2014.03.02
統合化推進プログラム 統合データ解析トライアル
研究成果報告会

共起関係解析によるタンパク質の機能モジュール探索法の開発
九州工業大学・情報工・生命情報藤井聡

1© 2014藤井 聡（九州工業大学）licensed under CC表示2.1日本

背景
疾病関連遺伝子ドメイン・モチーフ

ドラッグターゲット

Gefitinib

T/G
LUNG
CANCEROMIMNHGRI GWAS Catalog
Human Variation DB
etc...

PROSITE
Pfam
InterPro
CATH
SCOP
etc..

EGFR

CYP2D6ABCG2DrugBank
PubChem
KEGG DRUG
etc..

etc..
2

EGFR tyrosine kinase domainの結晶構造
LEU858ARG, NONSMALL CELLLUNG CANCER (OMIM)

機能モジュール：
3次元構造中で近傍に存在しており関係性が高い。
PS00107 :PROTEIN_KINASE_ATP(PROSITE)

PS00109:
PROTEIN_KINASE_TYR(PROSITE)

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目的• 非常に多くのゲノム・プロテオームに関する情報の集積体（データベース）が構築されている。
• 疾病関連遺伝子やタンパク質の機能を示すドメインやモチーフ、薬剤などの相互作用部位を現すリガンド相互作用サイト、タンパク質-タンパク質相互作用サイトなどが挙げられる。
• しかし、単独では価値を理解することが難しいものも多い。

疾病情報やドメインなどの機能情報同士の間に浮かび上がる共起関係に注目し、構造と機能の有機的な結び付きを現す機能モジュールを探索する手法を開発することを目的とする。
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方法• 研究項目として、検出するターゲットはPROSITE, Pfamから得ることのできる機能ドメインと機能モチーフに対象を絞る。
• 共起関係は１対１の関係に絞って解析手法を確立を目指す。
1. データの取得と生成、データの整形
2. 共起関係の解析手法の確立
3. データベース作成ならび検索サイトの作成• 最終的にその得られた共起関係のリストを、空間的な距離やその出現数、統計的な有意性を含めてデータベースとして公開するまでを第1目標とする。

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データの取得と生成、データの整形タンパク質の3次元構造データ• PDBjより全PDB構造を取得した。

ドメイン・モチーフの情報• タンパク質に存在するドメイン・モチーフの情報はPROSITEから得た。
• 元々価値の高いドメインやファミリー同士の共起関係だけでなく、情報として価値の低い機能サイトとの共起関係についてなども同時に検証することを想定してPROSITEを最初のターゲットにした。

• ドメイン・モチーフの位置は、配列に対してPROSITEのps_scanにより配列に対して予測計算を行い求めた。

タンパク質構造の冗長化• タンパク質構造情報の冗長化はEMBL-EBI/SIFTSを利用して行ってた。
• タンパク質の構造は同じタンパク質から複数得られていたり、タンパク質の一部分のみの構造が得られていたりしているので冗長化を行う必要がある。
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共起関係の検出① タンパク質構造中で近傍に存在する共起関係の検出② タンパク質全体で高頻度に見られる共起関係の検出
EGFR
FYN
NTRK1
・・・

③ ①＋②両方の条件に合致する共起関係の検出7

結果：
2つのモチーフ同士の距離Uniprot.ID_A Prosite_A Start_A End_A Uniprot.ID_B Prosite_B Start_B End_B N_pdb

Cα.distance(min)(ave.)(s.d.)

O87988PS00005

66

68

O87988PS00006

211

214

1215.91

34.11

18.88

P16932PS00008

143

148

P16932PS00009

152

155

16

7.15

7.6

0.24

P96110

PS00005

189

191

P96110

PS00008

192

197

108

3.77

49.43

25.95

O66608PS00006

266

269

O66608PS00009

17204

7.94

11.41

3.94

D2YW38PS00005

73

75

D2YW38PS00008

9095

37.55

7.61

0.06

P24183PS00006

63

66

P24183PS00008

677223.79

3.82

0.03

Q9XG81PS000086469

Q9XG81

PS001188289176.94

14.86

11.03

Prosite モチーフ数:

2,006

総PDBchain数:

221,581

モチーフHit数:

3,163,170

1,116,766

164,122,109

7,945,374

モチーフ組み合わせ数:

総タンパク質数:

32,0428

モチーフ間のCα最短距離の分布9共起関係の検出法 ~Intra-molecule~
PDB構造が存在する全タ
ンパク質数(TA,B)

モチーフAとモチーフBが両方存在するタンパク質数(NA,B)

モチーフAが存在するタンパク質数(NA)モチーフBが存在するタンパク質数(NB)

共起関係の検出法 ~Inter-molecule~
PDB構造中に存在する全タン
パク質ペア数(TA,B)

モチーフAとモチーフBがそれぞれのタンパク質に存在するタンパク質ペア数(NA,B)

一方のタンパク質にモチー
フAが存在するタンパク質ペア数(NA)一方のタンパク質にモチー
フBが存在するタンパク質
ペア数(NB)

タンパク質ペアについてProtein_B

Protein_A

Protein Pair:
Protein_A - Protein_A
Protein_B - Protein_B
Protein_A - Protein_B

結果：
共起関係のEnrichment
Motif_combination

NA,B

NA

NB

TA,B

FE

p-value

FDR

PS00029_PS01281

1676

5320429.48

PS00008_PS01201

324311332042

1.32

PS00004_PS00433

67689

9320422.78 0.001029 0.001979

PS00006_PS01132

232600323320421.23

PS00006_PS50995

372600339320421.17 0.002908 0.005322

PS00370_PS00742

56732042

PS00004_PS00975

37689

6PS00008_PS00128

1624311PS00006_PS01028

426003*p-valueは超幾何分布により算出
𝑁𝐴,𝐵

𝑃(𝑋 = 𝑘) = 1 − �𝑘𝑁𝐵𝑘

FDRはBH法により計算

𝑇𝐴,𝐵 − 𝑁𝐵
𝑁𝐴 − 𝑘𝑇𝐴,𝐵𝑁𝐴

3814.52

0.00426 0.007658
00000032042

2.084 0.032538

0.05088

24320420.88 0.796727 0.850721

4320421.2300

FDR < 0.05: 11,885 entries12距離と共起のEnrichment両方での絞り込み

含まれているモ
チーフ同士のCα最短距離が3.5 - 6.0 Å内にある。

共起のEnrichmentにおける有意性がFDR< 0.05である。

距離によって共起が検出されたタンパク質数≥ 0.8
Enrichmentのよって共起が検出されたタンパク質数
13PDBnet -Co-occurrence Search Toolhttp://dna00.bio.kyutech.ac.jp/pdbnet/co-search.php• 共起に関する条件を入力すると、その条件で絞ったPROSITEモチーフの共起リストを表示する。
• 共起のリストから、各々の共起を持つタンパク質、さらにPDB構造までリンクで追うことができる。
• Jmolにより構造上の共起関係を確認することも可能。
• 現状は、上記のような一方向の検索しかできない。タンパク質名やモチーフの名前等から検索はできない。
• 将来的にはPDBnetからこれらの情報へアクセスできるようにする予定である。

Webツール デモ

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実例：
PS00107_PS01351の共起関係

PDBID:3HF6 (human tryptophan hydroxylase type 1 )

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実例：
PS00107_PS01351の共起関係

PDBID:3HF6 (human tryptophan hydroxylase type 1 )

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実例：
PS00017_PS00152の共起関係

PDBID:3HF6 (human tryptophan hydroxylase type 1 )

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実例：
PS00017_PS00152の共起関係

PDBID:3HF6 (human tryptophan hydroxylase type 1 )

19

デモ終了

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本ツールの汎用性について• 現状ではPROSITEにしか対応していないのでまだ汎用性は低い。
• 共起を検出する手法としては単純なので、将来的には、原子単位、アミノ酸配列単位で付加されている情報に対しても適用できるだろう。

これまで作られてきた統合データベースの新たな活用法について• 今回はタンパク質構造（PDB）を情報を結びつけるための媒体として活用した。それにより、情報を3次元の構造中に表すことにより有機的に結び付けることができた。

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本ツールを活用した有用な知識の発見について• 客観的な評価指標を示せていないので評価するのは難しいが、いくつか具体的な例を観察すると、活性部位付近に共起関係が存在するような、抽出されてくるべき結果は抽出できていた。
• 今後、機能未知なタンパク質、領域等を実際に検証することで有用な知見の発見につながる可能性もあるだろう。

今後の本研究の将来性• 空間における集積性を調べる空間統計学により評価したり、物理化学で扱われるPMF(Potential Mean Force)により評価したりすれば、タンパク質の立体構造を更に生かした結果を導き出せるだろう。
• タンパク質構造を使って任意の情報を結びつける手法の１つのスタンダードとしたい。

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まとめ
• ほぼ当初の研究開発計画通りに進行した。PROSITEに対する共起関係の検出を行い、得られた共起関係のリストをデータベースとして公開した。
• 発展的な展開としては、2つのタンパク質の相互作用による共起関係の検出には対応した。
• 今回の結果についての客観的な評価を示せていないが、主観的な観察によっては尤もらしい結果は得られていた。
• 今後汎用化、共起検出の統計手法の改良によって、更に有用な手法となるだろう。

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実例：
PS00029_PS00367の共起関係
PS00367: (A: 268-279)
Biopterin-dependent aromatic amino acidhydroxylases signature

P17752

P04177

P70080Tryptophan 5-hydroxylase 1(Human)
3hf6A
1mlwA
3hf8A
3hfbA
Tyrosine 3-monooxygenase
(Rat)
1tohA
2tohA
Tryptophan 5-hydroxylase 1(Chicken)
3e2tA

PS00029: (A: 320-341)
Leucine zipper pattern
PDBID:3HF6 (human tryptophan hydroxylase type 1 )

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実例：
PS00286_PS00135の共起関係
PS00135: (E: 189-200)
Serine proteases, trypsin family,
serine active site

PS00286: (I: 503-522)
Squash family of serine
protease inhibitors signature

PDBID:2STA(SALMON TRYPSIN IN COMPLEX WITHSQUASH SEED INHIBITOR)

P01074

2staI

P35031

2staE

P01074

1ppeI

P00760

1ppeE

P102932btcI

P007602btcE

P12071

1h9iI

P00761

1h9iEP10295

1f2sI

P00760

1f2sE

P10293

2stbI

P35031

2stbE

P307091mctI

P007611mctA

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共起関係のデータベースにアクセスする検索ページ

期待値より何倍Enrichしているか
共起のEnrichmentにおけるFDR
共起のあるタンパク質の最低数
共起を定義するモチーフ同士のCα距離
距離によって共起がみつかったタンパク質数/Enrichmentのよって共起が見つかったタンパク質数

Intra-molecular: タンパク質内における共起のみ
Inter-molecular:タンパク質間相互作用も含める

共起関係の検索結果表示のページ

NDist:距離によって共起がみつかったタンパク質数
NInter:タンパク質間相互作用によって共起が見つかったタンパク質数
NAB: 共起のあるタンパク質の数

それぞれの共起を持つタン
パク質のリストへあるモチーフの共起関係を持つタンパク質のリスト

それぞれのタンパク質に存在するPDB構造のリストへ

あるモチーフの共起関係を持つある１つのタンパク質についてのPDB構造のリスト

共起しているそれぞれのmotifそれぞれに色を付けて表現している。

Jmolを使って分子構造を見る。