セマンティックWeb技術を用いたオーソログデータベースの統合化
千葉啓和1，西出浩世1，内山郁夫1，MicrobeDB.jpプロジェクトチーム
1自然科学研究機構 基礎生物学研究所
我々は、オーソログデータベースに対してセマンティックWeb技術を適用し、ゲノムデータと様々な情報を統合するための基盤となるシステムを開発した。我々はまず、オーソログデータをRDFで表現するために、オーソログオントロジーを構築した。オーソログオントロジーは、オーソログデータベース一般に適用可能な汎用的なオントロジーであるが、データベース固有の概念を表現するために拡張することも可能になっている。我々は、オーソログオントロジーを用いて、微生物比較ゲノムデータベースMBGDをRDF化した。さらに、SPARQLエンドポイントを公開して、それらのRDFに対する検索を可能にした。これらによって、他のデータベースと連結させ、オーソログ情報をハブとして異なる生物のデータを統合的に利用することが容易になっている。また、オーソログオントロジーの枠組みを用いて、異なるオーソログデータベースを表現することで、それらを相互に比較することができる。本発表では、我々の開発したシステムがゲノムデータの統合的解析に役立つ例を示す。

:Resource

MBGD RDF/SPARQLエンドポイントの活用法

オーソログデータベース(MBGD)および関連DBのRDF化:Dataset:Group:HomologGroup

MBGD SPARQL Search ポータルサイトから:OrthologGroup

オーソログデータ(MBGD)

RDFに基づくデータ統合:ParalogGroup
http://mbgd.genome.ad.jp/sparql 	

:SequenceUnit:Gene

Virtuoso7.2:Protein

RDF
ストア

SPARQLの実行:Transcript

SPARQLの修正フォーム:Organism

Taxonomyデータ:TaxonMBGD RDF
アーカイブ:relation:groupMembershipRelation:inDataset:Resource:member

遺伝子機能データ(GO):Dataset:pairwiseRelation:Group:homolog:HomologGroup:OrthologGroup

1,609,017,927 トリプル (ver.2015-01):paralog:ParalogGroup

http://mbgd.genome.ad.jp/rdf/archive/	:reference:Gene:gene:Protein:protein:Organism:Group:groupScore:member:HomologGroupSPANG	

:groupValue:inDataset

公開
エンドポイント

RDF

非公開
エンドポイント:memberScore:homolog

Webアプリケーションにおける利用:ortholog:SequenceUnit

SPARQLRDF

http://purl.org/net/spang 	

結果:memberValue:pairwiseRelation:ParalogGroupSPARQL

汎用 コマンドライン
SPARQLクライアント:value:groupMembershipRelation

非公開SPARQLライブラリ> spang mbgd mbgdl:orthogene2tax psbA | spang mdb tax2env 	

:transcript

owl:DatatypeProperty	:taxon:relation:OrthologGroup

公開SPARQLライブラリ パラメータ:organism

owl:ObjectProperty	:Taxon:Dataset

例: 特定の遺伝子のオーソログを持つ生物を取得し、さらに、それらの生物の生息環境を取得:crossReference(prefix : http://purl.jp/bio/11/orth#) 	
オーソログオントロジーの階層構造 :Transcript:Resource

Unixコマンドラインから:ortholog:SequenceUnit

owl:Class	

結果のダウンロード

SPARQLテンプレートが用意されているパラメータを指定して実行
SPARQLを適宜修正して再検索できる:paralog:Gene

Stanzaサーバー:reference:Protein(Webアプリケーション提供):crossReference:Transcript:gene:Organism

Stanzaサーバー@基生研:protein:TaxonStanzaサーバーにアクセスすることで、アプリケーションが動的に埋め込まれる:transcript:relation:organism:groupMembershipRelation:taxon:inDataset

SPARQL
RDF

公開

RDF

非公開

SPARQL

アプリケーション:value:member

特定のオーソログを持つ生物の生息環境:groupValue:pairwiseRelation

Chiba H, Nishide:groupScore
H, Uchiyama I, PLOS ONE 10(4): e0122802 (2015)	

:homolog:memberValue:ortholog:memberScore:paralog:reference:crossReference

Applica'on	:protein
特定の機能に関連したオーソログ遺伝子の系統パターン解析:gene

SPARQL	  package	:transcript

Verrucomicrobia (4)Actinobacteria (71)

Chloroflexi (9)Thermodesulfobacteria (2)Ignavibacteriae (2)Chrysiogenetes (1)Gemmatimonadetes (1)Nitrospirae (3)Firmicutes (84)

Planctomycetes (6)Synergistetes (4)Acidobacteria (6)Proteobacteria (269)

Thermotogae (7)Spirochaetes (7)Deferribacteres (4)Aquificae (8)0211422211362

435189563

70211422211362435189

563

70211422211362

4

35189

563

702

11422211362

4

3

5188

563

70211522211362

4

3

5190

563

702

11322211362

4

3

5179

563

7021322211362

4

3

5188

563

70211422211361435144

56370201422211362435187

563722211362425145

5637+	 +	:taxon:valueorth:OrthologGroup:groupValue:groupScore
orth:member

orth:member:memberValue

0 0.2:memberScore
mgd:Domain
orth:organism

orth:Organism

orth:Organism

orth:taxon

orth:taxon

up:Taxontax:511145

E.coli	

rdfs:subClassOf*

up:Taxon
up:rank

up:Phylum

Output	NCBI
Taxonomy

1Ratiomgd:Domain

orth:organism

0.6

遺伝子

orth:geneorth:Genembgd:uniprot

up:Proteingoa:goa

go:0009288

Input	門GOアノテーション “bacterial ﬂagellum” (withexperimental evidence in E.coli) からオーソロ
グ遺伝子を検索し、さらに各遺伝子がどのような生物に存在するかを取得した。

Cluster 13421, fliE
Cluster 13359, flgC
Cluster 9881, fliF
Cluster 13143, flgK
Cluster 7460, fliC
Cluster 13735, fliM
Cluster 7268, flgG
Cluster 13942, fliS
Cluster 7269, flgE
Cluster 14098, fliD
Cluster 12897, fliG
Cluster 14760, flgI
Cluster 14931, flgH
Cluster 7459, flgL
Cluster 13270, flgB
Cluster 12237, fliR
Cluster 11590, fliN
Cluster 12220, fliQCluster 14236, fliH
Cluster 15273, flgJ
Cluster 17093, cheZ
Cluster 19112, fliO
Cluster 36754, flhE
Cluster 13419, flgJ
Cluster 20649, fliJ
Cluster 23561, ycgR

Output	Input	

Bacteroidetes (57)

Output	

分類群(門)

Chlamydiae (6)Color Key:organism

orth:member

異なるオーソログデータベース間での比較

+	02

1

1302

11422211362

6

35189

563

702

100221136435189

543

702

100221126435186

53370211422211361035142

563

70211322210362435188563

76211322211362536194

563

76211322211362536192

563

7621132221136263

6194

563

7600

1222211258436142

463

2000002211220000175

563

7000000011300001260033000100210010021180001000000010000002300000410500000023103105100000000000000000103

00000000000000000059

0000

orth:OrthologGroup

orth:OrthologGroup

orth:member

orth:member

mgd:Domain

orth:SequenceUnit

orth:member

orth:member

mbgd:domainBeginmbgd:domainEnd

1

orth:geneorth:crossReference+414

ドメインの位置

orth:Geneorth:crossReference
orth:SequenceUnit

遺伝子からRefSeqやUniProtへのクロスリファレンスを利用することで、MBGDとeggNOGとの間でクラスターを対応付けることができる(orth:crossReferenceは、mbgd:uniprot等の上位クラス)。
SPARQLを用いて、それぞれのデータベースで定義されたドメインどうしがオーバーラップしているかを確認したうえで対応を付けた。

flgI, flgH は、いくつかの門で欠けている。これらは、それぞれ P (peptideglycan) リング L (lipopolysaccharide) リングを構成するタンパク質で、厚いペプチドグリカン層を持ち外膜を持たない グラム陽性菌 (+) の特徴を反映した存在パターンを示している。	
fliR, fliN, fliQ, fliH は、運動性のない Chlamydiae にも存在するという特殊なパターンを示している。これらは、type III secretion
system を構成するタンパク質で、細菌の鞭毛とは進化的な関連性があるが、独自の機能を持っている。	

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