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きのこきせんばる
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1 KEGG PATHWAY を中心とした KEGGおよびGenomeNetの使い方京都大学化学研究所附属バイオインフォマティクスセンター化学生命科学領域時松敏明統合データベース講習会 AJACS 筑波 3 KEGG とゲノムネットの概要内容 KEGG, ゲノムネットの配列データ (GENES, ORTHOLOGY(KO), OC) KEGG, ゲノムネットの化合物情報 (LIGAND) KEGG のシステム情報ツール (MEDICUS, PATHWAY, BRITE, MODULE, KEGG Mapper) そのほかの KEGG のツール群 1

2 KEGG とゲノムネットの概要 KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes 様々な種類のデータを生命現象の総体として再構築ツールの提供 EGassembler KAAS GENIES KEGG Mapper ネットワークの知識 KEGG PATHWAY 高次機能機能の階層分類相互参照用データ KEGG BRITE ツールの提供 e-zyme PathPred SIMCOMP KEGG Mapper ゲノムの知識 KEGG GENES 化合物の知識 KEGG LIGAND 研究者の知識をゲノムレベルのデータと結びつける 2

3 KEGG でカバーしているデータいないデータいるいないゲノム遺伝子アノテーション制御領域バリエーションタンパク質立体構造パスウェイ代謝制御マップ病気薬開発マップシミュレーション用のパラメータ化合物 2 次元構造薬代謝物反応反応パターン物性立体構造速度定数データ間のリンク外部データベースへのリンク KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes 3

4 KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes システムの知識 KEGG PATHWAY KEGG BRITE KEGG MODULE KEGG MEDICUS ゲノムの知識 KEGG GENES 化合物の知識 KEGG LIGAND KEGG Objects Identifier 基本は Prefix + 5 桁の数字 GENES は生物種コード : 遺伝子コード 4

5 ゲノムネットデータベース検索システム :DBGET/LinkDB KEGG と国内外の様々なデータベースを統合的に検索するシステム反応オントロジーデータベース ( 英語 ) ( 日本語 ) その他のプロジェクトデータベース LinkDB によるデータベース間のリンク KEGG を核として国内外の様々な DB とリンク 5

6 ゲノムネット計算ツールホモロジー検索モチーフ検索マルチプルアライメント遺伝子機能アノテーション予測など化学構造比較パス予測など ( 英語 ) ( 日本語 ) KEGG, ゲノムネットの配列データ (GENES, ORTHOLOGY(KO),OC) 6

7 KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes ORTHOLOGY (KO) 機能アノテーション情報 GENES 配列データベース OC オーソログクラスター KEGG GENES データベース KEGG GENES のサブカテゴリ配列の種類アノテーションの種類 (manual KOALA KAAS) 登録データの一覧表へのリンク生物種単位サンプル単位 7

8 KEGG Organisms GENES に登録されている生物種分類生物種コード生物種名データソース KEGG Metagenomes MGENES に収録されているサンプル分類生物種コード生物種名データソース 8

9 生物種のゲノム情報種の系統データソースアノテーションレベル文献などの詳細情報遺伝子のキーワード検索 bfind/bget ワードエントリー検索データ検索データ取得のためのシステム bfind: キーワード検索 bget: エントリの取得 Histidine で GENES に bget eco:b4139 で bfind 9

10 KEGG GENES の ID を探したいときは? KEGG Objects KEGG Object のページで NCBI GeneID, NCBI gi, UniProt から KEGG GENES entry の ID に変換可能 KEGG GENES と他 DB の ID との対応関係の一括取得 GenomeNet LinkDB LinkDB から NCBI GeneID, NCBI gi, Genbank, UniGene, UniProt と KEGG GENES の特定の生物種の遺伝子 ID との対応リストを取得可能 10

11 GENES を bfind で検索例 : aspartate ammonia lyase KEGG GENES Entry ( 例 : eco:b4139) Entry: エントリ名種類生物種名 Gene name: 遺伝子タンパク質名別名 Definition: オリジナルDBの機能アノテーション Ortholog: KEGGでアサインしたKEGG Orthology (KO) アノテーション ( 後述 ) Pathway: エントリの遺伝子が機能するPathwayへのリンク Class: KEGGにおける機能カテゴリBRITE( 階層テキスト ) へのリンク SSDB: SSDB (Similarity Score Database) からの情報抽出用のリンク (Ortholog/Paralog 推定 Gene Cluster) Motif: エントリが持つドメインモチーフの情報 Other DBs: 他の配列 DB へのリンク Structure: PDB へのリンク Position: エントリのゲノム上の位置 ( ゲノム情報がある場合 ) AA seq: アミノ酸配列取得ホモロジー検索 NT seq: 塩基配列取得 All links: LinkDB でリンクされている内部および外部 DB 11

12 KO (KEGG Orthology) KEGG では同じ機能を有していると考えられるオーソログ遺伝子を集め同一の ID(K 番号 ) をつけることでその機能を表現している新規ゲノムが新しく Genes に登録されるとき遺伝子をオーソロググループ (KO) に追加することで遺伝子の機能アノテーションを行っている KO Entry Definition: KEGGで定義された機能アノテーション (GENES エントリにおける Orthology フィールド ) Genes: 同一の機能アノテーションを付与されている遺伝子リスト 12

13 OC Viewer KEGG OC (Ortholog Cluster) KEGGにある全生物種の遺伝子の Ortholog Clusterのデータベース OC Viewer KEGG OC (Ortholog Cluster) 13

14 GenomeNet からの遺伝子データベース一括検索機能例 : aspartate ammonia lyase KEGG, ゲノムネットの化合物情報 (LIGAND) 14

15 KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes LIGAND 化合物情報データベース SIMCOMP/SUBCOMP 化合物類似構造部分構造検索 KEGG LIGAND データベース KEGG LIGAND のサブカテゴリ化合物糖鎖反応に特化した入口 ID 番号の Identifer と各 DB に含まれるデータの説明 KEGG における Chem(o)- の部分すなわち生化学的な情報全般を扱う 15

KEGG COMPOUND ( 代謝化合物情報 ) 主に代謝化合物を収録したデータベース

構造は 2 次元のグラフとして持つファイルフォーマットは MDL/mol and KCF

フォーマットと KEGG Atom type KCF(KEGG Chemical

類似のフォーマットで原子情報に KEGG atom types を使用 KEGG

16 KEGG COMPOUND ( 代謝化合物情報 ) 主に代謝化合物を収録したデータベース中心代謝二次代謝物 etc. 構造は 2 次元のグラフとして持つファイルフォーマットは MDL/mol and KCF KCF フォーマットの特徴 KEGG Atom-Type による原子表記 KCF フォーマットと KEGG Atom type KCF(KEGG Chemical Function) KEGGにおける化合物データのフォーマット MDL/mol 類似のフォーマットで原子情報に KEGG atom types を使用 KEGG atom types 原子の周辺環境を反映させて 68 種類に原子タイプを細分類 1) 結合パターン 2) 周辺原子種 3) リング芳香性 SIMCOMP などの構造比較計算に利用 16

RPAIR, RCLASS, ENZYME ( 生化学反応情報 ) REACTAION ( 生化学反応 ) 生体内反応のデータベース代謝系の酵素反応がメイン

17 KEGG GLYCAN ( 糖鎖構造情報 ) 糖鎖分子の構造を収録したデータベースエントリー数は約 1 万 1000 構造は 2 次元のグラフとして持つグラフは実際にはツリーとなるファイルフォーマットは KCF (Glycan) Compound/Drug との互換性はない KEGG REACTION, RPAIR, RCLASS, ENZYME ( 生化学反応情報 ) REACTAION ( 生化学反応 ) 生体内反応のデータベース代謝系の酵素反応がメイン RPAIR( 基質 - 生成物変化 ) RCLASS( 反応分類 ) RPAIRのパターンによる反応分類 ENZYME( 酵素番号 ) IUBMB の酵素番号 17

18 REACTION, RPAIR, RCLASS R00259 acetyl CoA:L glutamate N acetyltransferase を例に Reactionの基質と生成物の間で原子の由来関係を持つ化合物のペアを Reactant Pair と定義 RPAIRは Reactant Pairを原子アラインメントして反応前後の変化を RDMパターンとしてデータ化 Reaction は RPAIRの組み合わせで表現できる Reactant Pairは生化学的意味に基づきラベル付け可能 RCLASSは mainとラベル付けされた Reactant pairの変化の類似性に基づいた反応の分類 LIGAND を bfind でキーワード検索 (1) 例 : phenylalanine 18

19 KEGG COMPOUND Entry 構造表示構造情報 (mol, KCF) 構造検索構造表示 (& 編集 ) 各種データベースへのリンク REACTION, PATHWAY, ENZYME 外部データベースへのリンク PubChem, ChEBI, etc. LinkDB 情報 GenomeNet 内部でリンクされているDBや対応関係のとれる外部 DBを表示 LIGAND を bfind でキーワード検索 (2) 例 : phenylalanine 19

20 KEGG REACTION Entry 反応式 ( 物質名 C 番号図 ) 各種データベースへのリンク RPAIR, PATHWAY, ENZYME, KO LinkDB 情報 GenomeNet 内部でリンクされている DB や対応関係のとれる外部 DB を表示 KEGG RPAIR Entry アライメントの結果 ( 図 ) ペアのフラグ情報 ( 生化学的意味 ) RDM の文字列表記各種データベースへのリンク (COMPOUND, RCLASS, Related RPAIR, REACTION, ENZYME) 20

21 KEGG RCLASS Entry RDM 変換パターン ( 文字列図 ) RCLASS に含まれる RPAIR 各種データベースへのリンク (RPAIR, Related RCLASS, REACTION, ENZYME, PATHWAY, KO) GenomeNet からの化合物データベース一括検索機能カテゴリー 1 3のデータベース統合データベースを選択しキーワードを入力するとメニューに表示されているデータベース全てに対する検索となる英語 : 日本語 : 21

Genomes PATHWAY パスウェイマップ BRITE 機能階層オントロジー MODULE

22 KEGG のシステム情報ツール (MEDICUS, PATHWAY, BRITE, MODULE, MAPPER) KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes PATHWAY パスウェイマップ BRITE 機能階層オントロジー MODULE モジュール ( 機能ユニット ) Mapper PATHWAY/BRITE/MODULE へのマッピングツール群 22

KEGG PATHWAY http://www.kegg.jp/kegg/pathway.

の分子間ネットワーク図代謝系 12カテゴリ中間代謝二次代謝薬の代謝全体像制御系 20カテゴリ遺伝制御

標的ベース構造ベース KEGG PATHWAY マップの例 : 解糖系酵素 / 遺伝子と化合物のネットワーク

entry パスウェイデータベースのテキストバージョン Hide description マップの説明を隠す User

23 KEGG PATHWAY Carbohydrate -> Glycolysis / Gluconeogensis 生体内 ( 外 ) の分子間ネットワーク図代謝系 12カテゴリ中間代謝二次代謝薬の代謝全体像制御系 20カテゴリ遺伝制御環境シグナル細胞プロセス生体システム他疾患がん免疫神経変性循環器代謝疾患感染症薬の開発開発の歴史標的ベース構造ベース KEGG PATHWAY マップの例 : 解糖系酵素 / 遺伝子と化合物のネットワーク Pathway menu BRITE 形式の階層分類 Organism menu 生物種の階層分類 Pathway entry パスウェイデータベースのテキストバージョン Hide description マップの説明を隠す User data mapping マップ中のオブジェクトへの色付けマップの拡大縮小 23

pathway+map00010 KEGG PATHWAY マップの例 : 解糖系 Reference pathway KO, EC, Reaction へのリンク (KO) オーソログエントリーへのリンク (EC) 酵素エントリーへのリンク

24 KEGG PATHWAY テキストエントリー Pathway entry Entry マップ番号 (map ko ec rn 生物種コード + 番号 ) Name, Description パスウェイの説明とモジュールとの関係 Class 階層分類情報 Pathway map マップとオーソログテーブルへのリンク Disease Reference モジュール生物種間での保存複合体オペロンを考慮した機能単位 KEGG PATHWAY マップの例 : 解糖系 Reference pathway KO, EC, Reaction へのリンク (KO) オーソログエントリーへのリンク (EC) 酵素エントリーへのリンク (Reaction) 反応エントリーへのリンク生物種名各生物種の遺伝子エントリーへのリンク Set personalized menu 生物種の選択 Sort below by 生物種名のソート 24

KEGG PATHWAY マップの例 : 解糖系 (EC) Reference pathway (EC) 従来のリファレンスに対応

に登録されている生物種が持つ遺伝子に関して配列の類似度を元に定義されているオーソログ情報酵素によってはオーソログが定義できないものもある

html KEGG PATHWAY 生物種の選択リストの生物種を限定するカテゴリーは KEGG 生物種一覧のものが指定可能 Mammals,

25 KEGG PATHWAY マップの例 : 解糖系 (EC) Reference pathway (EC) 従来のリファレンスに対応対応する酵素エントリーのある箱に色づけ Reference pathway (KO) 対応するオーソログエントリーのある箱に色づけ KEGG GENES に登録されている生物種が持つ遺伝子に関して配列の類似度を元に定義されているオーソログ情報酵素によってはオーソログが定義できないものもある KEGG PATHWAY 生物種の選択リストの生物種を限定するカテゴリーは KEGG 生物種一覧のものが指定可能 Mammals, Protists, Actinobacteria など生物種コードも KEGG 生物種一覧のものが指定可能 hsa( ヒト ), mmu( マウス ), eco( 大腸菌 ) など 25

26 PATHWAY の検索とマッピングキーワード検索 Entry, Name, Description フィールドとマップ中のオブジェクト ( 遺伝子オーソログ反応化合物 ) や注釈を対象とした検索複数キーワードは AND 検索パスウェイマッピングマップ中のオブジェクトを指定してパスウェイにマッピング複数オブジェクトを指定するとマッチしたものすべてをマッピング Search Pathway 指定したオブジェクトを赤く色づけ Search & Color Pathway 指定したオブジェクトを自由に色づけ Color Pathway 指定したパスウェイにオブジェクトの色データを与えて色づけ数値を与えることも可能 PATHWAY のキーワード検索 26

27 PATHWAY のオブジェクトに好きな色を付けるオブジェクトの色を指定する (html で使える色指定なら OK) Example をコピペ PATHWAY のオブジェクトに好きな色を付ける 27

KEGG GENOME http://www.genome.jp/kegg/genome.

28 KEGG GENOME KEGG 生物種ごとの入り口 GENES/DGENES: ゲノムが決定された生物種 EGENES:EST で作成された遺伝子セット MGENES: メタゲノムデータ Pangenomes: 近縁生物種をまとめたもの Viruses 生物種の組み合わせ複数生物種の情報を PATHWAY にマッピング共生関係寄生関係ヒトと腸内細菌叢などアブラムシ昆虫ブフネラアブラムシの共生細菌 28

29 複数生物種の情報を PATHWAY にマッピングアブラムシブフネラ共通 KEGG BRITE 機能の階層分類情報 Pathway and onthology KEGG PATHWAY, KEGG BRITE のエントリーを階層で表現 Genes and Proteins 遺伝子や蛋白質の機能やネットワークの分類分類対象は KO Compound and Reactions 化合物の構造や機能による分類酵素反応の種類による分類 Drug and Diseases 薬物や疾患のような医薬系の情報の分類 Cell and Organisms KEGG の登録生物の系統分類 29

KEGG BRITE 機能の階層分類情報キーワード検索 BRITE 階層情報のテキスト検索オブジェクトマッピング KEGG Mapper

指定したオブジェクトを赤く色づけ Search & Color BRITE 指定したオブジェクトを自由に色づけ Join BRITE BRITE

MODULE マニュアルで定義された生物学的な機能ユニットのコレクション Pathway modules KEGG PATHWAYの代謝パスウェイで

30 KEGG BRITE 機能の階層分類情報キーワード検索 BRITE 階層情報のテキスト検索オブジェクトマッピング KEGG Mapper マップ中のオブジェクトを指定してBRITEにマッピング複数オブジェクトを指定するとマッチしたものすべてをマッピング Search BRITE 指定したオブジェクトを赤く色づけ Search & Color BRITE 指定したオブジェクトを自由に色づけ Join BRITE BRITE に別の関係情報をマッピング ( 例 :GPCR の BRITE(ko04030) に GPCR とリガンドの関係情報をマッピング ) KEGG MODULE マニュアルで定義された生物学的な機能ユニットのコレクション Pathway modules KEGG PATHWAYの代謝パスウェイで緊密な機能単位としてなる連続経路 Structural complexes 分子 Functional sets その他の必須な機能単位 Signature module 表現型のマーカーなど 30

31 KEGG MODULE Entry ID Name パスウェイモジュールの例名前 Definition モジュールの構造 Type モジュールのタイプ Pathway モジュールが存在するパスウェイ Reaction モジュ-ルを構成する反応 KEGG Mapper PATHWAY/BRITE/MODULE のオブジェクトを探索色づけ等するツール群 KEGG Object (+ 色あるいは数値 ) を指定してパスウェイにマッピング目的に合わせて下記の 11 種類のツールがある 31

Search&Color Pathway/Brite/Module より高度なマッピングツール

などの任意の Objcet に指定色をマッピングする Color Pathway, Color

と数値データを入力として Pathway マップにカラースケールの色を塗り分けることができる

32 KEGG Mapper Search Pathway/Brite/Module 基本的なマッピングツール KEGG Object を入力して Pathway などにマッピングする Search&Color Pathway/Brite/Module より高度なマッピングツール KEGG Object と bgcolor, fgcolor の色を入力として Pathway などの任意の Objcet に指定色をマッピングする Color Pathway, Color Pathway 3D Search&Color Pathway の拡張 KEGG Objcct と数値データを入力として Pathway マップにカラースケールの色を塗り分けることができる Reconstruct Pathway/Brite/Module 一つあるいは複数の遺伝子とKOの対応リストを入力に Pathwayなどにマッピングしてパスウェイの再構築などを行うことができる Join Brite たとえば薬とそのターゲットのような二項関係のリストを BRITE の階層ファイルにマッピングして結合するツール Search Pathway 32

33 Reconstruct Pathway Search&Color Pathway 33

34 Color Pathway Color Pathway 3D 1 つの Pathway マップに対して数値データを 3D バーで表示することができる # WebGL 対応の Web ブラウザ FireFox 4 以降 Google Chrome 8 以降 (8は要設定) Safari 5.1 以降 ( 要設定 ) など 34

35 そのほかの KEGGのツール群 35

KEGG_PATHWAY.ppt

KEGG_PATHWAY.ppt KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes 様々な種類のデータを生命現象の総体として再構築ツールの提供 EGassembler KAAS GENIES ネットワークの知識ツールの提供 e-zyme pathcomp 高次機能機能の階層分類相互参照用データ