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1 PDBj 講習会 in 中ノ島, 2008 年 3 月 3 日 日本蛋白質構造データバンク (PDBj) とその利用について 中村春木 大阪大学蛋白質研究所附属プロテオミクス総合研究センター蛋白質情報科学研究室

2 蛋白質 : 蛋白 卵白 ( 卵のしろみ ) 蛋 ( たまご )/ 皮蛋 ( ピータン ) Protein( プロテイン ): ギリシャ語の προτειω (prima materia: 原基的物質 ) に由来 1838 年に J.J. Berzelius (Sweden) が提案 Proteome = protein + ome ( プロテオーム ): 蛋白質の総体 Genome =gene( 遺伝子 )+ ome ( ゲノム ): 遺伝子の総体

3 分子生物学のセントラルドグマ DNA mrna アミノ酸の鎖 蛋白質 DNA は生命の情報を 保持 し 蛋白質は情報が 発現 した物理的 化学的実体

4 グリシン Glycine: G セリン Serine: S アラニン Alanine: A メチオニン Methionine: M 主鎖 バリン Valine: V 側鎖 フェニルアラニン Phenylalanine: F アスパラギン酸 Aspartic acid: D

5 遺伝情報 蛋白質のアミノ酸配列がなぜ重要か? 蛋白質のアミノ酸配列が 固有の立体構造を出現させる フォールディング (Folding) 荷電アミノ酸 アンフォール ディング (Unfolding) 疎水性のアミノ酸 親水性のアミノ酸

6 蛋白質は 個々に いろいろな機能を持つ 抗体 酵素 細胞外 受容体 光合成 活性中心 細胞膜 細胞内

7 蛋白質の特異的な分子の認識 鍵と鍵穴モデル (Key and Lock model) トリプシン ( 緑 ) とその阻害剤蛋白質 ( オレンジ ) との複合体構造

8 蛋白質の特異的な分子の認識 かたち と 物理化学的性質 の相補性 ミチオニン リプレッサー (1MJQ) DNA 結合部位 正の電位 ( 青 ) 負の電位 ( 赤 ) 疎水性のアミノ酸 ( 黄色 ) Tsuchiya et al. (2004) PROTEINS, 55,

9 蛋白質立体構造 ( フォールド ) の多様性フォールド : 二次構造要素の空間的配置 トポロジー 代表的なフォールド : ファミリー ( 祖先が同一と考えられる分子群 ) に横断的に観測されるフォールド フォールドの数はわずか 1000 種類?

10 構造ゲノム / 構造プロテオミクス 種程度あるといわれるファミリー代表構造をすべて解くことを目指す国際プロジェクト 日本では タンパク 3000 プロジェクト が実施された (2002 年度 ~2006 年度 )

11 Protein Data Bank Japan 大阪大学蛋白質研究所にて実施 ( 独立行政法人 ) 科学技術振興機構バイオインフォマティクス推進センター ( がスポンサー

12 Protein Data Bank Japan 大阪大学蛋白質研究所にて実施 ( 独立行政法人 ) 科学技術振興機構バイオインフォマティクス推進センター ( がスポンサー

13 PDB (Protein Data Bank): 蛋白質の立体 (3 次元 ) 構造情報 原子種とその座標 アミノ酸残基 実験手法 実験時の情報 実験観測データ ( 構造因子 ) を整理して登録する X 線結晶解析 核磁気共鳴法 (NMR) 電子顕微鏡観測 蛋白質立体構造

14 日本蛋白質構造データバンク (PDBj) の実施体制 wwpdb 研究チーム事務員 代表研究者 阪大蛋白研附属プロテオミクス総合研究センター運営委員会 蛋白質立体構造データベース専門部会 後藤祐児, 藤原敏道, 中村春木 ( 阪大蛋白研 ) 由良敬 ( 原研システム計算科学センター ) 井上豪 ( 阪大院工学研究科 ) 西村善文 ( 横浜市大国際総合科学研究科 ) 若槻壮市 ( 高エ研構物質構造科学研究所 ) 城宜嗣 ( 理研播磨研究所 ) ( 以上 H18-19 年度 ) PDB データベース管理運営グループ 阪大蛋白研 BMRB データベース管理運営グループ 阪大蛋白研 新規蛋白質立体構造データベース (PDBML) 構築グループ 阪大蛋白研 解析システム開発と二次データベース構築グループ 教育用蛋白質データベース作成公開グループ 阪大蛋白研 東大医科研サブグループ ef-site, jv 東大医科研, 阪大蛋白研 東医歯大サブグループ xpsss 東大医科研, 阪大蛋白研 早大サブグループ ProMode 早稲田大学社会科学部 九大サブグループ ASH 九州大学生体防御医学研究所

15 PDBj members at IPR, Osaka Univ. Hirofumi Suzuki Yukiko Shimizu Masami Kusunoki Akira Kinjyo Kanna Daron Matsuura Standley Eiichi Nakatani Reiko Yamashita Yoko Harano Haruki Nakamrua Chisa Kamada Reiko Igarashi Yumiko Kengaku Hideo Akutsu Other collaborators Takanori Matsuura, Mayumi Inoue, Minyu Chen, Takahiro Kudo (IPR) Atsuro Yoshihara (NECST), Kengo Kinoshita (Inst. Med. Sciecne, Univ. Tokyo) Hiroyuki Toh (Medical Inst. Bioregulation, Kyushu Univ.) Hiroshi Wako (Waseda Univ.) Kohei Ichikawa(Cyber Media Center, Osaka Univ.)

16 日本蛋白質構造データバンク :PDBj 1. 国際蛋白質構造データバンク (wwpdb) の運営 2. 蛋白質立体構造データベース登録作業 3. 蛋白質構造情報の標準 XML 記述 (PDBML) の開発とその応用 4. 蛋白質構造解析実験および蛋白質機能に関する文献情報の付加 5. 蛋白質立体構造に関する新規二次データベースの構築と解析ツールの開発

17 日本蛋白質構造データバンク :PDBj 1. 国際蛋白質構造データバンク (wwpdb) の運営 2. 蛋白質立体構造データベース登録作業 3. 蛋白質構造情報の標準 XML 記述 (PDBML) の開発とその応用 4. 蛋白質構造解析実験および蛋白質機能に関する文献情報の付加 5. 蛋白質立体構造に関する新規二次データベースの構築と解析ツールの開発

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19 国際蛋白質構造データバンク : wwpdb (world wide Protein Data Bank) 4 万 9 件以上の構造データ UCSD Rutgers Univ. NIST Research Collaboratory for Structural Bioinformatics グラント支援 NSF Dept. of Energy NIH European Bioinformatics Institute (MSD-EBI) BMRB Wisconsin 大学 大阪大学蛋白質研究所 PDBj グラント支援 JST- BIRD 新たな国際組織 wwpdb が 2003 年に創設 (Berman, Henrick & Nakamura (2003) Nat. Struct. Biol. 10, 980)

20 wwpdb における国際協力 UCSD Rutgers Univ. RCSB NIST 1) 1 ヶ所の アーカイブ キーパー (RCSB) が管理を行う唯一のデータ アーカイブ EBI BMRB PDBj 2) wwpdb メンバー内で データフォーマットや記述法を討議する 3) データ編纂 編集 登録作業を全てのメンバーが行う 4) 各メンバーはそれぞれ独自のビューアや API サービスの開発が望まれている (Berman, Henrick & Nakamura (2003) Nat. Struct. Biol. 10, 980)

21 Nakamura, H Markley, J.L. Berman, H. M. Henrick, K E-MSD is supported by grants from the Wellcome Trust, the EU (TEMBLOR, NMRQUAL and IIMS), CCP4, the BBSRC, the MRC and EMBL. PDBj is supported by grant-in-aid from the Institute for Bioinformatics Research and Development, Japan Science and Technology Agency (BIRD-JST), and the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT). The BMRB is supported by NIH grant LM05799 from the National Library of Medicine. The RCSB PDB is supported by grants from the National Science Foundation, National Institute wwpdb of General Medical and Sciences, wwpdbac the Office of Science-Department members of Energy, the National Library of Medicine, the National Cancer Institute, the National Center for Research Resources, at Princeton the National Institute on 7 of Biomedical Sept, 2007 Imaging and Bioengineering, the National Institute of Neurological Disorders and Stroke, and the National Institute of Diabetes & Digestive & Kidney Diseases.

22 Agreement signature Nature Structure Biology (2003) Vol. 10, No.12

23 wwpdb FTP Traffic PDB データの利用者 :2007 年 6 月中にダウン ロードされた PDB データ件数 : 6,235,000 (RCSB PDB, EBI-MSD, PDBj の総計 )

24 日本蛋白質構造データバンク :PDBj 1. 国際蛋白質構造データバンク (wwpdb) の運営 2. 蛋白質立体構造データベース登録作業 3. 蛋白質構造情報の標準 XML 記述 (PDBML) の開発とその応用 4. 蛋白質構造解析実験および蛋白質機能に関する文献情報の付加 5. 蛋白質立体構造に関する新規二次データベースの構築と解析ツールの開発

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27 PDB データ登録作業の流れ 登録者 ADIT Auto Deposition Input Tool PDB 編集者 登録者の指定した公開時期 Coordinates Str. Factors Precheck Validation check Title Release date Contact author Exp. Condition etc 登録者の指定できる公開時期 すぐ公開する 登録から半年後か 1 年後 雑誌が出版された後 PDB 検索サーバー Deposit section End of ADIT input Display PDB id and RCSB id Revised PDB file and Validation letter by an editor Agree or not with the revision Yes Registration Completed No Reply agreement or not within 3 days ADIT による登録手順

28 PDB depositors from

29 PDB depositors from UNITED_STATES JAPAN UNITED_KINGDOM COMMERCIAL GERMANY Germany.com UK (8%) Japan (13%) USA (37%) FRANCE CANADA ORGANISATION SWEDEN ITALY INDIA AUSTRALIA CHINA SOUTH_KOREA SWITZERLAND

30 Processed data numbers at PDBj Yearly registration number Yearly PDBj processed number Yearly wwpdb processed number Total 49,048 on Feb 19, year We process % deposited data of the entire world, mainly from Asian and Oceania regions

31 Incorrect structures and validation Example: ABC transporter MsbA and EmrE multidrug transporter 1JSQ, 2Z2R

32 T.A. Jones & G.J. Kleywegt (2007) Experimental Data for Structure Papers Science 317, しかし Science 誌には 2002 年以降 構造因子 (Structure Factor) が附属していないものが 54 構造も出版されている

33 2007 Commentaries on incorrect structures T.A. Jones & G.J. Kleywegt (2007) Experimental Data for Structure Papers Science 317: R.P. Joosten & G. Vriend (2007) PDB Improvement Starts with Data Deposition. Science 317: A. Wlodawer (2007) Deposition of Structural Data Redux. Acta Cryst D63: B.W. Matthews (2007) Five retracted structure reports: Inverted or incorrect? Protein Science 16: M. Crispin, D.I. Stuart & E. Y. Jones (2007). Building meaningful models of glycoproteins. Nature Structural & Molecular Biology 14:354 H.M. Berman, K. Henrick, H. Nakamura & J. Markley (2007). Reply to: Building meaningful models of glycoproteins. Nature Structural & Molecular Biology 14: B. Rupp. (2006) Real-space solution to the problem of full disclosure Nature 444:817

34 Possible reasons Rushed as a short communication into the prestigious high impact journal Ignoring all counter theoretical and spectroscopic evidence Fewer professional crystallographers Crystal structures by biologists with limited crystallographic background High throughput methods Solved using black box crystallographic firmware/software Exploding number of structural papers to review and limited number of willing referees with crystallographic knowledge Papers are increasingly refereed by non-crystallographers who are unaware of many potential pitfalls Limited supporting information available for the reviewer

35 Possible reasons Rushed as a short communication into the prestigious high impact journal Ignoring all counter theoretical and spectroscopic evidence Fewer professional crystallographers Crystal structures by biologists with limited crystallographic background High throughput methods Solved using black box crystallographic firmware/software Exploding number of structural papers to review and limited number of willing referees with crystallographic knowledge Papers are increasingly refereed by non-crystallographers who are unaware of many potential pitfalls Limited supporting information available for the reviewer

36 Deposited Crystal Structures and Structures Factor Files Deposited NMR Structures and Restraint Files Count Year Year Crystal Structures Structure Factors NMR Structures Restraint Files 2008 年 2 月 1 日以降の登録には 構 造因子 (X 線結晶構造 ) または距離 制限情報 (NMR 構造 ) が必須

37 日本蛋白質構造データバンク :PDBj 1. 国際蛋白質構造データバンク (wwpdb) の運営 2. 蛋白質立体構造データベース登録作業 3. 蛋白質構造情報の標準 XML 記述 (PDBML) の開発とその応用 4. 蛋白質構造解析実験および蛋白質機能に関する文献情報の付加 5. 蛋白質立体構造に関する新規二次データベースの構築と解析ツールの開発

38 PDB ファイルの具体例 CRYST P ORIGX ORIGX ORIGX SCALE SCALE SCALE ATOM 1 N PRO A ATOM 2 CA PRO A ATOM 3 C PRO A ATOM 4 O PRO A ATOM 5 CB PRO A ATOM 6 CG PRO A ATOM 7 CD PRO A ATOM 8 N GLN A ATOM 9 CA GLN A ATOM 10 C GLN A ATOM 11 O GLN A ATOM 12 CB GLN A ATOM 13 CG GLN A ATOM 14 CD GLN A ATOM 15 OE1 GLN A ATOM 16 NE2 GLN A X 座標,Y 座標,Z 座標 (A =10-8 cm 単位 )

39 PDB フォーマットにおける問題 1. 固定フォーマット の限界 2. 異なるフォーマットの混在 による混乱 3. 著者定義における不統一性 アミノ酸残基番号における例 A-91B ( 挿入 ) ( 削除 ) (flexible 部分で観測されない ) データ検証が困難 データ品質管理上の問題が残る

40 PDBML: canonical XML description of PDB data, developed by the wwpdb. (Westbrook et al. (2005) Bioinformatics, 21, ) No validation errors for more than 49,000 PDB file description.

41 PDBML の記述例 ATOM 1 N THR A PDB-format <PDBx:atom_siteCategory> <PDBx:atom_site id="1"> <PDBx:group_PDB>ATOM</PDBx:group_PDB> <PDBx:type_symbol>N</PDBx:type_symbol> <PDBx:label_atom_id>N</PDBx:label_atom_id> <PDBx:label_comp_id>THR</PDBx:label_comp_id> <PDBx:label_asym_id>A</PDBx:label_asym_id> <PDBx:label_entity_id>1</PDBx:label_entity_id> <PDBx:label_seq_id>1</PDBx:label_seq_id> <PDBx:Cartn_x>17.047</PDBx:Cartn_x> Full-tag 記述 (all) <PDBx:Cartn_y>14.099</PDBx:Cartn_y> <PDBx:Cartn_z>3.625</PDBx:Cartn_z> <PDBx:occupancy>1.00</PDBx:occupancy> <PDBx:B_iso_or_equiv>13.79</PDBx:B_iso_or_equiv> <PDBx:auth_seq_id>1</PDBx:auth_seq_id> <PDBx:auth_comp_id>THR</PDBx:auth_comp_id> <PDBx:auth_asym_id>A</PDBx:auth_asym_id> <PDBx:auth_atom_id>N</PDBx:auth_atom_id> <PDBx:pdbx_PDB_model_num>1</PDBx:pdbx_PDB_model_num> </PDBx:atom_site> 原子座標のみ別ファイル (ext-atom) <atom_record id="1">atom 1 A A 1 1?. THR THR N N N </atom_record>

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44 12as Wild-card "*" can be used: *2as, 12*, *

45 as* and synthetase "and" or " " and wildcard are available.

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54 Search for all entries with helix of length greater than or equal to 10 residues:

55 Search functional information for 12AS (Asn Synthetase)

56 PDBjViewer or jv インタラクティブな分子グラフィック表示を RasMol タイプのコマンドで実行 ( ソースコード公開 ). スタンドアローンとしても JAVA によりアプレットとしても利用できる XML で定義されるポリゴンが表示され操作される PDBML ファイル (all & ext-atom) をパースできる

57 日本蛋白質構造データバンク :PDBj 1. 国際蛋白質構造データバンク (wwpdb) の運営 2. 蛋白質立体構造データベース登録作業 3. 蛋白質構造情報の標準 XML 記述 (PDBML) の開発とその応用 4. 蛋白質構造解析実験および蛋白質機能に関する文献情報の付加 5. 蛋白質立体構造に関する新規二次データベースの構築と解析ツールの開発

58 オリジナルのPDBデータに対する追加情報の付加 現状のPDBファイルには 実験条件や実験手法等 多くの情報が欠落している また アミノ酸残基および原子レベルでの機能情報が記述されているのはまれである そこで 拡張が容易であるXML 記述の特性を生かして 文献や他のデータベースからそれらの情報を アノテータが追加している

59 Additional Information in xpsss Total number in PDBML GO Information (Biological Process, Molecular Function, Cellular Component) Extracted from Literatures by Annotators Information of binding site residues from HETATM Function Information from Uni-Prot (ACT_SITE, BINDING, DNA_BIND, NP_BIND, ZN_FING, TRANSMEM) Function Information from CATRES/extCATRES- EBI-CSA-EBI- Primary Citation Information 49,048 20,190 19,069 26,868 26,690 2,789 18,395 45,296 (as of Feb. 25, 2008)

60 <grow_comp id="2" auth_validate="n" update_id="6"> <sol_id auth_validate="n" update_id="6">2</sol_id> <name auth_validate="n" type="common name" update_id="6">ammonium sulphate</name> <conc auth_validate="n" unit="%sat" update_id="6">70</conc> </grow_comp> : : </crystal> </exptl> 欠落している実験データの付加 <exptl> <method>synchrotron RADIATION</method> <crystal id="1"> <grow auth_validate="n" update_id="6"> <method auth_validate="n" update_id="6">microdialysis</method> <temp auth_validate="n" unit="&#x2103;" update_id="6">4</temp> <ph auth_validate="n" update_id="6">4</ph> </grow> <grow_comp id="1" auth_validate="n" update_id="6"> <sol_id auth_validate="n" update_id="6">1</sol_id> <name auth_validate="n" type="common name" update_id="6">protein</name> <conc auth_validate="n" unit="mg/ml" update_id="6">13</conc> </grow_comp>

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65 Example for 12as with the functional site information

66 Advanced usage of jv version3 with xpsss Command: show xps3

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69 xpsss (xps 3 :xml-based Protein Structure Search Service) Archive (RCSB-PDB /MSD-EBI /PDBj) download (FTP) Internet downloader PDBML FTP server Web server xpsss AddInformation XSLT processor Native XML-DB Function/ Source Information CATRES Data Annotation Data Get/Input Tools PDBMLplus Filtering & Recostructing PDBMLplus PDBMLplusF PDBMLplus PDBMLplusF Loader DDBJ SwisProt/UniProt PIR/GenBank/KEGG/GDB/ ProTherm/EzCatDB EBI/CSA /CATRES Manual input from literatures Primary Citation DB with PDF files

70 日本蛋白質構造データバンク :PDBj 1. 国際蛋白質構造データバンク (wwpdb) の運営 2. 蛋白質立体構造データベース登録作業 3. 蛋白質構造情報の標準 XML 記述 (PDBML) の開発とその応用 4. 蛋白質構造解析実験および蛋白質機能に関する文献情報の付加 5. 蛋白質立体構造に関する新規二次データベースの構築と解析ツールの開発

71 Development of other Databases and Services Protein Molecular Surface Database, ef-site (Kinoshita & Nakamura) Search for Similar Surface, ef-seek (Kinoshita & Nakamura) Protein Dynamics Database, ProMode (Wako & Endo) Encyclopedia of Protein Structures, eprots (Kinjyo, Kudo, & Ito) Electron Microscopy Navigator, EM-Navi (Suzuki) BioMagResBank-NMR experimental data (Akutsu, Harano & Nakatani)

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80 BioMagResBank BMRB Mirror site and Registration site of BMRB, provided by PDBj

PDBj : : 1

PDBj : : 1 PDB (PDBj) http://www.pdbj.org Mar. 3, 2008 PDBj : : 1 PDBj PDB ID / / XML (xpsss) (Sequence-Navigator) (Structure-Navigator) (ASH) (ProMode) (ef-site) (EM-Navigator) New! GUI (Protein Globe) New! (eprots)

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