深層学習を用いたウイルームからのプロカリオティックおよびユーカリオティックウイルス由来配列の同定

核心概念

ウイルームには高速に変異するプロカリオティックおよびユーカリオティックウイルス由来の配列が混在しており、これらの正確な同定と分類は微生物群集の理解に不可欠である。本研究では、トリヌクレオチドペアの相対距離と頻度、および2次元畳み込みニューラルネットワークを組み合わせた新しい手法IPEV を開発し、ウイルームからプロカリオティックおよびユーカリオティックウイルスを識別する。

要約

本研究では、ウイルームからプロカリオティックおよびユーカリオティックウイルスを効率的に識別するための新しい手法IPEVを開発した。
ウイルームには、高速に変異するプロカリオティックおよびユーカリオティックウイルス由来の配列が混在しており、これらの正確な同定と分類は微生物群集の理解に不可欠である。しかし、ウイルスゲノムの高い変異率により、高性能な分類ツールの開発が困難となっている。
IPEVは、トリヌクレオチドペアの相対距離と頻度、および2次元畳み込みニューラルネットワークを組み合わせた新しい手法である。交差検証の結果、IPEVは既存手法と比較して、既知のウイルスとの配列相同性が30%未満の場合、F1スコアを約22%改善した。さらに、実際のウイルームサンプルでも、配列アラインメントを用いた注釈に基づいて、他の手法よりも高い精度を示した。また、IPEVは既存手法と比較して実行時間を50倍短縮できる。
IPEVを用いて縦断的なサンプルを再解析したところ、これまで観察されていた持続的な個人ウイルームよりも、腸内ウイルームの時間的安定性が高いことが明らかになった。これは、腸内ウイルームの強靭性に関する新しい知見を提供するものである。
IPEVは、ウイルームからプロカリオティックおよびユーカリオティックウイルスを高精度に識別できる、ユーザーフレンドリーなツールである。

統計

ウイルームには、およそ1031個のウイルス粒子が含まれている。
既知のウイルス種は10,434種類に過ぎない。
IPEVは、既存手法と比較して実行時間を50倍短縮できる。

引用

"ウイルームには、およそ1031個のウイルス粒子が含まれている。"
"既知のウイルス種は10,434種類に過ぎない。"

抽出されたキーインサイト

IPEV: Identification of Prokaryotic and Eukaryotic Virus-derived sequences in virome using deep learning

by Yin,H., Wu,S... 場所 www.biorxiv.org 05-30-2023

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.05.28.541705v2

深掘り質問

質問1

ウイルームの多様性を理解するためには、プロカリオティックおよびユーカリオティックウイルスの相互作用をさらに詳細に解明する必要がある。
ウイルームの多様性を理解するためには、プロカリオティックおよびユーカリオティックウイルスの相互作用を詳細に解明することが不可欠です。IPEVのような新しい手法を使用して、ウイルーム中のウイルスの分類と同定を行うことで、プロカリオティックおよびユーカリオティックウイルスの相互作用をより深く理解できます。この手法は、トリヌクレオチドの相対的な距離と頻度を組み合わせた2D畳み込みニューラルネットワークを使用しており、高い精度でウイルスを分類し、ウイルームの多様性を探求するのに役立ちます。

質問2

既知のウイルスデータベースの限界を克服するために、新しい分類手法の開発が重要である。
既知のウイルスデータベースの限界を克服するためには、新しい分類手法の開発が不可欠です。従来の手法では、ウイルスの高い多様性に対応することが難しいため、IPEVのような革新的な手法が重要です。IPEVは、ウイルス由来のシーケンス断片を区別し、分類するためにトリヌクレオチドの相対的な距離と頻度を組み合わせた2D畳み込みニューラルネットワークを使用しています。このような新しい手法は、既知のウイルスデータベースの限界を克服し、ウイルスの正確な同定と分類を可能にします。

質問3

ウイルームの時間的安定性と宿主の健康状態との関係を明らかにすることで、ウイルームの生物学的役割をより深く理解できるだろう。
ウイルームの時間的安定性と宿主の健康状態との関係を明らかにすることは、ウイルームの生物学的役割を理解する上で重要です。IPEVを使用して、実際のウイルームデータを分析し、ウイルスの同定と分類を行うことで、ウイルームの時間的安定性を評価しました。この分析により、ウイルーム中のファージコミュニティが環境の変化に対して強靭であり、ファージコミュニティにおける「勝者を殺す」理論の影響が低い分類レベルで確認されました。さらに、ファージがPPVの変動を主に引き起こし、腸内生態系の多様性を高め、生態系の弾力性を向上させることが示唆されました。これにより、ウイルームの生物学的役割に関する洞察が深まります。