16植物ゲノム統合データベースPlant GARDEN、微生物、メタボローム統合
データベース間の連携検索システムの開発〇平川英樹１、藤澤貴智２、守屋勇樹３、信定知江４、長崎英樹１、森宙史２、福島敦史５、Andrea Ghelfi2、市原寿子１、中村保一２、金谷重彦６、有田正規２、黒川顕２、田畑哲之１、磯部祥子１

１．かずさDNA研究所
２．国立遺伝学研究所
３．ライフサイエンス統合データベースセンター（DBCLS）
４．科学技術振興機構NBDC事業推進部
５．京都府立大学・生命環境科学研究科
６．奈良先端科学技術大学院大学・情報科学領域・計算システムズ生物学

トーゴーの日シンポジウム2022

Licensed under a Creative Commons 表示4.0国際ライセンス©2022 平川 英樹（かずさDNA研究所）

要旨

植物と微生物との相互作用や植物が産生する様々な二次代謝産物との関連性から新たな知見を見出すことを目的として、植物ゲノム統合データベースPlant GARDEN（https://plantgarden.jp）と微生物ゲノム統合化データベースMicrobeDB.jp、メタボローム
統合データベースMetaboBank間でRDFによるデータ連携を進めており、2020年からトーゴーの日において進捗状況を発表してきた。2021年度の統合推進化プログラムの追加実施予算にて、一般ユーザにとって敷居が高いSPARQL言語を入力することなくSPARQL検索できるシステムの開発を検討していたところ、2021年10月にTogoDX/humanがDBCLSから公開された。そこで、TogoDXシステムに植物、微生物、メタボローム3者のコンテンツを格納したTogoDX-TPPを新たに構築し、さらに検索の効率化を図るため、TogoDX-TPPにおいてどのattributeにユーザが求めるデータが格納されているかを予め検索し、そこからTogoDX-TPPに検索を投入する連携検索システムを開発した。本発表では、現在の開発状況について発表する。

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背景
植物と微生物との相互作用は成長促進など有益なもの（PGPG）や病害など成長に影響を与えるものがある。また、植物は有用な二次代謝産物を産生し、多様な分野で広く用いられている。
①植物と微生物間の相互作用の理解
従来、植物と微生物の相互作用はマメ科植物にて知られていたが、近年、ブナ目やバラ目など様々な植物にて共生関係が見つかってきている。
・Plant Growth Promoting Batetia（PGPG）の例
セイヨウアブラナ（アブラナ目）ーXanthomonas sp. RJ3： 成長刺激
ヒマワリ（キク目）ーOchrobacterum intermedium： 4価クロムの提供による成長促進・病原性細菌、菌類、ウイルスによる感染：モザイク病、うどんこ病、さび病、べと病など多様な病害
植物と微生物との相互作用の理解は植物（作物）の生育の効率化に繋がると考えられる。

②有用な二次代謝産物の合成に関連する遺伝子の推定
植物はフラボノイドなど多様な二次代謝産物を産生し、染料や香辛料、医薬品など多様な方面に用いられている。植物の遺伝子と代謝産物などを関連付けることが重要である。
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目的
植物のゲノム情報、微生物（菌叢）の情報、メタボロームによる化合物情報、さらに、国内外のデータとを検索することで新たな知識発見を目指すことを試みている。
Plant GARDENでは、植物ゲノム、遺伝子、アノテーション、DNAマーカー、QTLなどについてRDF化を行い、微生物ゲノム統合化データベースMicrobeDB.jp、メタボローム統合データベースMetaboBank間でRDFによるデータ連携を進めている。技術面では、DBCLSや遺伝研の方々にご協力頂きながらRDF化を進めている。

Plant GARDEN、MicrobeDB.jp、MetaboBankの各エンドポイントは構築しており、ユーザが各種データベースに対してVirtuosoを用いたSPARQL検索を行うことができるが、その際、SPARQL言語に関する知識が必要となる。このため、RDF化されたトリプルデータを揃えてもユーザにとっては敷居が高く、基礎研究から育種の現場における幅広いユーザに利用してもらうのは難しいと思われる。
この問題点を解決するため、RDFに慣れていない一般ユーザが各種統合化データベースに対してSPARQL検索を容易に実現できるユーザインタフェースを搭載した高度な連携検索システムを構築することを目的とした。

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植物、微生物統合データベース

植物ゲノム統合DB
https://plantgarden.jp

・ゲノム配列（184種；データ件数：236）
・遺伝子配列（160種；件数：10,948,303）
・DNAマーカー（61種；件数：373,596）
・QTL（28種；件数：8,255）
・バリアント情報（106種）
・機能（アノテーション）情報
・解析アプリケーションの開発
Plant GARDENの詳細は15番のポスターで発表
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植物の生物種間相互作用、病気、遺伝子、化合物情報の収集、RDF化
TogoDBへの格納、RDF化

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/research/pubtator/

pg_pubtator database（格納済）

Plant GARDENで公開している植物種名で検索（API）

Bioconcept
・CellLine（細胞株）・Chemical（化合物）
・DNAMutation（塩基置換）
・Gene（遺伝子）・Species（種）・Strain（株）
・ProteinMutation（アミノ酸残基置換）
・SNP・Genus（属）トーゴーの日シンポジウム2022

センテンスの抽出共起表現で情報抽出できうる

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データベース間の連携
RDF化を進めているが、SPARQL検索には言語に関する知識が必要であり、一般ユーザにとっては検索することが難しい
連携

・ゲノム配列（184種；データ件数：236）
・遺伝子配列（160種；件数：10,948,303）
・DNAマーカー（61種；件数：373,596）
・QTL（28種；件数：8,255）
・高次アノテーション情報
有用遺伝子に関するセンテンス情報

・系統・遺伝子・環境の３つの軸に沿って整理・統合されたフルRDFのデータベース
・菌叢メタゲノムデータ（メタ16S rRNA、遺伝子）・ゲノム・ドラフトゲノムデータ
・単細胞の真菌類、藻類のゲノムデータ

外部データベースのRDF
連携・実験で得られた代謝産物に関する生データや実験に関するメタデータ
・データ数
・KNApSAcKのRDF（57,919の化合物）
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統合化データベース連携検索システムの構築
一般ユーザが利用しやすい連携検索システムを構築し、基礎研究から育種などの応用研究に至る幅広い分野での利用を図る
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データベース間の連携システムの構築
統合データベース連携検索システムのユーザインタフェースを検討していたところ、様々な生命科学分野のデータベースを統合的に探索し俯瞰できるフレームワークTogoDX/humanがDBCLSから発表された。
https://togodx.dbcls.jp/human/

検討していた横断検索とその結果表示の様式がTogoDXで実現できることが分かった。

ユーザが検索対象となるattributeを予め選択する必要があり、ユーザが求める情報がどのattributeに含まれるかが分からないため、期待した結果が得られるまで何度か検索を繰り返すことになる。

ユーザがSPARQL言語を入力することなく、複数のattributeを選択することでSPARQL検索を実施することができるシステム

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SPARQLthonを通じて、TogoDX開発者を含むDBCLSの方々、NBDCの方々に相談し、予め、TogoDXに格納されたattributeに対するキーワード検索を行ない、その検索条件をTogoDXに引渡すことができるシステムのユーザインタフェース（UI）を開発した。

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データベース間の連携
植物、微生物、メタボローム統合データベースにおいて構築されたRDFを元にTogoDX上でSPARQL検索できるかを確かめるため、以下のデータセットを対象とし、RDFスキーマ図を作成し、データを格納したTogoDX-TPPを構築した
TogoDX-TPPの構築

選出したattributeに関するRDFスキーマ図RDF/tsvをTogoDX-TPPに格納・Plant GARDEN
植物種、ゲノム配列
センテンスキュレーション（Plant GARDENから公開予定）
・MicrobeDB.jp
系統、BioSample

遺伝研：藤澤トーゴーの日シンポジウム2022

・MetaboBank
KNApSAcKの化合物、生物種
文献情報
・DDBJ
系統、BioProject、BioSample
・TogoGenome：系統、ゲノム・化合物データ（EBI CheBI、NCBI PubChem）

https://github.com/togodx/togodx-app

かずさDNA研究所から公開予定
DBCLS：守屋
NBDC：信定
遺伝研：藤澤

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TogoDX-TPP
インフォ・ラウンジ社のサーバー上で限定公開（開発版）
現時点では全データセットは格納できておらず、以下の項目のみ格納できている。
・Plant GARDEN： Taxonomy、DNA marker
かずさDNA研究所から公開予定
・MicrobeDB.jp： MEO (component、environment）
・MetaboBank： KNApSAcK（chemical role、application type、biological role、molecular weight、metabolite activity）

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連携検索システムの構築（開発版）
キーワードを入力すると、予めTogoDX-TPPに格納されているデータに対して検索が実行される。
各データベースがNCBI Taxonomyを介して繋がるようになっている。
キーワード

インフォ・ラウンジ社のサーバで内部公開（開発版）
今後、かずさDNA研究所から公開予定

Genes
Compounds
Markers
GenomesTaxonomy
ChEBI (ChEBI compound)
Biological role
Chemical role
Application type

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MetaboBank (KNApSAcK)Species
Molecular weight
Metabolite activity

Genome assembly level
RefSeq category of genomes
Genome release year

category
attribute

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検索結果の例
キーワードにヒットしたattributeがハイライトされる

Attribute間に格納されているエントリーの表示

TogoDX-TPPで表示

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TogoDX-TPP での表示

View resultsをクリック

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連携検索システムでの流れ
ユーザインタフェース

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TogoDX-TPP

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まとめ
連携検索システムUIを開発することで、ユーザがSPARQL言語を入力しなくても、SPARQL相当の検索を実現することができた。
SPARQL検索ではコンテンツのデータ量が増えると検索速度が遅くなるという問題点があるため、今回は、3者のデータベースからRDFが特に整備されているコンテンツを選出し、UIに格納した。
連携した3者のデータベースにおけるattributeの関係性についてRDF化し、TaxonomyとBioSample、PubChem、PubMedがのりしろとなることで、連携検索が可能になった。
今回構築した連携検索システムにより得られた結果では、コンテンツの内容やデータ量が十分でなかったた
め、知識発見に役立てる程のデータを得ることはできなかった。
今回構築した連携検索システムは、複数のデータベースから知識発見に役立てることができるデータ基盤として活用することができ、データベース統合技術としてのRDFの有効性を示すことができたと考えている。これにより、MicrobeDB.jpとMetaboBankに限らず、他のデータベースにおいてRDFで定義されたトリプルもしくは二項関係で繋げられたデータセットがあれば、さらなる連携の拡充を図ることができ、UIのネットワーク図を見ながら、検索の幅をより広げることができると考えている。
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今後の取り組み
・ 新たな知識発見を目指すためには、コンテンツの内容やエントリー数を増やすことで検索結果を充実させ、検索の幅を広げる必要がある。
・ 現在、連携検索システムUIは開発中であるため、インフォ・ラウンジ社のテストサーバ上にて公開しているが、システムが完成し次第、かずさDNA研究所のウェブサーバから公開する。

・ その後、かずさDNA研究所から公開しているPlant GARDENのトップページにアイコンを設置し、そこからUIに向けてリンクを張る予定である。
＊問題点
・ データベース間の連携を図る際、遺伝子IDが重要になることが分かった。Plant GARDENが格納している遺伝子IDは、各実験グループが独自に定義したものであり、INSDCやNCBI RefSeq、Ensembl plantが扱う遺伝子IDとは異なるため、データ接続に大きな課題があった。このため、生物リソースやゲノムのメタデータに関しても、BioProjectやBioSample、Assembly DBとの接続が不完全になった。

・ 今後、遺伝子IDを定義することで、検索の幅をより広げることができると考えらえた。
＊謝辞： 本連携検索システムの構築は統合化推進プログラムの追加実施予算を受けて実施しました。
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