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こうたしのしま
5 years ago
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1 フェノタイプ情報の高度な活用によるバイオリソースの付加価値創造 ~ 生命と環境のフェノーム統合データベース ~ Phenome Metabolome proteome transcriptome genome ( 独 ) 理化学研究所豊田哲郎桝屋啓志 2013 豊田哲郎 ( 理化学研究所 ) licensed under CC 表示 2.1 日本

2 フェノーム統合データベースフェノタイプ情報からバイオリソースを検索できるようにする Phenome フェノタイプ ( 文献オントロジー ) Metabolome proteome 中間フェノタイプ (Linked Data) 推論検索 ( つながり検索 ) transcriptome genome 遺伝資源 ( バイオリソース ) バイオリソースからフェノタイプ情報を検索できるようにする CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5,

3 フェノタイプ情報の蓄積はリソースの利用価値を高めるマウスリソース従来 : リソース名を知らないと検索できないリソース名で検索フェノタイプ付加情報なしマウスリソースフェノタイプ文献文献文献フェノーム統合データベース : フェノタイプ経由で研究にふさわしいリソースを探索比較検討遺伝子の変異症状比較検討リソースの利用価値はフェノタイプ情報の質と量に比例 CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5,

件に糖尿病がヒットこのマウスに関する文献の詳細表示このマウスの文献の年次推移マウスリソース

4 フェノタイプ情報からのリソース検索の実現キーワード糖尿病でマウスリソース検索ヒットしたマウスリソースをランキング表示このマウスには 1,168 件の文献報告あり 1,168 件の文献中 524 件に糖尿病がヒットこのマウスに関する文献の詳細表示このマウスの文献の年次推移マウスリソースフェノタイプ文献文献文献利用者はキーワードにヒットした文献に紐づくマウスを一発で探せる CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5,

5 文献経由で研究者ランキング nature neuroscience で研究者リソース検索ヒットした研究者リソースを文献数でランキング表示この研究者には最近 47 件の文献報告あり 47 件の文献中 4 件に nat. neurosci. がヒットこの研究者が著者の文献の詳細表示と年次グラフ研究者リソースフェノタイプ文献文献文献利用者はキーワードにヒットした文献に紐づく研究者を一発で探せる CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5, 研究者のフェノタイプ = 論文という考え方 5

6 さらに高度な推論検索 ( つながり検索 ) 生薬のアシュワガンダ (Withania somnifera) からマウスリソースへのつながり検索を実現した例文献を経由したヒット例生薬名 ( キーワード ) 文献のテキストマウスリソース文献と遺伝子情報を経由したヒット例生薬成分が Catalase を増加させるという報文を経由した間接ヒット CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5, 生薬名 ( キーワード ) 文献のテキスト変異遺伝子 Catalase マウスリソース 6

7 フェノーム情報は他の DB の価値も高める ( バイオリソースだけでない ) キーワード多動性障害から KNApSAck( 金谷先生の DB) へのつながり検索を実現した例 Phenome Metabolome proteome transcriptome genom e CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5,

8 フェノーム統合プラットフォーム 1 定義する 2 統合する 4 共有する 3 解釈する CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5,

9 1 フェノタイプを定義するフェノタイプの記述対象は極めて自由度が高い! 生命の階層性個体レベル臓器レベル細胞レベル遺伝的要因の多様性生物種エピゲノム遺伝子変異環境要因の多様性栄養状態薬剤投与ストレス従来の問題点 : 文章等で表現されていため語彙のゆらぎの影響が大きくフェノタイプの網羅的検索が不可能だった改善ポイント : 辞書 = オントロジー化により網羅的検索を可能にする期待される効果 : 標準化 : ゆらぎのないフェノタイプ表現で検索漏れを防止統合化 : 複数データベースで表現を統一しワンストップショップ検索を実現体系化 : フェノタイプの類似性で比較体系化 ( マウスの異常とヒト疾患の対応づけ ) CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5,

10 フェノタイプの語彙を標準化して世界的な統合化へ定義オントロジー国際連携 Cell Line Ontology (CLO) Consortium OWL/RDF スキーム標準化の推進世界規模でのフェデレーション型情報統合他分野データとの統合 / 連携推進 Sarntivijai et al, Journal of Biomedical Semantics, (2013: submitted) これにより全世界的な培養細胞情報統合を目指す CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5,

フェノタイプの表現方法 ( スキーマ ) を検索しやすく統一部位と特性でリソース情報を整理異常部位の内約 (MA

表皮系 :87 系統結合組織系 :17 系統血液リンパ系 :102 系統尿 :6 系統長骨異常の内訳 (PATO

:1 長骨の長軸方向成長コントロール変異 :13 系統太さコントロール変異 :6 系統統一スキーマでの表現例フェノタイプ

11 フェノタイプの表現方法 ( スキーマ ) を検索しやすく統一部位と特性でリソース情報を整理異常部位の内約 (MA オントロジー分類 ) 神経系の異常 :10 系統骨格系 :36 系統長骨 :16 長骨以外 :5 中軸系 :12 関節 :3 表皮系 :87 系統結合組織系 :17 系統血液リンパ系 :102 系統尿 :6 系統長骨異常の内訳 (PATO オントロジー分類 ) 形態 :35 形態以外 :1 サイズ :20 形状 :15 長さ短縮 :13 径の短縮 :6 形成不全 :1 長骨の長軸方向成長コントロール変異 :13 系統太さコントロール変異 :6 系統統一スキーマでの表現例フェノタイプ柔軟なリソース検索の実現骨に異常のあるマウスは? 異常部位でフィルターマウス系統のリスト何の? どんな形質が? どうなった? 長骨長さ短縮 11

12 スキーマ統一の国際連携で可能になったこと表現型という複雑で自由度の高い情報に対してゆらぎのないフェノタイプ表現で検索漏れを防止 => 長骨の長軸方向の成長が阻害される KO マウス等を語彙表現のゆらぎを超えて検索する事が可能になった複数データベースで表現を統一しワンストップショップ検索の実現へ => 現在黒川 G( 微生物 ) 大浪 G( 時空間解析 ) DBCLS と連携中フェノタイプの類似性で比較体系化 => お勧めマウスリソース提案機能 => 疾患モデルマウス検索 ( つながり検索 ) 国際的なデータベースの相互利用の実現へ =>Mouse Genome Informatics (MGI: ジャクソン研 ) PhenomeNet ( ケンブリッジ大 ) CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5,

13 フェノタイプ情報を分かりやすく統合 1 定義する 2 統合する 4 共有する 3 解釈する CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5,

14 定義したスキーマに基づいてフェノタイプデータを生物種横断的に収集統合 CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5, 表現型データ汎用 RDF スキーム ( 抜粋 ) (OBO コンソーシアム提案の改良型 ) 生物種に対応したオントロジーで代入表現型データ is_a 何の? どんな形質が? どうなった? ( 部位等 ) ( 形質 ) ( 表現型 ) 植物表現型特性情報培養細胞特性情報 KO マウス表現型情報 ( マウス表現型の例 ) 生物横断的に特性情報を格納できる汎用スキーム ( 各生物の特性情報 is_a 表現型データ )

15 フェノタイプの類似性を自動探索してお勧めマウスを提示研究者が探したいマウスとフェノタイプが類似する他のマウスを分かりやすく提示フェノタイプに関する RDF のリンクを自動探索画面生成研究者に新たな気づきを与える ( 各系統の示す表現型の一致度が高い順番に提示 ) 類似度高類似度低フェノタイプ推薦機能でバイオリソースの付加価値が向上 15

16 マウスフェノタイプ統合の国際コンソーシアムアジアマウス変異リソース連合 (AMMRA) 国際マウス表現型解析コンソーシアム (IMPC) 網羅的表現型データの RDF 化を理研が主導 ( 来年公開予定 ) 中国のグループと連携しアジア統合リソースデータベース目指す設計スキーマに従ったデータ作成 CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5,

17 植物フェノタイプ統合の国際コンソーシアム Arabidopsis Information Portal (AIP) 本事業のフェノームデータベース多様なシロイヌナズナ変異体を開発し研究コミュニティに提供シロイヌナズナの国際的コンソーシアム国際的な分業体制でシロイヌナズナの統合データベースを目指す理研はフェノームで連携参画 CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5,

18 フェノタイプ情報で利用者のデータ解釈を支援 1 定義する 2 統合する 4 共有する 3 解釈する CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5,

19 通常のデータベース検索の限界 My job is a jail を解釈できない! job jail Boolean では job jail CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5,

20 脳における Open-endedness 連想力で My job is a jail を解釈 job 拘束感かな? jail 脳は概念の枠を容易に広げて解釈する Linked Data のつながりで解釈を支援 CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5,

21 つながり検索エンジン (PosMed) の適用 Linked Data を使った推論検索 ( 脳型データベース ) Makita et al. Nucleic Acids Res. (2013) 閲覧用文書ファイル ~1000 万件概念ノード ~10 万件概念ノード ~10 万件文献等の文書 ~1800 万件高速検索 Gene 1 Gene 1 hit hit 利用者によるキーワード検索検索結果 Gene 3 Gene 4 hit keywords ( 糖尿病 ) オントロジークラスや候補遺伝子など Gene 5 conditions ( 染色体領域 ) 概念単位で纏めてヒット文書を提示文献と遺伝子の正確な対応付けルールを構築 CC-BY Tetsuro Toyoda, January 21, 正確なテキストマイニング 21 CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5,

ドキュメントの種類 ) による分類 (Medline, OMIM, PPI, Bio resources 等 ) この表に基づいて統計量の算出やフィッシャーの正確検定などの統計的推論を行うことができるキュレーターが対応づけた遺伝子と文書の対応関係

22 数万個の集計表を高速に計算する技術を適用すべての Gene (X=1,2,,, 数万 ) に対して三次元集計表を瞬時に作成する技術遺伝子名や概念ノード等 (~10 万件 ) 文献等の文書ファイル (~ 千万件 ) Gene X を含む Gene X を含まない検索ワードを含む A 個のドキュメント C 個のドキュメント検索ワードを含まない B 個のドキュメント D 個のドキュメント Gene X hit hit hit 利用者によるフェノタイプ検索 ( 検索ワード ) プロパティ ( ドキュメントの種類 ) による分類 (Medline, OMIM, PPI, Bio resources 等 ) この表に基づいて統計量の算出やフィッシャーの正確検定などの統計的推論を行うことができるキュレーターが対応づけた遺伝子と文書の対応関係各種概念とキーワードとの関連性を網羅的かつ高速統計的に評価できるすべての計算が 1 秒程度で終わる高速ウェブ検索の実現 CC-BY Tetsuro Toyoda, January 21, CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5,

23 つながり検索でバイオリソースのフェノタイプを推論キーワード糖尿, GWAS でバイオリソースを検索 GWAS で糖尿原因遺伝子とされている Acads 遺伝子と文献共起のあるマウスリソースが提示された 23

PosMed: Positional Medline ( つながり検索のシステム )

番染色体の遺伝子 Bioinformatics, 2008 Nucleic Acids

, 2009 ポジショナルクローニングでの候補遺伝子選び候補遺伝子のランキング結果

24 PosMed: Positional Medline ( つながり検索のシステム ) 複合検索条件キーワード : type 2 diabetes ゲノム条件 : 6 番染色体の遺伝子 Bioinformatics, 2008 Nucleic Acids Res., 2009 Plant Cell & Phys., 2009 ポジショナルクローニングでの候補遺伝子選び候補遺伝子のランキング結果交配実験によるラフマッピング (~10Mbp wide interval) Interval Too many genes 候補遺伝子の推定原因遺伝子変異の同定 ENU マウスミュータジェネシスでは約 65 のマウス系統の原因遺伝子の探索成功に貢献 NGS で見つかってくるヒト細胞の変異部位の機能解釈に応用できるインタフェースを提供 24

25 PosMed の用途例 : がん細胞の原因変異遺伝子の絞り込み 25 1NGS データの比較による変異部位の同定正常細胞 Phenome がん細胞 Metabolome 2 変異のある遺伝子のリストの作成 ( 数百 ~ 数千 ) Gene1 Gene2 変異遺伝子リストフェノーム統合 DB proteome transcriptome genome 3 変異遺伝子とフェノタイプ情報を推論的に結び付けて提示 ( 原因遺伝子変異の絞り込み ) Gene1 Gene2 CC-BY Tetsuro Toyoda, January 21, フェノタイプ : Cancer

26 PosMed でつながり検索した多数のデータベース群 ( キーワード例 : induced Pluripotent Stem cell ) ユニークユーザ数毎月約 12,000 人マウス遺伝子 KNApSAck KEGG Drug ( 予定 ) 研究者リソース ICD10 マウスリソースヒト遺伝子 26

http://biosparql.org/posmed で公開中 biolod.

27 で公開中 biolod.org/posmed/ 月間ユニークユーザー 12,000 人 CC-BY Tetsuro Toyoda, January 21,

28 フェノタイプ情報を共有する 1 定義する 2 統合する 4 共有する 3 解釈する CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5,

29 成果共有 ( マウスリソースフェノーム ) マウス系統数 :5,217 総インスタンス数 :11,098 総トリプル数 :76,076 リソース情報フェノタイプ情報各マウスリソースのフェノタイプを結ぶ RDF グラフフェノタイプが類似するマウスおすすめ機能 RDF やテーブル形式でデータを一括ダウンロード可能 CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5,

30 成果共有 ( 細胞リソースフェノーム ) 細胞数 :3,676 総インスタンス数 :12,206 総トリプル数 :62,787 ips 細胞のドナー情報 ( 個人情報は無し疾患情報は有り ) 細胞特性培養環境情報 ips 細胞を含む細胞特性 / 環境情報を共有 Cell Line Ontology (CLO) を通じたグローバルな情報共有へ CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5,

成果共有 ( 先端計測フェノーム ) FANTOM5 の情報共同研究者の情報 BRC の細胞リソース情報 FANTOM5 オリジナルのオントロジーアノテーション FANTOM5 の実験データ (CAGE, 転写因子 ) 細胞リソースデータベースと FANTOM プロジェクトデータベースの RDF

31 成果共有 ( 先端計測フェノーム ) FANTOM5 の情報共同研究者の情報 BRC の細胞リソース情報 FANTOM5 オリジナルのオントロジーアノテーション FANTOM5 の実験データ (CAGE, 転写因子 ) 細胞リソースデータベースと FANTOM プロジェクトデータベースの RDF による統合化全 1,350 系統の内理研 BRC 等の細胞リソース配布機関に関連する 582 細胞系統 ( ヒト 562 マウス 20) CAGE 転写因子モチーフ共発現等の計測フェノーム情報とともに統合作業中 CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5,

32 成果共有 ( 微生物リソースフェノーム ) 13,732 株総トリプル数 194,389 ( 今年度開始 ) 黒川 G の Microbial Culture Collection Vocabulary (MCCV) を用いたデータ記述分離源生育温度培地等の特性 / 環境情報黒川 G DBCLS と連携してデータ記述をすすめている CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5,

33 成果共有 ( 植物リソースフェノーム ) オントロジーによるシロイヌナズナのフェノタイプデータの統合理研の旧植物センターのデータ統合 CSRS で開発したシロイヌナズナ変異体の表現型情報を標準化統合世界のフェノタイプ文献の収集と整理学術論文を一報づつ注意深く読解しシロイヌナズナの表現型情報を収集標準化統合表現型長日条件下で開花が遅い表現型 - 遺伝子の関係性の情報標準化された表現型短い葉柄注目した表現型を示すバイオリソース ( 研究に役立つ変異体 ) のリスト文献変異株フェノタイプ観察情報 14,631 件表現型の原記載 ( バイオリソース開発者による ) 文献からのフェノタイプ情報 824 件 CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5,

34 Biophenome Linked Open Databases biolod.org CC-BY Tetsuro Toyoda, January 21,

基盤普及活動実績震災後の情報基盤提供の依頼を受け分野を越えて日本のオープンデータ普及を支援様々な分野から 700 を超えるデータセットの RDF 公開を支援しその関連活動が評価される受賞歴 (7 件 ) 2011 年 12 月文部科学省科学技術政策研究所 NISTEP ナイスステップな研究者

Challenge Japan 2012 未来ヘルスケア賞 2013 年 4 月 International Space Apps Challenge Tokyo 2013 AWSアーキテクト賞 2013 年 4 月 International Space Apps Challenge Tokyo

Linked Open Data Challenge Japan 2011 2012 年 GenoCon2 ( 合成生物学におけるゲノム設計の国際コンテスト ) 2012 年 Linked Open Data Challenge Japan 2012 2013 年 Linked Open Data

にてセミナー講演 (California) 2012 年 9 月 New College of Florida にてセミナー講演 (Florida) 2012 年 LODチャレンジデー開催 ( 全 9 回東京大阪名古屋鯖江奈良函館横浜 ) 2013 年 LODチャレンジデー開催 ( 全

35 基盤普及活動実績震災後の情報基盤提供の依頼を受け分野を越えて日本のオープンデータ普及を支援様々な分野から 700 を超えるデータセットの RDF 公開を支援しその関連活動が評価される受賞歴 (7 件 ) 2011 年 12 月文部科学省科学技術政策研究所 NISTEP ナイスステップな研究者受賞 2012 年 3 月 Linked Open Data Challenge Japan 2011 アプリケーション部門最優秀賞 2013 年 2 月 International Open Data Hackathon Tokyo 優勝 2013 年 3 月 Linked Open Data Challenge Japan 2012 未来ヘルスケア賞 2013 年 4 月 International Space Apps Challenge Tokyo 2013 AWSアーキテクト賞 2013 年 4 月 International Space Apps Challenge Tokyo 2013 samurai fab ヨコハマものづくり工房賞 2013 年 9 月 Earth Communication Award ハッカソン東京準優勝 2011 年から LOD チャレンジのコンテストを開催し日本のオープンデータ推進に大きく貢献コンテスト開催 (4 件 ) 2011 年 Linked Open Data Challenge Japan 年 GenoCon2 ( 合成生物学におけるゲノム設計の国際コンテスト ) 2012 年 Linked Open Data Challenge Japan 年 Linked Open Data Challenge Japan 2013 外部セミナー講演 (31 件 ) 2011 年 LODチャレンジデー開催 ( 全 4 回東京大阪 ) 2012 年 5 月 Linked Data 勉強会にて講演 ( 東京 ) 2012 年 9 月 NASA Ames Research Center にてセミナー講演 (California) 2012 年 9 月 New College of Florida にてセミナー講演 (Florida) 2012 年 LODチャレンジデー開催 ( 全 9 回東京大阪名古屋鯖江奈良函館横浜 ) 2013 年 LODチャレンジデー開催 ( 全 4 回東京石川名古屋 ) 2013 年 9 月東京医科歯科大学大学院の特別セミナーにて講演 ( 和光 ) その他直接関係のない外部組織においても本基盤を用いたセミナーが行われた実績有 ( 例 : 第 1 回岐阜オープンデータハッカソン ) CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5,

36 まとめと将来展望フェノタイプの膨大な文献とセマンティックウェブを統合するつながり検索を実現クエリーバイオリソースに蓄積する知見を高度に活用できるフェノタイプ文献バイオリソースに限らず幅広いリソースの成果情報を統合薬剤遺伝子セマンティックウェブ細胞リソースに関するフェノタイプ情報の需要が今後見込まれる ( 細胞 DB のユニークユーザ数は月間 2,000 人程度 ) 疾患代謝産物バイオリソース遺伝子バイオリソース CC-BY Tetsuro Toyoda, October 5,

Microsoft PowerPoint - T07 豊田先生.pptx

Microsoft PowerPoint - T07 豊田先生.pptx 命と環境のフェノーム統合データベース統合化推進プログラム平成 24 年度進捗報告会 2013 年 1 21 ( ) ( 独 ) 理化学研究所豊哲郎桝屋啓志 1 フェノーム統合データベース 1 フェノタイプ情報からバイオリソースを検索できるようにするフェノタイプ ( 献オントロジー ) 中間フェノタイプ (Linked Data) 3 推論検索ワークフロー遺伝資源 ( バイオリソース )