情報を構成する空間はきわめて広大であることが理解できる。これまでは、この広大な情報の空間のごく一部分しか見ることができなかったが、次世代シークエンサーの登場により、ゲノム情報に匹敵するデータサイズの個別のエピゲノム情報を短時間で取り出すことが可能になった。一方で現在、得られる情報量の爆発的な増加に伴う計算資源や解析データを保持するためのストレージ資源の不足は、本分野において大きな問題となっている。
医学生物研究者の多くは、こういった突然到来した大規模情報解析のいわばビッグバンに対応できず、解析データを抱えて困難に直面している。本プロジェクトでは、医学生物学研究者が優れた計算資源であるスパコンを活用することで効率の良いエピゲノム解析を行うモデル系の構築を目指した。

2. 計算パイプラインの構築とその実行環境の整備
3 年目にあたる本年度では、爆発的なアウトプット増大への対応、計算パイプラインのバージョンアップを図った。九州大学内には現在 5 台の次世代シークエンサーと呼ばれるゲノム、エピゲノム解析装置が設置されている。さらに、これに加えて新世代シークエンサーが更に 3 台導入され、アウトプットが昨年度以上に飛躍的に増大した。これら装置はP&P プロジェクト A タイプ（ゲノム、エピゲノム解析拠点構築プロジェクト）により稼働支援が行われ、公募研究も 7 件展開されている。また、九州大学における大規模情報処理解析拠点の構築へのウェット面での支援は継続的に行われている。本プロジェクトとの連携によりドライ、ウェット面での支援は極めて円滑に行われている。結果、次世代シークエンサーが生み出すデータ量は、3 年前には年間 4TB 程度であったが、2 年前では 40TB を超える規模、そして昨年度実績で 350TB に達している。今年度は、解析パイプラインの見直しによりデータ量の圧縮、要約化を行ったものの、トータルでは 500TB を突破した。但し、解析後のデータの元データを削除する等を行った結果、保存に必要な容量は 50TB 程度に抑制された。また、これらのデータのほぼ全ては国際データベースに登録されており、ストレージの有効利用については一定の目途が立っている。一方で、次世代シークエンサ
ーのデータフォーマットは２年前と変わらず未だに頻繁に変更が行われており、フォーマット化のめどは立っていない。基本的には塩基で構成される 4 文字の組み合わせで構成される文字情報として大規模に産出される。この解析データは圧縮され、前述の国際データベース(DNA DATA BANK OF JAPAN, DDBJ)に登録される。この登録なしには解析データの公開や論文発表は認められないため、極めて重要な工程である。また、この文字情報をもとにゲノム上での位置を決定する１次解析、2 次解析と呼ばれる遺伝子発現（もしくは発現制御）などの数値情報に転換し、3 次解析以降にあたるそれらの統計解析などの計算処理を行う。本プロジェクトでは、学内で産出されたデータを hakozaki,tatara 上に転送し、1 次解析から最終解析までをサンプル毎・条件毎の処理単位で並列実行を行うパイプライン構築を行った。情報解析パイプラインは、主に Ruby および Parallel Job Organizer を用いて、オープンソースのソフトウェアである bowtie/tophat/macs/samtools および独自に開発した解析プログラムを適宜目的に応じて組み合わせることで構築した。

3. 解析パイプラインによって得られた成果
本パイプラインの構築により、P&P 並びにゲノム解析コンソーシアム経由の解析を逐次行なっている。学内解析として現在までに 3000 解析を超え、配列情報のデータ総量は 50TBを超える。
また国際データベース登録件数は平成 26 年 4 月現在で 1200 解析を超えている。

成果論文

1: Katahira J, Okuzaki D, Inoue H, Yoneda Y, Maehara K, Ohkawa Y. Human TREX component
Thoc5 affects alternative polyadenylation site choice by recruiting mammalian cleavage factor I.
Nucleic Acids Res. 2013 Aug;41(14):7060-72.

2: Kitajima K, Oki S, Ohkawa Y, Sumi T, Meno C. Wnt signaling regulates left-right axis formationin the node of mouse embryos. Dev Biol. 2013 Aug 15;380(2):222-32.
3: LeBlanc SE, Wu Q, Barutcu AR, Xiao H, Ohkawa Y, Imbalzano AN. The PPARγ locus

makes

long-range chromatin interactions with selected tissue-specific gene loci during adipocyte
differentiation in a protein kinase A dependent manner. PLoS One. 2014 Jan 20;9(1):e86140.

4: Baba T, Otake H, Sato T, Miyabayashi K, Shishido Y, Wang CY, Shima Y, Kimura H, Yagi M,Ishihara Y, Hino S, Ogawa H, Nakao M, Yamazaki T, Kang D, Ohkawa Y, Suyama M, Chung BC,Morohashi K. Glycolytic genes are targets of the nuclear receptor Ad4BP/SF-1. Nat Commun. 2014
Apr 14;5:3634.

5: Harada A, Hayashi M, Kuniyoshi Y, Semba Y, Sugahara S, Tachibana T, Ohkawa Y, Fujita M.
Generation of a monoclonal antibody for INI1/hSNF5/BAF47. Monoclon Antib ImmunodiagnImmunother. 2014 Feb;33(1):49-51.

6: Harada A, Okazaki E, Okada S, Tachibana T, Ohkawa Y. Production of a monoclonal antibody for
C/EBPβ: the subnuclear localization of C/EBPβ in mouse L929 cells. Monoclon Antib ImmunodiagnImmunother. 2014 Feb;33(1):34-7.

7: Yoshimi T, Ohkawa Y, Azuma M, Tachibana T. A panel of specific monoclonal antibodies directedagainst various phosphorylated histones H3. Monoclon Antib Immunodiagn Immunother. 2013
Apr;32(2):119-24.

8: Kumamaru H, Saiwai H, Kubota K, Kobayakawa K, Yokota K, Ohkawa Y, Shiba K, Iwamoto Y,Okada S. Therapeutic activities of engrafted neural stem/precursor cells are not dormant in thechronically injured spinal cord. Stem Cells. 2013 Aug;31(8):1535-47.