パスウェイデータベース
奥⽥修⼆郎
新潟⼤学⼤学院医⻭学総合研究科
オンライン
2020年11⽉11⽇

事前アンケートパスウェイデータベースとは• パスウェイとは、⽣体内での遺伝⼦やタンパク質、その他の化合物等の分⼦間相互作⽤を "経路" として表現したものです。相互作⽤の知識を集積して可視化、電⼦化したものがパスウェイデータベースと呼ばれています。歴史的には、代謝経路の表現から始まりました• ベーリンガーマンハイム社（現ロシュ社）の代謝マップ (1965~)• 最初は紙媒体での出版。のちに電⼦化されています• 計算機上で表現することで、様々な可視化が⾏えるようになり、パスウェイ全体を俯瞰したり、⼀部の相互作⽤に注⽬したり、⽣命現象の理解が⾏い易くなります。また、データベース化することで網羅的に扱えるようになり、コンピューターでの利⽤が可能になります• ゲノムアノテーションや種間⽐較、進化解析• 遺伝⼦発現などのエンリッチメント解析• モデル化、シミュレーション、予測

検索：Roche pathwayパスウェイデータベースでの表現• ⾒やすくするために、ダイアグラムで表現されていることが多くなっています。
• KEGG Pathway での表現例• 代謝パスウェイでは代謝産物をノード、酵素反応をエッジとして表現されています• 制御系ではタンパク質や遺伝⼦、その他の⼩分⼦をノード、その関係性（活性化、抑制、リン酸化など）がエッジとして表現されていますパスウェイデータベースのデータ形式• 計算機での取り扱いを⽬的として XML (Extensible Markup Language) で記述されていることが多くなっています。
• KGML (KEGG Markup Language) は分⼦間の関係とダイアグラムのレイアウトを取り扱うための KEGG 独⾃のフォーマット
• SBML (Systems Biology Markup Language)、CellML、CSML (Cell System Markup Language) はパスウェイのシミュレーションやモデリングを⾏うためのフォーマット
• PSI-MI (Proteomics Standards Initiative Molecular Interaction XML Format) はタンパク質間相互作⽤を記述するためのフォーマット
• BioPAX (Biological Pathways Exchange) は様々なパスウェイデータを統合したり、データ交換を⾏うことを⽬的として策定された標準化を⽬指したフォーマット

• これらのデータ形式を扱うことのできるネットワーク可視化ソフトウェアには Cytoscape や VisANT などがあります。
• AJACS58 : Cytoscapeを使ったデータの可視化• どのパスウェイデータベースを研究に使えば良いかは、対象⽣物や対象パスウェイ、⽬的によって異なってきます。
• 今回は 主にKEGG PATHWAY のブラウザ上での使い⽅を紹介します。

BioCyc• ウェブサイト：https://biocyc.org/• 開発：SRIインターナショナル（Stanford Research Institute）• 対象：⼤腸菌からヒトまで、異株を含めて 18,000 種以上• 専⾨家が⼿作業で作成した⽂献ベースのデータ＋⾃動解析ツール• 代謝パスウェイ、制御系• 利⽤：アカデミックフリー• データ形式：BioPAX

BioCyc

Metabolism -> Cellular Overview

Reactome• ウェブサイト：https://www.reactome.org/• 開発：EMBLE-EBI 他• 対象：ヒトを中⼼に脊椎動物、酵⺟、植物、16種• ヒト：専⾨家が⼿作業で作成した⽂献ベースのデータ• その他：計算機での推定（ https://reactome.org/documentation/inferred-events）• 代謝パスウェイ、シグナル伝達系、他• 利⽤：フリー• データ形式：BioPAX, SBML

Reactome

Pathway Browser

KEGG PATHWAY• ウェブサイト：https://www.kegg.jp/• 開発：京都⼤学• 対象：ゲノムの決まった全⽣物種（異株を含む）約7,000 種（>540真核⽣物、>5,900真正細菌、>330古細菌）、ウイルス 349ゲノム、環境メタゲノム 477サンプル、⽣体メタゲノム 712サンプ
ル• 専⾨家が⼿作業で作成した⽂献ベースのデータ＋⾃動ツール•

リファレンスパスウェイ : 専⾨家が⼿作業で⽂献ベースから作成•⽣物種パスウェイ•

⾃動ツールでリファレンスパスウェイから作成し、⼿作業でキュレーション•⾃動ツールで作成（⾃動ツールにも段階があります）• 代謝パスウェイ、シグナル伝達系、他• 利⽤：アカデミックフリー• データ形式：KGML• KCPAVS KEGG-XML converter などで代謝パスウェイ、シグナル伝達などの多くのパスウェイを標準形式 に変換可能• [KEGGscape] (http://apps.cytoscape.org/apps/keggscape) でネットワーク可視化ソフト Cytoscape に読み込
み可能

KEGGはデータベースの集合• KEGG2をクリック• KEGG PATHWAY を含むシステム情報データベースの他に、遺伝情報、化学情報、健康情報などのデータベースがリンクしています。

対象⽣物種を⾒る• データベースのテーブルの下、KEGG organisms をクリック

KEGG Organisms• KEGG では 3-4 ⽂字の独⾃の⽣物種コードを使⽤している

KEGG Organisms• ⽣物種コードのリンクをクリックすると、種の情報が表⽰されますデータベースリスト• Genomes : 主に NCBI Refseq、GenBank に登録された⽣物種• Species : 異株を⼀つにまとめたデータベース• Genus : Genus レベルでまとめたデータベース• Virus：ウイルスゲノム• Meta : メタゲノム

KEGGパスウェイマップを⾒る• トップページ （https://www.kegg.jp）上⽅の検索ボックスで"lysine biosynthesis" や "glycolysis" やなどの⽣命現象関連の単語を⼊⼒し、Search ボタンをクリック

KEGGパスウェイマップ
• KEGG データベース全体でヒットしたエントリーが全てリストアップされ、KEGG PATHWAY にヒットがあれば、⼀番上に表⽰されます。

KEGGパスウェイマップ
• 各パスウェイの情報が表⽰されます。
• KEGG におけるパスウェイの最⼩単位で、ダイアグラム画像を “マップ” と呼んでいます。

KEGGパスウェイマップ
• この⾊のついていない⽩いダイアグラムが、専⾨家が⼿作業で⽂献ベースから作成したリファレンスパスウェイになります• ボックスが遺伝⼦やタンパク質などの配列情報、丸が代謝産物、環境物質などの化合物• 各図形の説明は右上の Help から⾒られますKEGGパスウェイマップ
オンマウスオーバーで、KEGG MODULEの表⽰

KEGG MODULE好きな⽣物のパスウェイを⾒る• Change pathway type をクリック

好きな⽣物のパスウェイを⾒る
Select pathway typeのパネルがポップアップ
⾒たい⽣物種の名前で検索（例えば、Escherichia coli）
ecoをクリックEscherichia coli K-12 MG1655ゲノムでマッピング
⼀部のボックスが緑⾊で塗られる、その⽣物（またはサンプル）の持つ遺伝⼦を⽰しています。

別のアプローチ• 種、属でまとめたパスウェイ、ドラフトゲノム、メタゲノムのパスウェイはここからは選べないので、⽣物種リストのページから、種のページ、パスウェイリストへ移動する必要があります。

Lysine biosynthesis マップ

リファレンスパスウェイと種毎のパスウェイの関係

Overviewマップを⾒る• https://www.kegg.jp/kegg/pathway.html• 1.0 Global and overview maps の Metabolic pathways をクリック• 左にモジュールのリスト（KEGG におけるパスウェイの⼩さい機能単位）、右にマップが表⽰• 機能単位毎にパスウェイを強調表⽰できる

⽣物種毎のOverviewマップを⾒る• Change pathway type から⽣物コードをクリック• ⽣物の持っていない経路は灰⾊になる（ecoの例）

ヒトの疾患パスウェイを⾒る• https://www.kegg.jp/kegg/pathway.html#disease• がん、免疫系疾患、神経変性疾患など多因⼦性の疾患• 好きな疾患パスウェイをクリック（例：⼤腸がん）• ⾚字の遺伝⼦が疾患の病因遺伝⼦を⽰しています。

ヒトの疾患パスウェイ• Change pathway typeで Homo sapiens (human) + Disease/drug を選択• ピンクのボックスは何らかの疾患で病因遺伝⼦となっている遺伝⼦を⽰しています• ライトブルーのボックスは何らかの疾患で医薬品のターゲットとなっている遺伝⼦を⽰しています• このように、KEGG では正常な状態のパスウェイの他に、病原因⼦や医薬品、そのターゲットなどの情報もパスウェイとして表現されています種間⽐較をする• https://www.kegg.jp/kegg/kegg2.html• KEGG GENOMEのリンクをクリック• KEGG Mapping for Genome Comparison and Combinationのテキストボックスに "eco ecs" と⼊⼒して Go をクリック• eco：⾮病原性⼤腸菌 k-12
• ecs：病原性⼤腸菌 O157

種間⽐較
• 上のメニューの Pathway map をクリック• 好きなパスウェイをクリック• 前者の遺伝⼦が緑、後者の遺伝⼦がピンクで表⽰• Overview パスウェイの場合、両者が持っている遺伝⼦はライトブルーで表⽰

Bacterial secretion systemマップ• 03070 : Bacterial secretion system パスウェイでは病原性に関わる III型、VI型分泌装置が O157 側だけが持っているのがわかる

Pathogenic Escherichia coli infectionアブラムシとブフネラで種間⽐較• 00290 : Valine, leucine andisoleucine biosynthesisマップ• アブラムシ : api（緑）• ブフネラ : buc（ピンク）• 共⽣⽣物間のパスウェイ補完に
よってアミノ酸合成が可能になっていることがわかる

サンプルデータのマッピング• KEGG には遺伝⼦リストからパスウェイをマッピングするツールが組み込まれています。
• KEGG Mapper（https://www.kegg.jp/kegg/mapper.html）• Pathway mapping tool の3番⽬の Search&Color
Pathway をクリック• Search against : データベースコード• Primary ID : ID 種類（KEGG ID, NCBI-GeneID, NCBIProteinID, UniProt）• テキストエリア : 要素のリスト（遺伝⼦、タンパク質、化合物）• [配列 ID or 代謝産物 ID] 塗りつぶし⾊[,線の⾊]• 配列 ID は KEGG gene ID, NCBI-GeneID, NCBI-ProteinID,UniProt ID• 代謝産物 ID は KEGG Compound ID （C番号）のみ• 線の⾊はオプション• ⾊は16進数表記か基本的なカラーネームで記述

KEGG Mapper• テキストエリア右のExample を選択して Exec ボ
タンをクリックすると、ヒットしたパスウェイのリストが表⽰されます（カッコの中はヒットした要素の数）

数値データをマッピング• Color Pathway （https://www.kegg.jp/kegg/tool/map_pathway3.html）をクリック• 右のサンプル Numerical values to colorを選択• 中⾝は配列 ID と数値の対応リスト• Select KEGG pathway map: でパスウェイを指定（hsa05200)• Option: で Numerical values converted to color gradationを選択• Exec ボタンをクリック

⻩⾊⾚⾊3Dグラフマッピング• 右のサンプル から「Numerical values to color」• 下のオプションから「Numerical values converted to 3Dgraph」を選択する

KEGGデータベースにはない遺伝⼦のマッピング• KEGG に登録されている配列データと類似性を計算し、⾃動で遺伝⼦機能を推定、パスウェイへのマッピングを⾏う。
• KAAS（https://www.genome.jp/tools/kaas/）• BlastKOALA, GhostKOALA

配列相同性検索• KAAS（https://www.genome.jp/tools/kaas/）• 配列類似性の計算は BLAST, GhostX, GhostZ ベースの３つ• GhostX は BLAST より精度は劣るが 100 倍早い• GhostZ は GhostX より精度は劣るが２倍早い• 種間で両⽅向ベストヒットを利⽤して遺伝⼦機能を推定（⽚⽅向も可能）• BlastKOALA, GhostKOALA• 配列類似性の計算は BLAST, GhostX ベース• クエリーからデータベースへの⽚⽅向の計算なのと、データベースを圧縮しているぶん KAAS より早い

BlastKOALAを使ったパスウェイマッピング• Annotate Sequence by BlastKOALA（https://www.kegg.jp/kegg/tool/annotate_sequence.html）• Exapmle: の sequence.txt をコピー＆ペースト、もすくはダウンロードしてファイルを選択• Family/Genus ボタンをクリック• サンプルが Buchnera の仲間なので、KEGG の Buchnera データを使う• 新たに開いたウィンドウで、Buchnera を探し、Taxonomy番号をクリック

計算中• Exec ボタンをクリック• 数分待つ計算結果• Reconstruct Pathway から遺伝⼦がマッピングされたパスウェイを⾒ることができる

Overviewマップの再構築結果

ご清聴ありがとうございました。