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ようたはぎにわ
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1 第 51 回日本生物物理学会ランチョンセミナー 2013 年 10 月 28 日京都国際会館 Publishing BioMagResBank data derived from NMR spectroscopy in the structured formats: XML and RDF 大阪大学蛋白質研究所横地政志

2 NMR 分光学の発展の歴史実験法解析法現象記述法 1946 最初の 1 H 核磁気共鳴観測 (Purcell, Bloch) 1946 Bloch 方程式 1950 化学シフトの発見 1948 双極子緩和 (BPP) 1958 Magic-angle Spinning (Andrew) 1954 線形応答表現 ( 久保 - 富田 ) 1966 FT-NMR (Ernst, Anderson) 1957 密度行列表現 (Redfield) 1971 MRI (Lauterbur, Mansfield) 1983 直積演算子 (Sørensen) 次元 NMR (Ernst) 1990~ DFTによる化学シフト計算 1987 NMRによる立体構造決定 (Wüthrich) 1989 最初のNMR 構造がPDB 登録 1990~ 遺伝子組換え蛋白質 15 N, 13 C, 2 H 等の一様標識ブロードバンドデカップリング多次元 NMR 1997 TROSY 法の提唱 (Wüthrich) 2000~ 高磁場 (800MHz~)NMR Cryoprobe NUS In-cell NMR 巨大分子システムへ応用 2013 wwpdbに登録されたnmr 構造が1 万件超

3 NMR により決定された立体構造

巨大分子システムの構造プローブとしての NMR 古細菌 20S プロテアソーム Core Particle (CP) 4 つの 7 量体の環構造 (α 7 β 7 β 7 α 7 ) α- 環は α サブユニットの N 端の残基 ( ゲート残基 : gating residues) から構成される X 線結晶解析ではゲート残基に対応する電子密度が見えない ( 図 A, C) α 7 の 1H-

4 巨大分子システムの構造プローブとしての NMR 古細菌 20S プロテアソーム Core Particle (CP) 4 つの 7 量体の環構造 (α 7 β 7 β 7 α 7 ) α- 環は α サブユニットの N 端の残基 ( ゲート残基 : gating residues) から構成される X 線結晶解析ではゲート残基に対応する電子密度が見えない ( 図 A, C) α 7 の 1H- 15 N TROSY 及び 1 H- 13 C methyl-trosy を測定 ( 高度に重水素化 13 CH 3 -Met 標識 ) ゲート残基中の Met に 3 つの化学交換ピーク (A, B/C 状態 ) ( 図 D) ニトロキシラジカルを含む分子 (TEMPO) を赤字の Cys 変異残基に導入常磁性緩和促進効果 (PRE) を観測 ( 図 B) Regina,T.N., Sprangers,R., Kay,L.E., Science, 328, (2010)

状態間の交換速度 ( 図未掲載 ) 各変異体の模擬計算で求められた α 環の開口面積とプロテオリシス速度が比例関係 ( 下図 A, B)

5 巨大分子システムの構造プローブとしての NMR PRE の解析と模擬計算からゲート残基は IN(A state)-out(b/c states) の平衡状態 ( 左図 A, B, D) 既知の変異体の生化学的データは IN-OUT の占有率と良い相関 ( 左図 C) A-B, B-C, B-C 状態間の交換速度 ( 図未掲載 ) 各変異体の模擬計算で求められた α 環の開口面積とプロテオリシス速度が比例関係 ( 下図 A, B) 下線は結晶構造では得られなかったの知見に相当 Regina,T.N., Sprangers,R., Kay,L.E., Science, 328, (2010)

6 生体高分子 NMR のためのデータベース :BMRB 著者文献実験条件に関する情報帰属された化学シフト NMR-STAR v3.1 PDB 登録された構造決定に使われた拘束条件原子座標帰属されたピークリスト各種解析データ ( 緩和速度, S 2, 解離定数, 化学交換速度, H/D 交換速度, カップリング定数, RDC など ) NMR と組み合わせた方法論に関する記述 (LC-NMR/MS, SAXS, FRET) 有用な測定解析法が提唱された場合 NMR-STAR のフォーマット定義 ( 辞書 ) は拡張される

7 BMRB の活動 1989 年米国ウィスコンシン大学マジソン校に BioMagResBank (BMRB) 設立 1991 年リレーショナルデータベース化 2007 年 Worldwide PDB (wwpdb) に加盟 2010 年 NMR 構造の登録には化学シフトデータが必須 2013 年現在約 8900 件の NMR 実験解析データを収蔵約 1700 件の代謝物のスペクトルのデータベースの提供 PDB/BMRB に同時登録可能な総合受付システム (AIDT-NMR) の運営妥当性検証データ可視化ツールの提供

8 Worldwide Protein Data Bank BMRB Satellite in Japan bmrbdep.osaka-u.ac.jp

PDBj-BMRB@ 大阪大学蛋白質研究所 http://bmrbdep.protein.osaka-u.ac.

9 大阪大学蛋白質研究所 ADIT-NMR : 生体高分子の NMR 実験データ登録のための窓口 SMS-Dep : 23 残基以下の蛋白質 3 塩基以下の核酸 3 糖以下の糖類の NMR 実験データ登録のための窓口 BMRB Osaka Mirror : BMRB エントリーの検索代謝物の NMR スペクトル DB 各種ファイルのダウンロード

10 NMR データ登録の流れ FAQ 化学シフトファイルの作り方 ADIT-NMR の使い方

NMR データの検索サービス紹介 http://bmrb.protein.osaka-u.ac.

11 NMR データの検索サービス紹介変性したユビキチンを検索 1. Entry information カテゴリを選択 2. Title アイテムに Ubiquitin を入力 3. Molecular assembly カテゴリを選択 4. Physical state アイテムに denatured を入力 5. 検索ボタンを選択

Biological Magnetic Resonance Data Bank Member of A Repository for Data from NMR Spectroscopy on Proteins, Peptides, Nucleic Acids, and other Biomolecules BMRB Entry 18610 Chem Shift validation:

12 Biological Magnetic Resonance Data Bank Member of A Repository for Data from NMR Spectroscopy on Proteins, Peptides, Nucleic Acids, and other Biomolecules BMRB Entry Chem Shift validation: AVS_full, LACS BMRB number (explain) Open Accession Deposition NMR-STAR v3.1 file: bmr18610.str NMR-STAR v2.1 file: bmr18610.str Data Visualizations Goog le search Home Search Validation Tools Deposit Data NMR Statistics Spectroscopists' Corner Programmers' Corner Metabolomics Educational Outreach NMR Data Formats Useful NMR Links Site Map FTP Access Title: 1H, 13C and 15N assignments of Ubiquitin for both folded and denatured states at 258K and 2500 bar PubMed: Authors: Vajpai, Navratna; Nisius, Lydia; Wiktor, Maciej; Grzesiek, Stephan Citation: Vajpai, Navratna; Nisius, Lydia; Wiktor, Maciej; Grzesiek, Stephan. "High-pressure NMR reveals close similarity between cold and alcohol protein denaturation in ubiquitin." Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110,.-. (2013). Assembly members: Ubiquitin, polymer, 76 residues, Formula weight is not available Natural source: Common Name: Human Taxonomy ID: 9606 Superkingdom: Eukaryota Kingdom: Metazoa Genus/species: Homo sapiens Experimental source: Production method: recombinant technology Host organism: Escherichia coli

13 NMR データの検索サービス紹介

BMRB エントリー 18610 の要約ページ NMR-STAR ファイルのリンク (bmr18610.str) タイトル著者名主要引用文献試料の構成情報主要データセット試料の詳細情報外部データベースの参照!

15 BMRB エントリーの要約ページ NMR-STAR ファイルのリンク (bmr18610.str) タイトル著者名主要引用文献試料の構成情報主要データセット試料の詳細情報外部データベースの参照!? DBJ (DNA Data Bank of Japan), EMBL, SP (UniProtKB) への参照なし GB (GenBank), PIR, PRF, REF (NCBI RefSeq) への参照リンクが機能してない TPD, TDG は DDBJ, Genbank のユーザー登録エントリー (Third Party Annotation) を表す従って上記の DB の省略名 DBJ, GB にそれぞれ含むべきでは?

16 NMR データの検索サービスの課題問題点 1. NMR-STARフォーマット ( 情報の整理の仕方 ) の知識が必要 2. 同意義語の変化に由来する検索漏れの発生 3. 型一致 ( デフォルトで文字列型 ) が要求される検索に弱さ 4. 外部 DBとの連携不足に伴う関連情報の少なさリンク漏れリンク切れの発生解決策 1. NMR-STARの定義をウェブ標準技術で記述 2. 列挙型データの正則化 3. データ型宣言厳格な適用 4. リンクの永続化をウェブ標準技術で対応 5. DB 間の相互接続の深化

との親和性が高いタグはカテゴリ (.) アイテムの組み合わせで表現カテゴリアイテムの意味関連は NMR- STAR v3.1 ディクショナリーに定義 _Atom_chem_shift.

17 新たな共通フォーマットの紹介 BMRB/XML と BMRB/RDF NMR-STAR data file example of the Assembly category describing the molecular system (assembly) for BMRB entry bmr15400 人計算機の両方の可読性に優れる tag-value 文法はリレーショナル DB との親和性が高いタグはカテゴリ (.) アイテムの組み合わせで表現カテゴリアイテムの意味関連は NMR- STAR v3.1 ディクショナリーに定義 _Atom_chem_shift.Value 4.15 tag value NMR-STAR v3.1 Atom_chem_shift Value 4.15 relation attribute value Relational DB

18 新たな共通フォーマットの紹介 BMRB/XML と BMRB/RDF The corresponding example in a BMRB/XML data file 計算機の可読性に優れる NMR-STAR v3.1 ディクショナリーに定義された階層性を明示的に再現 XML スキーマ ( フォーマット構造定義 ) は NMR- STAR v3.1 ディクショナリーを直接的に変換して作成 XML スキーマは以下の URL に存在名前空間の接頭辞は BMRBx

19 The corresponding example in a BMRB/RDF data file 計算機によるデータ交換に優れる主語述語目的語を用いた簡潔な表現殆どの語句は URI 参照可能 NMR-STAR v3.1 ディクショナリーに定義された階層性はオントロジー ( 知識表現形式 ) で再現オントロジーは BMRB/XML のスキーマを変換して作成オントロジーは以下の URL に存在オントロジーの名前空間の接頭辞は BMRBo

1 のカテゴリアイテムの意味関連 XML ファイルでは階層性を含む完全な表現 RDF ファイルではオントロジーで表現視覚的にはピリオド (.

20 新たな共通フォーマットの紹介 BMRB/XML と BMRB/RDF Translation example of "Entry" category for BMRB entry NMR-STAR v3.1 のカテゴリアイテムの意味関連 XML ファイルでは階層性を含む完全な表現 RDF ファイルではオントロジーで表現視覚的にはピリオド (.) で連結した直列化表現全てのフォーマットの情報量は等価 XML, RDF は標準化されているため様々なライブラリツールの利用が可能 NMR-STAR v3.1 BMRB/XML の変換のためのツール BMRBxTool を新たに開発 BMRB/XML BMRB/RDF の変換のためのツール BMRBoTool を新たに開発

21 新たな共通フォーマットの紹介 BMRB/XML と BMRB/RDF

22 新たな共通フォーマットの紹介 NMR データの正則化 BMRB の 8859 エントリーについて計 76,606 件のデータを自動化ツール (BMRBxTool) を使い訂正訂正の必要のなかったエントリーは計 226 エントリー数個のデータの訂正が必要なエントリーは全体の 60% 程度 Statistics on data remediations in BMRB/XML conversion Number of data remediated Entries (Fraction %) (2.6) (60.4) (12.3) (14.5) (8.5) (1.7)

23 新たな共通フォーマットの紹介 BRMB/RDF により再連結されたデータベース BMRB の 8859 エントリーについて計 292,329 件の DB 間の参照が見出され全体の 43.8% が PDB へ向かうリンク 2 番目に BMRB エントリー間のクロスリンクさらに配列データベースへのリンク数が多い (GenBank, NCBI RefSeq, DDBJ, UniProt, EMBL の順 ) Statistics on interlinked RDFs in BMRB/RDF A schematic representation of the linked external databases from BMRB/RDF

24 BMRB/XML & BMRB/RDF Publication Server

BMRB/XML & BMRB/RDF Publication Server http://bmrbpub.protein.osaka-u.

One-stop search service for NMR-STAR v3, BMRB/XML and BMRB/RDF

25 BMRB/XML & BMRB/RDF Publication Server Available services: File download service via HTTP and rsync One-stop search service for NMR-STAR v3, BMRB/XML and BMRB/RDF Advanced search services using SPARQL RESTful APIs for BMRB/XML and BMRB/RDF

26 BMRB/RDF Data exchange via RDF links PDB/RDF

27 セマンティックウェブ : データ交換フォーマットとして RDF を使うデータベースの自動的な連携 SPARQL can be used to express queries across diverse data sources. 31 billion RDF resources and 504 million RDF links by September 2011

28 生命科学データベースの拡大年 5 月現在 1512 の生命科学関連データベースが存在 (Nucleic Acids Research)

29 まとめ PDBj-BMRB は BMRB/XML(NMR データの XML 表現 ) BMRB/RDF (NMR データの RDF 表現 ) を開発 NMR-STAR v3.1 従来通り BMRB 登録配布の共通フォーマットとして利用 BMRB/XML データベースの内容の正則化に寄与化学シフト原子座標などのデータを駆使したツールの開発に最適 BMRB/RDF 豊富な関連情報の取得を容易にデータベースの使い勝手の向上に応用セマンティックウェブを構成する情報源の一つとして BMRB のアーカイブされた NMR 実験データは統合化

この講義でやること PDBjのwebページの復習 webページのデータの元になっているデータ形式の解説上記の演習 2

新しいPDBデータの読み解き方金城玲大阪大学蛋白質研究所 & 日本蛋白質構造データバンク(PDBj) 204-0-0 PDBj講習会仙台この講義でやること PDBjのwebページの復習 webページのデータの元になっているデータ形式の解説上記の演習 2 PDBj PDBe RCSB PDB BMRB 3 PDBのやっていること登録日米欧で作業を分担公開データそのものは日米欧で同一