糖鎖科学における研究データ管理

第 3 回 SPARC Japan セミナー2019

糖鎖科学における研究データ管理
山田 一作（野口研究所）

講演要旨
糖鎖科学コミュニティーにおいて塩基配列やタンパク質のリポジトリは利用できたが糖鎖構造のリポジトリはなかった。2013
年に中国・大連において開催された国際会議において、糖鎖科学研究において糖鎖構造の明確化について議論された。この会議の結果、糖鎖構造のリポジトリを構築し糖鎖構造に固有のアクセッション番号を付与することが合意された。そし 2014 年 8月に国際糖鎖構造リポジトリ GlyTouCan が公開された。また、糖鎖科学では質量分析法により糖鎖構造を解析するが、その際に生成するデータも重要であり、これらのリポジトリとして UniCarb-DR および GlycoPOST が開発された。UniCarb-DR は質量分析データを解析したピークリストなどのリポジトリであり、GlycoPOST は、質量分析の実験法や生データのためのリポジトリである。本発表ではこれらのリポジトリの開発の経緯なども含めて紹介したい。

山田 一作
公益財団法人野口研究所インフォマティクスプロジェクトリーダー。1997年に東京都立大大学院工学研究科にて博士号取得。2002年から野口研究所研究員、2006年から同所にて糖鎖科学研究を開始
し、糖鎖構造表記法、オントロジー、データベースなど糖鎖インフォマティクス研究に従事している。

自己紹介＋αい、やりがいがあるものだと思いまして、結局今も何

今日は、糖鎖科学の領域の研究データをどうやって扱っているのかという糖鎖の領域のお話で、図書館のとかこの分野を良くしていきたいという思いで続けています。

方たちと少し違うのですが、図書館の方や他の領域の難しいという一つには、化学が決して簡単なわけで方の意見を聞きながら、より良いものにしていきたいはないということもあるのですが、例えば化学だと炭と考えています。

素を表すのに元素記号で C と書けば間違いなく炭素

私は学生のときから有機化学を専攻していて、野口だという認識があります（図 1）。肩に 12 と書くと同研究所に入って糖鎖科学を始めました。有機化学の中位体表記があるという共通認識があります。それは世にも糖鎖構造はありますが、糖鎖科学は少し特殊とい界共通だと思います。そういう世界でずっとやってきうか、私としては取っ付きにくかった領域で、すごくたのですが、では糖鎖科学ではどうなっているかとい難しいものだと考えていました。しかし、有機化学をうと、糖鎖の化学の人たちは元素記号を使って化学構学んでいたので化学構造には馴染みがあり、それを中造式を書いたりします。ただ、サイエンスとなると、心に糖鎖科学を見ていくと、難しいのですが実は面白

化学以外にも生物や医学などさまざまな人が絡んでき

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糖鎖科学における研究データ管理ます。そういう人たちが集まってグルコースといったます。グルコースといったときに、生物の方などは生ときに、国際純正・応用化学連合（IUPAC）では Glc

体内に一般的にあるような D-glucose を思い浮かべまと書くと決まっているのですが、これでいいのか。駄すが、D-glucose も化学構造式が載っていません。そ目かといわれると「いいんじゃない？」という答えがれは、グルコースにも、環状になっていたり、直鎖状大体返ってくるのですが、化学から見ると Glc の化学になっていたり、さまざまなパターンがあるからです。

構造式はどのようなものなのかが気になります。

そういうところが明確に記載されていないと、さらにGlc はグルコースだと考えると、図 2 は欧州バイオ

グルコースの細かいデータを付加していかないと情報インフォマティクス研究所（EBI）の ChEBI というデが正確ではないことになります。そんなところが私とータベースですが、丸で囲ったところにグルコースがしては非常に面白いです。

あります。化学構造式で書けるものに関しては四角の今日の内容は、最初に、糖鎖とはどのようなものな左側に化学構造が記載してあります。しかし、化学構のか。その後に、糖鎖科学における研究データとはど造式で書けないもの、非常に書きにくいものに関してのようなものか。そして、私自身が構造に興味を持っは構造の記載がありません。ているということもあり、糖鎖の構造と、糖鎖科学にグルコースといった場合に、非常に曖昧な部分が含おける標準化・共通化の取り組み、そして、それらをまれていて、その部分を明確に表すことができません。

使って糖鎖科学でデータを保管するリポジトリを作っグルコースには D 体と L 体という鏡像異性体がありているので、その利用を含めてご紹介したいと思います。

糖鎖の機能
図 3 は糖鎖の機能の一例です。糖鎖は単体で機能することもありますが、蛋白質や脂質と複合体を形成して機能することも知られています。蛋白質や脂質は水溶性ではないものが多いのですが、そこに糖鎖という水溶性が高いものが付加すると溶解性が増して、その付き方によって機能が変わっていきます。また、蛋白（図 1）

質に糖鎖が付くのですが、その糖鎖の構造が変わることによって、蛋白質の品質管理を行っています。

（図 2）

National Institute of Informatics（図 3）

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二つ目の機能は、細胞間の情報伝達に使われている話をしたいと思います。ということです。糖鎖は細胞の表面に非常に多く存在先ほど糖鎖の構造データということで、Glc（グルし、細胞間の認識や接着に関わっています。病原体のコース）の話をしました。その文字列の表記方法とし認識や、がんによって糖鎖の構造が分かるといったこては、図 5 の IUPAC の下に長い文字が書いてありまとがよく知られています。

すが、このような表記法がよく使われます。それ以外三つ目の機能は個の識別です。糖の話をするときによく出てくるのが ABO の血液型の話です。この血液に、この構造の糖鎖はこういう名前ですよという名称がいろいろ付いています。

型は糖鎖の構造が異なることによって型が決まってい左下のカラーのものは単糖のシンボルが複数つながるので、私から見ると糖鎖の構造が非常に重要だといって糖鎖になっていますし、真ん中の画像のような元うことになります。

素記号を使った化学構造式や、シミュレーションで使糖鎖の分野における研究の手法を全て網羅することわれる三次元構造など、さまざまな構造データがありはなかなか難しいですが、例えば図 4 のようなものがます。こういうものが論文などいろいろなところにばあります。合成で糖鎖を作るとなると、化学合成や酵らばらに存在しています。全て一つの糖のことを表し素合成という方法が行われています。あとは分析です。ているのですが、分野によって、自分たちに一番分か例えば糖鎖の構造を解析したり、各種の相互作用や機りやすいように書き表し方が違っています。しかし、能を見ていく、そして糖鎖の局在などをイメージングデータを見る上では、どれかを見たときに他のデータするということが行われています。

も見えるようにならないといけないということがあり、糖鎖の研究では、どのような糖がどのような機能になっているのか、どういう相互作用があるのかというこれらのデータをうまく扱っていけるような仕組みが必要です。

ことが重要になってきて、一つの鍵として糖鎖構造と糖鎖科学における標準化いうものが考えられます。

そういった中で、糖鎖科学における標準化、共通の糖鎖の構造言葉やルールをつくっていこうという動きがあります

合成や分析などいろいろな研究があるのですが、糖（図 6）。JIS Z 8002:2006（標準化及び関連活動－一般鎖の構造とその構造を決めるための分析データが、糖的な用語）における標準化の定義には「最適な秩序を鎖研究の中でも重要な位置にあります。それ以外も非得ることを目的として」と書いてあります。標準化は、常に重要なのですが、今回は構造にフォーカスしたお相互理解や互換性の確保、品質、正確な情報という点

（図 4）

（図 5）

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で非常に重要であり、糖鎖の分野でもそういうところ自身、その構造に興味を持っているので、一時期、学を意識した取り組みを行っています。その取り組みの会のポスターや講演で糖鎖の研究者の人たちがどんな中で、糖鎖構造の記号について、それから Glc などの記号を使っているのか、SNFG の前には CFG、オッ

文字列表記について、そして、糖鎖のガイドラインづクスフォード、IUPAC などいろいろな記号があるのくりや、糖鎖構造に ID を付けてひも付けることで全で、それぞれ統計を出していたのですが、非常にばらてが同じであることを示す仕組みづくりに取り組んでばらでした。それがだんだん統一化されてきています。

きています。

普及啓蒙活動が功を奏していると思うのですが、昨年

図 7 は糖鎖構造で使う記号で、糖鎖と単糖です。こ

参加した学会では、かなりの人たちがこれに従っていれを糖鎖の領域でみんなで使っていきましょうというる、またはこれに近い形で書くようになっていました。

流れになっています。これは日本だけではなくアメリ次は文字列表記です。IUPAC などで糖鎖を表現す

カの国立生物工学情報センター（NCBI）や国立衛生るときがあるのですが、糖鎖の構造のデータ管理をす研究所（NIH）などの人たちが主導しているのですが、るときに、やはりコンピューターを使って糖鎖の構造それにいろいろな形で世界の研究者が関わり、いろいを表せないとなかなか管理が難しいです。そういうとろなルールを決めていき、そしてワーキンググループ

きに、国際糖鎖構造リポジトリを作ることになったので、この記号についてどうするかという議論が行われですが、そのときに使える糖鎖構造を表すユニークなています。その中で、最初に 2015 年に、このように文字列が 必要 だという こと で開発が 始ま ったのが糖鎖の記号を表しましょうという論文が出ました。そWeb3 Unique Representation of Carbohydrate Structuresの後もアップデートされるごとに論文を出すと同時に、（WURCS）です。ユニーク性があるので、同一の糖研究者たちがインターネットでフリーで見られるよう鎖構造かどうかが、この文字列を使うことによって判な形で情報を提供しています。

断できるようになってきています。糖鎖の構造は、分これだけ見ると、糖の領域はこのように書いてあれ

岐構造、繰り返し構造、環状構造、分岐とリピートがばみんな分かるではないかというイメージを持つかもあるなど非常に複雑です（図 8）。化学構造と化合物しれません。しかし、私が 14、15 年前に糖の領域のは、ある意味似ているものがあります。既に DDBJ と学会に行ったときには、この記号がポスターやスライいう塩基配列のリポジトリなどでは配列で書けるので、ドによってみんなばらばらだったのです。このグルコ

そういうものは比較的やりやすかったのですが、そうースは青で書いてありますが、赤の丸がグルコースという方法が糖鎖では取れなかったので開発したのがいう脚注があるポスターなども何割かありました。私WURCS です。

（図 6）

National Institute of Informatics（図 7）

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一例をお示しします。図 9 は Protein Data Bank

す。実験をどのようにするかというものではなくて、（PDB）です。蛋白質の立体構造のリポジトリですが、実験結果を正しく解釈して再現できるようにする。論

蛋白質と三次元の SNFG という表記方法で書いたも文化されたデータを誰でもきちんと再現できるようにのがあると、この蛋白質に糖鎖が付いていて、この糖する。そのためにはどんな情報が必要かということを、鎖が何なのだろうと取り出したときに、糖鎖の SNFGMIRAGE のグループに世界中の研究者たちが参加し記号で表すことができ、原子レベルで三次元で表すこて議論し、いろいろなガイドラインが作られています。とができます。WURCS という表記法に変換することそのガイドラインに従って論文やデータベースを利用で同じものだと確かめることができ、他のエントリーしていきましょうという動きがあります。などで同じ糖鎖の構造があれば、同じ文字列になることが保証できるというものです。

MIRAGE のガイドラインは糖鎖の実験のガイドラインで、サンプルの調整方法、質量分析の実験、マイこれまで標準化・共通化の話をしてきました。少しクロアレイの実験、液体クロマトグラフィの実験など毛色が違いますが、ガイドラインが糖鎖科学の領域でについて定めています。来月にもまた MIRAGE の会作られてきました。Minimum Information Required for A

議が開かれて、新しいガイドラインについて検討されGlycomics Experiment の頭文字を取って MIRAGE といます。このように必要に応じてガイドラインを作って、うプロジェクトなのですが、目的としては、文献の糖それを領域で利用していこうという動きがあります。

鎖関連データの品質を向上させましょうというもので

図 10 は、糖鎖構造に対して ID を付加してあげようという話です。糖鎖構造にはたくさん書き方がありますが、それに対して ID を付けてあげると、全部同じものだということが分かります。そのためにWURCS という文字列を作ってきましたが、その基になったのは 2013 年に中国の大連で開催された ACGGDB の会議でした。日本をはじめアメリカ、オーストラリア、ドイツ、ロシア、中国、韓国、台湾の人たちが参加し、糖鎖のデータベースやリポジトリ、アクセッション番号が必要だろうという議論がなされました。

（図 8）

それ以前にもこういう議論はされていましたが、この会議において、具体的に国際的なリポジトリを 1 個作

（図 9）

National Institute of Informatics（図 10）

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糖鎖科学における研究データ管理ってみんなで利用していきましょうという合意が得らに対するリポジトリです。世界中の研究者が自由に登れました。データの範囲としては、糖鎖の構造と登録録・利用できるようにしています。研究者には糖鎖構者、登録日ぐらいのシンプルなリポジトリを作り、そ造を書くためのウェブツールを提供しています。それ

れを利用しようということになりました。

を使ってここでお絵描きをして登録ボタンを押すと、GlyTouCan のシステムが働いて、アクセッション番号

糖鎖科学のリポジトリを研究者に返すという形になっています。先ほどの研究者が実験をして糖鎖の構造などのデータを登録

WURCS という表記法や GlycoCT、IUPAC など複数のすると、リポジトリはその構造を見て適切なアクセッ構造でデータを入力しても、同じようにアクセッショション番号を研究者に発行します。研究者は、このアン番号を返すというシステムです。

クセッション番号を論文に記載することにより、どん図 12 は GlyTouCan の中身です。先ほど言ったような糖鎖を用いたかを明確にします。一方で、それ以外に研究者がお絵描きをして、その構造を GlyTouCan のの研究者たちは、論文を読んで、そこにアクセッショ中に投げ込みます。例えば GlycoCT という表記方法

ン番号が記載されていると、このアクセッション番号のものを GlyTouCan のシステムで WURCS という表記を基にリポジトリのデータを見ます。論文には自分に方法に変換したり、SNFG 記号のイメージを作ったり、馴染みのない構造で書いてあったとしても、リポジト

オックスフォード、IUPAC というさまざまな表記方

リを見ると、自分にとって分かりやすい表記がされて法で糖鎖構造を表現します。あとは WURCS という文います。そうすることで、どんなものを扱っているか字列が GlyTouCan の中にあるかどうかを検索して、もがよく分かるという仕組みです。

しあれば、その構造は既に登録されているので、そのこのようなリポジトリとして、GlyTouCan という糖アクセッション番号を研究者の方に返します。なけれ鎖構造のリポジトリを作りました。それから、ば、新しいアクセッション番号を発行して研究者に返UniCarb-DR と GlycoPOST という二つのリポジトリがすという形になっています。

あるのですが、これは最初の頃にお話しした糖鎖構造

図 13 は、UniCarb-DR というアノテーションした質を決めるための質量分析に関するデータを保存するた量分析データのリポジトリです。MIRAGE のガイドめのリポジトリです。これらのものを、標準化を利用ラインに、サンプル調整の方法、どういう条件で測定して作っています。

したか、スペクトルのピークデータなど、アノテーシ

まず GlyTouCan に関してです（図 11）。これは国際ョン済みのデータを登録することができます。この糖鎖構造リポジトリといって、世界で唯一の糖鎖構造

MIRAGE のガイドラインに沿ったデータをウェブの（図 11）（図 12）

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6糖鎖科学における研究データ管理インタフェースで書き、それをエクセル形式でエクスポートすることができます。

次に、分析データのリポジトリです（図 16）。アノテーションが付いているデータを、UniCarb-DR とい図 14 は GycoPOST というリポジトリです。こちらうリポジトリから UniCarb-DB というデータベースにも質量分析データのリポジトリで、MIRAGE のガイ

データをインポートするときに、糖鎖構造にドラインに従ってメタデータ等を作っていき、GlyTouCan のアクセッション番号を付けて UniCarb-

UniCarb-DR で作られたエクセルデータをインポートDB の方に持ってきてデータベースを整理します。

して利用することもできます。違いは、測定したとき

UniCarb-DB の方では GlyTouCan のアクセッション番に機械から出てきた生データです（図 15）。UniCarb-号が付いているので、糖鎖の研究者たちはどんな糖鎖DR は、人がアノテーションしたデータを入れるリポ構造なのかがよく分かるようになっています。

ジトリですが、GycoPOST はアノテーションされてい図 17 のように、GlyTouCan という糖鎖構造のリポ
GlyCosmos 、ない、生で機械から出てきたデータをそのまま入れてジ ト リ を 作 っ て 、 そ れ をいるリポジトリです。これらは、MIRAGE のガイド

Glycomics@ExPASy 、GlyGen という、日本、スイス、ラインに従ってそれぞれアノテーションされたデータアメリカのプロジェクトが共通して利用していきましと生のデータが作られているので、そのメタデータにょうということで、糖鎖領域の三つのプロジェクトでは互換性があり、それぞれのデータを参照することがGlySpace Alliance をつくり、データの共通利用やライできます。

センスについてみんなで協力していく形になっていま（図 13）（図 15）（図 14）（図 16）

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7糖鎖科学における研究データ管理
す。それ以外にも、糖のデータベースや、先ほどのPDB、PubChem Compound のデータベースなどに対しても GlyTouCan のアクセッション番号を付けることに●フロア 1

よって、いろいろな領域において糖鎖の構造がどのよ

物理屋からすると、とてつもなくたくさんのバリエーうなものかが分かるような取り組みをしています。

ションがあって気が遠くなるような話ですが、糖鎖以高エネルギー加速器研究機構の職員です。

外にもさまざまな物質が世の中にはあると思います。

まとめ

それらの標準化を世界的に統括するような仕組みはあ

糖鎖科学におけるデータ管理のために、標準化・共るのでしょうか。例えば物理だと、国際純粋・応用物通化をして、糖鎖の記号と文字列表記を決めてアクセ理学連合（IUPAP）という国際的な委員会のような組ッション番号を付け、品質向上のためにガイドライン

織が大きなことを決めていくのですが、化学の世界でづくりを行ってきました。これらの標準を使って、も、例えば幾つか流儀があったときに統括したり、足GlyTouCan、UniCarb-DR、GycoPOST の各リポジトリ

りないところを補ったりするような、仕切る組織があを運用・連携しています。これらの整備によって、リるのでしょうか。

ポジトリとデータベースを利用した正確な研究データが利用可能になっています。

●山田

まず化学の方では、IUPAC で元素記号のル

これらのプロジェクトは、GlyTouCan に関しても現ールが明確に決められており、糖鎖の方では国際生化在進行形で研究開発しており、まだまだいろいろな問学・分子生物学連合（IUBMB）と IUPAC が連携して題があります。ユーザのサポートをしなければいけな命名法のガイドライン的なものを出していますが、そいなど、運用でも大変なところはありますが、糖鎖のれだけでは対応できないものが結構あります。あまり研究者に役立つような環境を提供していきたいという悪口を言っては良くないですが、お医者さんで、化学ことで、私だけではなく、日本だけではなく、世界の構造式で書いても分からない人、名前で書いても分か研究者が協力して糖鎖領域のデータを良くする取り組らない人、分野ごとに自分たちが分かればいい、それみをしています。

で研究が済むという領域の人たちは、それ以外のことは必要ないけれども、論文を読んだときにそれが何なのかが分からなければいけないので、それをどうするか。糖鎖の中でそれができていないということで、大連で開催されたミーティングでそれを明確にしようという動きがありました。
糖鎖の領域には幾つか学会がありますが、学会主導でガイドラインを作るというよりも、ある程度コミュニティが主導になって、「これが必要だ」という動きになる場合が多いです。

（図 17）

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