「蛋白質構造データバンクのデータ検証高度化と統合化」KO-MTG発表資料
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- しじん けいれい
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1 蛋白質構造データバンクのデータ検証 高度化と統合化 栗栖源嗣 1, 藤博幸 2 1) 大阪大学蛋白質研究所,2) 関西学院大学理工学部 wwpdb.org 0
2 生体高分子の 3 次元構造 ( 形 ) に関する情報を集めた国際的データベース 1971 年からのデータが集積され, 情報は無償で利用できる. 運営は各国 ( 米国, 欧州, 日本 ) の政府機関による研究費用でまかなわれている 年からは国際組織 wwpdb として活動している (PDBj は創立メンバー ). H. Nakamura S. S. Velankar G. Kurisu S. K. Burley J.L. Markley 1
3 第二期までの PDBj 運営体制 ( ) 阪大蛋白研共同利用共同研究委員会 蛋白質立体構造データベース専門部会 ( 国内諮問委員会 ) wwpdb 研究チーム事務員 代表研究者中村春木 ( 阪大蛋白研 ) 阪大蛋白研より 3 名 ( 中村, 藤原, 栗栖 ) X 線結晶学の専門家 ( 井上豪 ) NMR 構造解析学の専門家 ( 神田大輔 ) 構造ハ イオインフォマティクスの専門家 ( 由良敬 ) Photon Factory の専門家 ( 千田俊哉 ) SPring-8 の専門家 ( 城宜嗣 ) 蛋白質データベース開発研究室 PDBj DB 登録 管理 運営 開発 統合化代表 : 中村春木 ( 阪大蛋白研 ) X 線結晶構造 / 電子顕微鏡構造 /NMR 構造の DB 登録 管理 開発 : 中川敦史 ( 教授 ) アノテータ (4 名 ) プログラマ (2 名 ) 研究者 (2 名 ) 異なる階層のデータと蛋白質構造情報の統合 : 中村春木 ( 教授 ) 金城玲 ( 准教授 ) Standley, DM( 阪大 ifrec 准教授 ) 猿渡茂 ( 北里大准教授 ) プログラマ (2 名 *) 研究者 (3 名 *) 人材養成 : 中村春木 ( 教授 ) 中川敦史 ( 教授 ) 金城玲 ( 准教授 ) 研究者 (3 名 *) (* は重複 ) PDBj-BMRBDB 登録 管理 運営 開発 統合化 分担 : 藤原敏道 ( 阪大蛋白研 ) (* は重複 ) BMRBと外部 DBとの統合化 : 藤原敏道 ( 教授 ) 児嶋長次郎( 准教授 ) アノテータ (1 名 ) プログラマ(1 名 ) 研究者(1 名 ) BMRB 関連ツール群 ポータルサイトの開発 : 藤原敏道 ( 教授 ) 児嶋長次郎( 准教授 ) アノテータ (1 名 *) プログラマ(1 名 *) 研究者(1 名 *) NMRデータの国際的な登録 公開と運営 : 藤原敏道 ( 教授 ) 児嶋長次郎( 准教授 ) アノテータ (1 名 *) プログラマ(1 名 *) 研究者 2 (1 名 *)
4 今期の PDBj 運営体制 ( ) 阪大蛋白研共同利用共同研究委員会 蛋白質立体構造データベース専門部会 ( 国内諮問委員会 ) wwpdb 研究チーム事務員 蛋白質データベース開発研究室 代表研究者栗栖源嗣 ( 阪大蛋白研 ) 阪大蛋白研より 3 名 ( 中村, 藤原, ) X 線結晶学の専門家 ( 井上豪 ) NMR 構造解析学の専門家 ( 神田大輔 ) 構造ハ イオインフォマティクスの専門家 ( 由良敬 ) Photon Factory の専門家 ( 千田俊哉 ) SPring-8 の専門家 ( 山本雅貴 ) 企業利用者の代表 ( 上村みどり ) PDBj DB 登録 管理 運営 開発 統合化代表 : 栗栖源嗣 ( 阪大蛋白研 ) (* は重複 ) 配列 構造 機能解析高度化と可視化ツールの開発分担 : 藤博幸 ( 関西学院大理工 ) PDB アーカイブの構築 検証 : 中川敦史 ( 教授 ), アノテータ (4 名 ), プログラマ (2 名 * ), 研究者 (2 名 * ) BMRB アーカイブの構築 統合化 : 藤原敏道 ( 教授 ), 宮ノ入洋平 ( 准教授 ), アノテータ (1 名 ), プログラマ (1 名 ), 研究者 (1 名 * ) セマンティック化と構造データのアノテーション : 金城玲 ( 准教授 ) プログラマ (2 名 *), 研究者 (3 名 *) 国際組織 (wwpdb) との連携人材養成 : 中村春木 ( 教授 ) 栗栖源嗣 ( 教授 ), 中川敦史 ( 教授 ), 金城玲 ( 准教授 ) ASH ビューアの開発 : 藤博幸 ( 教授 ), 研究者 (2 名 ) 3
5 蛋白質構造データバンクのデータ検証高度化と統合化 1)wwPDB メンバーとしての PDB アーカイブ構築 検証 公開 2) 他のデータベースとの統合化および高度化 2-1)CSD との統合化 2-2)ASH ビューアの開発 関西学院大学藤教授より 2-3) アミノ酸の立体構造中での役割の自動アノテーション 2-4) 統合化されたデータベースおよび関連ツール開発 3) データベースの利用促進 人材育成 3-1) 利用促進 アノテータの育成 3-2) 国際協力 4) 達成達成目標と選考時に頂いた意見への対応 4
6 構造生物学領域の基盤データとして貢献 5
7 PDBj の活動 Data-in の活動 : wwpdb の一員として品質管理をしつつ登録作業を実施 新たな標準フォーマット等の開発 (PDB/RDF, BMRB/RDF) Data-out の活動 : 共通データのダウンロードサイト ( 毎週アプデート ) の運営 関連 DB との統合化や二次データベース ツールの開発 6
8 # of Deposited Entries 増え続ける PDB 登録数 estimated number Total number of Annual Depositions Accumulated Total number of Depositions More than 1 billion atoms Year 7
9 BMRB は構造以外の情報も含む Year NMR によって決定された 構造情報を伴わない化学シフトの登録 Total 溶液構造の数 ( 揺らぎや相互作用を示すデータ )
10 化学シフトのみの登録例 (1) Chl biosynthesis (DPOR) Nitrogen assimilation (Fd-GOGAT) Sulfur assimilation (SIR) Regulation of enzyme activity (FTR) BMRB ID:11596 H + PQH 2 PQ Many other enzymes (ex. HydA) Fd PS1 Light Carbon assilimation (FNR) Green: with PSI Blue: without PSI Orange: with FNR Blue: without FNR Cyt b 6 f complex PC PhotosystemⅠ (PS1) G33 F38 G50 G43 C48 V79 G43 I25 R41 A42 T47 V75 S39 D66 E23 V28 Y24 D22 Y81 L26 C45 C40 A49 T77 A44 A80 15 N (ppm) I25 R41 A42 T47 S63 D61 S39 A29 E31 D27 E30 V28 D22 C45 F64 A40 A49 Y97 A44 15 N (ppm) H (ppm) S H (ppm) S46 9
11 化学シフトのみの登録例 (1) PDB ID:5AUI にマッピング V75 A80 D85 D66 T77 Q69 G50 S46 A42 T47 V79 C40 S39 N91 Y81 Y24 R41 D22 E23 V28 I25 T. elongatus Fd with PSI D68 G43 D66 Q92 K72 L65 Y97 Q62 G50 S63 F64 A44 S46 S60 C45 E93 D61 C48 A42 T47 V79 C40 S39 E21 R41 F38 L36 D22 D27 V28 E30 I34 E31 G33 I25 A29 T. elongatus Fd with FNR S (ppm) disappeared peaks (ppm) Mutoh, et al, Biochem
12 Number of PDB entries Resolution in Å クライオ電子顕微鏡 (3DEM) の進展 1.8Å structure in 2016 (PDB ID 5K12; EMD-8194) Increasing number of 3DEM structures at 2-4Å resolution (75 in calendar 2015 and 80 in first 7 months of 2016) Year 11
13 Number of PDB entries 3DEM Entries の増加 Released 800 Total Year As of August 1, 2016, >1100 EM entries in the PDB archive 178 new entries released Jan 1 - Aug 1,
14 企業ユーザーからのバッチ登録にも対応へ Group Deposition processing Requirements set by wwpdb OneDep Team Provided support for D3R Blind Challenges Batch deposition: LogIn, Upload, Download, Communication Batch processing: Scripts/Special treatment + stand-alone OneDep modules RCSB PDB GroupDep System OneDep DepUI Issue PDB & Dep ids OneDep Biocuration DB Load Release Module Status DB wwpdb OneDep System 13
15 PDB ID のバージョン化 Enable revisions to entries updated by the Depositor of Record (e.g., Version ; ) wwpdb will NOT assign a new PDB ID going forward (for Depositor of Record revision only) Introduce new PDB ID code format Allow more informative and transparent delivery of revised data files With PDB prefix and extension of 4 characters (e.g., from 1ABC to PDB_00001ABC ) Example: PDB_00001ABC_XYZ_V2-2.cif.gz 14
16 共通登録サイト導入による効率化 wwpdb datacenter の共通登録サイト X 線,NMR, 電子顕微鏡の各手法で決定した座標を全て取り扱う 実験データ ( 構造因子, 化学シフトと距離束縛情報,EM マップ ) の登録も行う 15
17 PDBj は日本を中心にアジア地区 からのデータ登録に責任を持つ Americas, Oceania Europe, Africa Asia deposit.wwpdb.org 引き続き, アジア地区のデータ登録とデータ検証に責任を持つ. 16
18 ORCID ID の収集 Successfully Implemented Apr 11, 2016 Metrics (Apr 11 Aug 31, 2016): ~8% of Depositions have ORCID ID (374/4713) 170 unique ORCID IDs (92 identified as PIs) Plans to Increase ORCID Adoption Expand to all entry authors to provide ORCID (2017) Distribute collected ORCID IDs at ftp archive (2017) Mandatory going forward (2018) 17
19 Number of Entries 共通データ登録システム開発と高効率化 アノテーションに要する時間 (a) ~1hr: 修正依頼の必要ない単純な構造 (c) (b) ~4 hrs: 修正依頼を必要としない複合体などの複雑な構造 (c) ~15 hrs: 登録者からの修正を必要とする構造 (a) (b) Processing Time (Hours) 登録システムと品質管理システムの改良により, 更に効率化を計 18 る.
20 データ検証 (Validation) レポートの 発行と実験データの公開 Validation report の web 公開 登録時に必須とされている実験情報 X-ray: Structure Factor( 構造因子 ) NMR: 化学シフトと距離拘束情報 EM: 3DEM volume マップ 19 Validation report の例 19
21 wwpdb による Validation report が 論文 peer review のデフォルトに Nature Struct. Mol. Biology, 23 (10), 871, 2016 We are now taking a further step and are requesting official wwpdb validation reports for peer review. These reports are made available by the wwpdb after data deposition ( Other Nature journals will soon follow suit. 20
22 PDBj の活動 Data-in の活動 : wwpdb の一員として品質管理をしつつ登録作業を実施 新たな標準フォーマット等の開発 (PDB/RDF, BMRB/RDF) Data-out の活動 : 共通データのダウンロードサイト ( 毎週アプデート ) の運営 関連 DB との統合化や二次データベース ツールの開発 21
23 wwpdb における RDF 化の現状 wwpdb/rdf Kinjo et al. (2012) Nucl. Acids Res. 40, D453-D460. Yokochi et al. (2016) J. Biomed. Semantics, 7:16. Kinjo et al. (2012) Nucl. Acids Res. 40, D453- D460. X-ray Structure Cryo-EM SAXS BMRB/RDF NMR Structure Large Complex In UniProt RDF: Exp. Information (X-ray, NMR, EM, etc) PPI (interaction) Sequence 22
24 wwpdb における RDF 化の現状 wwpdb/rdf Kinjo et al. (2012) Nucl. Acids Res. 40, D453-D460. Yokochi et al. (2016) J. Biomed. Semantics, 7:16. Linked Data: Connect Distributed Data across the Web BMRB/RDF PDB In UniProt RDF: 23
25 PDB/RDF example By accessing a list of category holders for the PDB entry 1GOF can be retrieved in the RDF/XML format. Then, a list of category elements can be retrieved (again in the RDF/XML format). Finally, for a particular category element, the list of properties of that element is retrieved. Kinjo et al. (2012) Nucl. Acids Res. 40, D453-D
26 25
27 Integration at NBDC RDF-portal wwpdb/rdf BMRB/RDF NBDC RDF-Portal 26
28 ダウンロード数の推移 Year Total Total FTP Archive Total Website RCSB PDB FTP Archive RCSB PDB Website PDBe FTP Archive PDBe Website PDBj FTP Archive PDBj Website ,131, ,952, ,178, ,939,406 81,560,098 40,960,368 18,515,245 31,052,512 6,103, ,944, ,837, ,106, ,510,347 90,438,501 21,601,103 23,982,801 20,726,285 6,685, ,262, ,176, ,085, ,331,908 97,549,580 43,684,850 37,762,496 37,159,532 9,773, ,227, ,193, ,033, ,168, ,115,316 52,362,370 48,031,414 49,662,736 14,886, ,339, ,244, ,095, ,346, ,802,897 48,544,330 41,127,219 64,353,806 13,164, ,876, ,677, ,198, ,648, ,208,456 30,274,284 44,432,830 42,755,247 19,556, ,016, ,239, ,776, ,942,495 84,649,397 20,630,847 37,100,965 30,666,444 11,026,449 More than 1.6 million / day 27
29 蛋白質構造データバンクのデータ検証高度化と統合化 1)wwPDB メンバーとしての PDB アーカイブ構築 検証 公開 2) 他のデータベースとの統合化および高度化 2-1)CSD との統合化 2-2)ASH ビューアの開発 関西学院大学藤教授より 2-3) アミノ酸の立体構造中での役割の自動アノテーション 2-4) 統合化されたデータベースおよび関連ツール開発 3) データベースの利用促進 人材育成 3-1) 利用促進 アノテータの育成 3-2) 国際協力 4) 達成達成目標と選考時に頂いた意見への対応 28
30 2-1)Cambridge Structural Data (CSD) との統合化 Year PDB に含まれる化合物データ (CCD) を製薬企業などの創薬ユーザーが積極的に活用 29
31 Chemical Component Deposition の流れ 30
32 PDB と CSD の連携を データ統合 (RDF 化 ) に生かす データ検証の段階で, 緊密な連携体制を構築 31
33 PDB 中の化合物情報 (CCD) と Cambridge Structural Data(CSD) との統合化 32
34 2 2)ASH ビューアの開発 背景アラインメントによる相同な立体構造やアミノ酸配列の比較 配列と構造を結びつけてタンパク質の機能情報を抽出するのに有効 (ASH などの比較ツール開発 ) 関西学院大学藤博幸教授より 33
35
36 大容量データに対応した可視化ユーザインタラクティブな機能解析のサポート ASH Viewer 情報統合のプラットフォーム
37 大容量データに対応した可視化ユーザインタラクティブな機能解析のサポート
38 A base for computational analysis of proteins...lifdqalnkwghhae......lmfdqalarwgshae......liydqaigkwghgae......miydqalckwgahae......mifnqaiakwghpae... PDBj Structural Alignment: ASH, GASH, Conservation/Divergence Analysis: SEALA
39 PROBLEM Increase of sequence and structure data Several alignment tools have been developed to handle enormous amount of data
40 TIPA_ARATH RADEAT HPDSIRATLAEFLSTFVFVFAAEGSIL TIPG_ARATH RPDEAT RPDALKAALAEFISTLIFVVAGSGSGM S47037 SHREVY EVGALKAALAEFISTLIFVFAGQGSGM T12439 RAEEAA HPETLKQALAEFISTLIFVFAGEGSGM T48886aqup[imported] RFDDSF SLGSFKAYLAEFISTLLYVFAGVGSAI T07819 SFDDSF SLASLRAYLAEFISTLLFVFAGVGSAI TIP1_TOBAC SIGDSF SVGSLKAYVAEFIATLLFVFAGVGSAI T01648 SFRDSL SAASLKAYVAEFIATLLFVFAGVGSAI I52366utwchuman MASEFK KKLFWRAVVAEFLATTLFVFISIGSAL A41616eimphuman MASEFK KKLFWRAVVAEFLATTLFVFISIGSAL AQP1_MOUSE MASEIK KKLFWRAVVAEFLAMTLFVFISIGSAL AQP2_HUMAN -MWELR SIAFSRAVFAEFLATLLFVFFGLGSAL AQP5_RAT MKKEVC SLAFFKAVFAEFLATLIFVFFGLGSAL MIP_HUMAN -MWELR SASFWRAIFAEFFATLFYVFFGLGSSL AQP4_HUMAN AFKGVW TQAFWKAVTAEFLAMLIFVLLSLGSTI AQP4_RAT AFKGVW TQAFWKAVTAEFLAMLIFVLLSVGSTI TIPW_PEA EPSELT SWSFYRAGIAEFIATFLFLYITVLTVM T02095tmrice EPGELK SWSFYRAGIADFVATFLFLYITILTVM T04139tmrice EPGELK SWSFYRAGIAEFMATFLFLYITVLTVM WC1A_ARATH EPGELS SWSFWRAGIAEFIATFLFLYITVLTVM T01528 EPGELS SWSFYRAGIAEFIATFLFLYITVLTVM T03794aqupNT2 WR-QKS CRHGLFTELEFSMATFLFLYITILTVM T09794mip EPGELK SWSFYRAGIAEFVATFLFLYITILTVM T14599mip1 DMEELK KWSFYRAIIAEFVATLLFLYVTVLTVI WC2A_ARATH DGAELK KWSFYRAVIAEFVATLLFLYITVLTVI T14600 DMGELK LWSFWRAVIAEFIATLLFLYITVATVI JC5791aqup9human KIQEIL QRKMVREFLAEFMSTYVMMVFGLGSVA T04053nodu26homolog KCLPVMGSTWGQHDTCFTDFPSPDVSLTRKLGAEFVGTFILIFTATAGPI AQY1_YEAST KHHRFKISR DTLRDHFIAAVGEFCGTFMFLWCAYVICN aqp1_humann MASEFK KKLFWRAVVAEFLATTLFVFISIGSAL 2T22051hypoC ATLLSP GSQWWQGLIAETVVTFFLVHTILITAA 2AQP8_MOUSE FAIVQE QEQVAEALGIEIILTMLLVLAVCMGAV 2S01444nodu26 GTVPN G-TNLQAFVFEFIMTFFLMFVICGVAT 2JQ2286nodu26 GTVPN G-TNLQAFVFEFIMTFFLMFVICGVAT 2JQ2285nodu26 GTLPN G-TNLQAFVFEFIITFLLMFVISGVAT 2T05028nodu26-like GTLPS G-SNLQSFVIEFIITFYLMFVISGVAT 2D69004hypoMTH ATAPFP GIGYWQAMLAETVGTFLLMITIMGIAV 2A69428glpfhomolog ATAPFP GIGYGQAILTEAIGTFLLMLVIMGVAV 2AQPZ_ECOLI EHSPG GYSMLSALVVELVLSAGFLLVIHG-AT 2AQP3_HUMAN ATYPSG HLDMINGFFDQFIGTASLIVCVLAIVD 2AQP9_HUMAN ATYPAP YLSLANAFADQVVATMILLIIVFAIFD 2GLPF_ECOLI STYPNP HINFVQAFAVEMVITAILMGLILALTD 2GLPF_HAEIN STYPHP SLSIGGAFAVEFVITAILMALIMALTD 2T18834hypoC ASYPAP HLGLVNGFVDQFVATAVFVFLIAHIVD 2T16635hypoC CSYPAL HVSNTTAFFDQFAGTALLVLFVCVVID 2GLPF_MYCPN CTNPA IFNIPRNFATEFVATSVLIASLLVAGS 2GLPF_THEMA CTGPA VRKYGANLLTEIIGTMVLLMGVLGIGA 2GLPF_BACSU STGPS IPHTFANVLSEVIGTFVLVLGILAIGA 2T10253mp28cucurbit GFFVSS GISELHGFLLEILLTFALVYVVYATAV 2TIPA_ARATH GFRLAS GVGAVNGLVLEIILTFGLVYVVYSTLI 2TIPG_ARATH AFGLSA GVGVLNAFVFEIVMTFGLVYTVYATAI 2S47037 TFGLTG IGAWEAVVLEIVMTFGLVYTVYATAV 2T12439 AFALSA DVTVWNALVFEIVMTFGLVYTVYATAI 2T48886aqup[imported] THSVAG RVGAIEGVVMEIIITFALVYTVYATAA 2T07819 THSVAA GVGAIEGVVMEIIITFSLVYTVYPTAA 2TIP1_TOBAC THGVAA GLNGLQGVVMEIIITFALVYTVYATAA
41 PROBLEM It is difficult to analyze the alignment, due to the huge volume. There are several alignment viewers. But, their functions are not enough for the investigation of the alignment.
42 どのように大量配列を可視化するか機能的に関連する類縁タンパク質をグループ化して比較解析が行われる 系統樹あるいはユーザ指定のクラスタに従って グループ化して表示
43 3 種の入力データから可視化 / 解析 (1) アラインメント (2) 立体構造 (3) 系統樹あるいはクラスタ情報
44 系統樹のサブツリーの再構成と それに連動するアライメントの表示の変更 KLMTGDFREDDRHGFPQWTYSAED クリッカブルなノード ノードに対応するコンセンサスアライメント
45 系統樹のサブツリーの再構成と それに連動するアライメントの表示の変更 KLMDGDFREDQRHGFPQWTYSAQD KLMTPDFRENDRHGFSQWGFGAED サブツリーの展開 アラインメントの展開
46 ユーザインタラクティブな比較解析保存度 / 変異度 ( 配列 / 構造 ) 機能差を決定するサイトの推測 ( 配列 / 構造 ) オーソログの推定立体構造へのマッピング (Molmil 使用 ) 分子進化工学データの解析 クラスタ情報の要約サブツリー コンセンサス配列に含まれる配列 / 構造の情報 ( 本数 生物種 タンパク質名 )
47 大容量データに対応した可視化ユーザインタラクティブな機能解析のサポート ASH Viewer 情報統合のプラットフォーム
48 情報統合のプラットフォーム
49 情報統合のプラットフォーム 各種データベースにある情報をネットを介して SPARQL 検索により収集し それに基づいて解析 定型検索 ( 組み込み ) 機能情報 (PDBJ) 非定型検索 (endpoint と SPARQL を入力 ) 目的に応じて SPARQL 検索 ex) 生物種の情報から至適生育温度を得て アミノ酸組成の違いを解析 (Microme.db)
50 想定される利用方法
51 PDBj 配列 DB 構造 配列 アラインメント...LIFDQALNKWGHHAE......LMFDQALARWGSHAE......LIYDQAIGKWGHGAE MIYDQALCKWGAHAE......MIFNQAIAKWGHPAE...
52 PDBj 配列 DB ソースの至適生育温度 Microbe.db アラインメント...LIFDQALNKWGHHAE......LMFDQALARWGSHAE......LIYDQAIGKWGHGAE MIYDQALCKWGAHAE......MIFNQAIAKWGHPAE... ベイズ最適化...MLFNQAIAKWSHSAE... 好熱タンパク質の設計
53 PDBj 配列 DB ソースの至適生育温度 Microbe.db 立体構造上での設計の検討 rational design への手がかり アラインメント...LIFDQALNKWGHHAE......LMFDQALARWGSHAE......LIYDQAIGKWGHGAE MIYDQALCKWGAHAE......MIFNQAIAKWGHPAE... ベイズ最適化...MLFNQAIAKWSHSAE... 好熱タンパク質の設計
54 PDBj 配列 DB ソースに関連する情報 他の DB アラインメント...LIFDQALNKWGHHAE......LMFDQALARWGSHAE......LIYDQAIGKWGHGAE MIYDQALCKWGAHAE......MIFNQAIAKWGHPAE... ベイズ最適化...MLFNQAIAKWSHSAE... 設計
55 Java で作成 JavaFX でGUIを作成 要約機能にはJDBCを使用 SPAQL 検索にはJenaを使用
56 開発体制 藤 全体の取りまとめ 機能解析部位, GUI の作成 山下 Jena を用いた SPARQL 検索部分 工藤 Molmil による立体構造表示部分
57 研究開発テーマタスク小タスク 2017 年度 2018 年度 2019 年度 2020 年度 2021 年度
58 2 3) アミノ酸の立体構造中での 役割の自動アノテーション PDB( 座標情報 ) SIFTS by PDBe/EBI 分子内相互作用 分子間相互作用 外部リソースと座標情報の統合により各残基の立体構造中での役割 ( 分子内 分子間コンタクト ) と機能を自動的にアノテーション 残基レベルのデータベース解析が可能に! 46
59 2 4) 統合化されたデータベースおよび関連ツール開 発 よりユーザーが使いやすい統合化されたデータベースを目指して wwpdb/rdf BMRB/RDF NBDC RDF-Portal 47
60 セマンティック技術を利用した データ検証の高度化 データの信頼性をマシン (AI) が判断できるようになり, PDB のデータ統合化には極めて重要. データ検証ファイルの RDF 化 48
61 揺らぎや相互作用などの情報も新フォーマットへ 更に, 機械が理解出来るフォーマットへ Yokochi et al., J. Biomed. Sem. (2016) NMR-STAR v3 多機能検索エンジン BMRBxTool BMRB/XML BMRBoTool BMRB/RDF 多岐に及ぶデータベースリンク 49
62 蛋白質構造データバンクのデータ検証高度化と統合化 1)wwPDB メンバーとしての PDB アーカイブ構築 検証 公開 2) 他のデータベースとの統合化および高度化 2-1)CSD との統合化 2-2)ASH ビューアの開発 関西学院大学藤教授より 2-3) アミノ酸の立体構造中での役割の自動アノテーション 2-4) 統合化されたデータベースおよび関連ツール開発 3) データベースの利用促進 人材育成 3-1) 利用促進 アノテータの育成 3-2) 国際協力 4) 達成達成目標と選考時に頂いた意見への対応 50
63 3) データベースの利用促進 人材育成 3-1) 利用促進 人材育成 アノテータ育成 : 継続的な基盤データベースとして,wwPDB メンバーとしての共通のデータ品質管理を行えるアノテータを育成 データ寄託者 登録者に対する講習会等 : 日本結晶学会 日本蛋白質科学会でのランチョンセミナーやブース発表等で完成度の高いデータの登録を依頼 ( 毎年開催 ) データ利用者に対する講習会等 : 日本生物物理学会 生命医薬情報学連合大会でランチョンセミナー & 講習会を開催 ( 毎年開催 ) 国際会議 シンポジウムの実施 : 国際運営諮問会議開催 (2019 年度予定 ),Hybrid Method の国際集会を主催予定 (2019 年度 ) 62
64 3-2) 国際協力 wwpdb.org Professor Genji Kurisu January 2 1, Institute for Protein Research Osaka University 3-2 Yam adaoka, Suita, Osaka , JAPAN Dear Professor Kurisu: We w rite in strong est possible support for your application to the Japan Science and Technology Ag ency (JST) for com petitive renew al of Protein Data Bank Japan ( PDBj) funding. As a founding m em ber of the W orldw ide Protein Data Bank org anization ( w w PDB; w w pdb.org ), PDBj plays an essential role in ensuring the integ rity and utility of the PDB archive. The PDB archive, w hich serves as the sole g lobal repository for three-dimensional structures of biolog ical m acrom olecules, represents a critical resource that is freely available to researchers and educators w orldw ide. Since it w as established in w ith just 7 protein structures, the PDB has g rown to more than 1 2 6,0 0 0 entries. Conservative estimates put the replacement value of the information in the archive today at m ore than US$ 1 2,0 0 0,0 0 0, During 2016, ~ m illion PDB data files w ere dow nloaded or view ed online at w w PDB partner w ebsites. PDB Users include structural biolog ists, com putational biolog ists, biochem ists, biophysicists, m olecular and cellular biolog ists, and clinicians in universities, hospitals, g overnm ent laboratories, and industry ( including pharm aceutical, chem ical, and biotechnolog y com panies). PDB data are also used extensively by educators and students to further their understanding of biolog y and hum an health and disease. In , org anizations from the US ( RCSB PDB, Rutg ers University; rcsb.org), Europe (PDBe, European Bioinform atics Institute; pdbe.org ), and Japan ( PDBj, Osaka University; pdbj.org ) cam e tog ether to establish the wwpdb as the g lobal custodian of the PDB archive. These three founding m em bers plus BMRB at the University of W isconsin-madison ( bmrb.wisc.edu), w hich also has a portal at Osaka University ( PDBj-BMRB), now w ork closely w ith an international Advisory Com m ittee that represents stakeholder com m unities to ensure unrestricted access to a com prehensive biom acrom olecular structure database of the hig hest quality. In addition, the w ork of the w w PDB is inform ed by a variety of special-purpose task forces, made up of experts in a variety of structural biolog y areas. Each partner org anization is responsible for coordinated data deposition, annotation, exchange, and dissem ination. In alone, the archive g rew by more than 11,500 entries. The current size and g row th rate of the PDB make it im possible for any one country to fund and m anage the archive alone. International collaboration is of crucial im portance. PDBj currently processes nearly 20% all of worldwide depositions, including all of those originating from researchers in Asia. PDBj plays a sim ilarly im portant role in m aking the PDB archive available to the g lobal user com m unity. The success of your funding application to JST is of param ount im portance to the global scientific com m unity. The w w PDB is an international organization supporting a globally accessible data archive, w hich depends critically on the success and stability of PDBj and the other member org anizations. Any interruption in or reduction of PDBj funding would represent a very serious threat to the integ rity and operations of the PDB archive. Any com prom ise of the PDB archive would in turn have extrem ely dam ag ing effects on researchers and educators w orldw ide. In closing, w e w ish to express our g ratitude to you and your team at Osaka University for all of your efforts on behalf of the w w PDB and the g lobal scientific com m unity, and reiterate strong est support for your application. Yours faithfully, Stephen K. Burley, M.D., D.Phil. Distinguished Professor of Chem istry and Chem ical Biology Rutg ers University Director, RCSB PDB Sam eer Velankar, Ph.D. Team Leader, EMBL-EBI Head, PDBe Jo hn L. Markley, Ph.D. Steenbock Professor of Biomolecular Structure University of W isconsin-madison Head, BMRB 63
65 蛋白質構造データバンクのデータ検証高度化と統合化 1)wwPDB メンバーとしての PDB アーカイブ構築 検証 公開 2) 他のデータベースとの統合化および高度化 2-1)CSD との統合化 2-2)ASH ビューアの開発 関西学院大学藤教授より 2-3) アミノ酸の立体構造中での役割の自動アノテーション 2-4) 統合化されたデータベースおよび関連ツール開発 3) データベースの利用促進 人材育成 3-1) 利用促進 アノテータの育成 3-2) 国際協力 4) 達成達成目標と選考時に頂いた意見への対応 64
66 第 3 年時末, 第 5 年時末の達成目標 研究開発テーマタスク小タスク 2017 年度 2018 年度 2019 年度 2020 年度 2021 年度 メインアーカイブの継続的構築 PDB アーカイブ構築 検証ファイルの RDF 化 CSD との統合化 3D 自動アノテーション 管理, 登録業務の効率化 プロトタイプ 実装, 運用開始 BMRB データ構築 XML,RDF 化と応用 解析支援ツール 永続化 プロトタイプ 実装,Web ツール公開 長期運用化 開発, デモ試用 民間など支援 長期運用化 65
67 選考時に頂いた意見への対応 1 Cryo-EM によって得られたデータ,1 分子単位の揺らぎを含む動的データの取り扱い Cryo-EM によって得られたデータは, 既に wwpdb の枠組みにおいて EMDB との協力体制が確立されており, 現在でも PDBj のアノテータが Cryo-EM の 3Dvolume map のデータベース化を実施していますが, 今後ともさらに拡充します. また 2 3) で示した アミノ酸の立体構造中での役割の自動アノテーション の開発項目が可能となれば,PDB の座標データと揺らぎを含む他の動的データの統合化は可能であると考えています.PDBj で開発済みの Omokage Search (EM データと PDB データのクロス検察ツール ),ProMode( 揺らぎ情報のデータベース ) や ef-site( 表面情報のデータベース ) などの関連データベースを積極的に活用することで, 総合的な立体構造データベースとして運営します. 具体的には,OmokageSearch には, 複合体の場合に部分の かたち の類似性を検索できるようにして,ProMode による基準振動によって変形した かたち による複合体構造の検索も試みます また,ProMode の結果をアノテートして アミノ酸残基毎の揺らぎの大きさ や 複数のアミノ酸間の動的性質の正と負の相関 を抽出したり, 現在は青や赤の色として表示している ef-site による 静電ポテンシャルの値 を抽出してアミノ酸残基毎の情報として付与したりして, これらについても RDF による統合化を進めたいと考えています, 66
68 選考時に頂いた意見への対応 2 CSD 以外の生物学的データ [ ゲノム, 発現, 相互作用など ] との統合についてどのように対応するか これまでのプロジェクト ( 第二期 ) で, データ検証ファイル以外のセマンティック ウェブ化が完了しており, コミュニティーの大きな財産となっています. 引き続き,DBCLS と一緒に他の生物学データとの統合化を計り, より一層の統合を目指して運営したいと考えております. すなわち, 利用者が自ら探しに行かなくても, 自動的に関連データベース ( ゲノム, 発現, 相互作用など ) から情報を抽出できる統合化を目指します. 具体的には, 今回提案する ASH の高度化とその統合的運用によって, 最も利用者からのリクエストが多い蛋白質の立体構造およびアミノ酸配列のマルチプル アラインメントを実施する ASH のビューアを, 情報統合プラットフォームとしての機能を持たせるようにいたします. これにより, 情報統合で進められている様々な RDF 化されたデータ ( ゲノム, 発現, 相互作用など ) をネットワークから抽出し, それらをアラインメントや立体構造に反映させようとする計画です. 67
69 選考時に頂いた意見への対応 3 3DEM の構造データの現状のデータ検証について 3DEM による構造解析のデータは, 現状では立体化学的妥当性のみを検証し, 実験データに基づいた検証は行われていません. しかし,wwPDB では出来るだけ早く実験データ ( マップ ) に基づいた検証を導入する必要があると考えています. 専門家による TF を組織し, マップを表すパラメーター (voxel size, density statistics, projections, central slices, surface view at recommended contour level), や一致度を示す指標 (map-density distribution, volume estimate vs. contour level, rotationally averaged power spectrum, depositor-provided Fourier Shell Correlation curve), などに基づいた検証の実装に向けて作業を進めています. 68
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THE INSTITUTE OF ELECTRONICS, INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS TECHNICAL REPORT OF IEICE.,, 464 8601 470 0393 101 464 8601 E-mail: matsunagah@murase.m.is.nagoya-u.ac.jp, {ide,murase,hirayama}@is.nagoya-u.ac.jp,
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