トーゴーの日シンポジウム2011 ライフサイエンス分野のデータベース統合の“カタチ”を探る 2011.10.5 日本科学未来館みらいCANホール

ゲノム情報に基づく植物データベースの統合
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中谷明弘 *・平川英樹 ・中村保一 ・田畑哲之 （新潟大学 ・かずさDNA研究所 ）
Licensed under a Creative Commons表示2.1日本 license© 2011 中谷明弘・平川英樹・中村保一・田畑哲之

わが国の植物分子遺伝学研究はこれまで国際的に高く評価される優れた成果を挙げており、そこに含まれるゲノム解析関連データやリソース情報はデータベース（以下DB）を通して公開されている。しかし、モデル材料から農作物まで多種多様な植物を対象とする多くのDBが散在するため、全体として統一感が無く国際的なプレゼンスも十分に示されない状態となっている。
また、DNAマーカーや連鎖地図など遺伝子同定や育種を行う上で重要な情報は文献上に留まっているものが多い。そこで、以下の４項目の研究開発を一体として進めることによって、国内に存在するゲノム情報および周辺情報を有機的に統合し、その結果わが国の植物ゲノム関連研
究の成果を海外から「目に見える」形にするとともに、植物研究のより一層の進展に貢献することをめざしている。

ポータル
サイト・
横断的検索

（１）遺伝子オルソログDBの構築とそれに基づく植物ゲノムDBの統合（２）DNAマーカーおよび連鎖地図情報に基づく植物ゲノムDBの統合（３）植物リソース情報DBの統合（４）植物研究に関連する情報基盤の構築

DNAマーカー
連鎖地図情報

植物研究
情報基盤

植物リソース
情報DB

アミノ酸配列植物リソース

KDRI

形質関連ローカス
より高次元なデータ

NBRP

文献・オミックス情報（植物事典）

RIKEN BRC
NIAS
Genebank

DBのデータベース

䩺䩺䩺	（１）遺伝子オルソログDB

遺伝子オルソログDB（２）DNAマーカー・連鎖地図情報（３）植物リソース情報DB
日本の植物ゲノム研究

植物ゲノムDBの統合
ホモロジーによる相互リンクNWの構築

関係したDBエントリを相互にリンク
相互リンクに遺伝子の翻訳アミノ酸配列の類似関係を利用
相互リンクネットワークの探索に基づいた動的な検索

多様な植物からゲノム関連情報を収集

遺伝子オルソログDB

Veg Marksハクサイ・ネギ・メ
ロン・キュウリ・ナ
イネ
ス・トマト（農業生物資源研究所）（野菜茶業研究所）
Q-TARO

ゲノム構造・機能情報
植物、農作物のゲノム塩基配列

本研究開発
・オルソログDB・オミックス情報

タバコ、ゼニゴケ葉緑体（1986年）
シロイヌナズナ
イネ

アミノ酸配列が類似した遺伝子のクラスタを事前に計算（DB化）
アミノ酸配列間の類似度による階層的クラスタリングで生成

オオムギ
有用形質に関わる連鎖地図上の座位とゲノム情報との一体化をめざしたシステムの研究開発→ オルソログ間の階層関係も生成 → 機能分類に相当
DBや文献、総説からの情報
階層構造の抽出

２つの階層構造に基づいた検索
オルソログ間の階層関係

機能分類や進化系統の階層構造を種間の階層関係反映させた植物DBの統合

・シークエンサー性能の向上によるDNAマーカー、連鎖地図情報の蓄積
・QTL情報・育種プロセスの加速
・ゲノム構造比較
・ゲノム構造類似性を利用した育種プロセスの加速

Suppl. table
マーカーリスト
QTL情報

可視化ツールと半自動的な更新システム
計算機による自動構築DB

DB
DB

DB
DNAマーカー
連鎖地図
QTL

コムギ

→ 同一クラスタ内の遺伝子（オルソログ）を相互リンク

ゲノムcDNA
Omics

ミヤコグサ
ヒメツリガネゴケ
ヤトロファ

種間の階層関係へのマッピング → 進化系統に相当

DB

主要な植物についての国内DB（例）

DBDB

文献

文部科学省
ナショナルバイオリソースプロ
ジェクト (NBRP)

理化学研究所
バイオリソースセンター
（BRC）

農林水産省
農業生物資源ジーンバンク(NIAS Genebank)シロイヌナズナ、イネ、コム
ギ、オオムギ、藻類、広義キク属、アサガオ、ミヤコグサ、ダイズ、トマトの各種バイオリソースの収集と配布

シロイヌナズナ、ヒメツリガ
ネゴケ、ポプラ、キャッサバ
等の完全長 cDNA ライブラ
リー、種子や培養細胞系の維持・配布

穀物、豆類、牧草を中心に数万点以上のバイオリソースの保存・配布

データベース統合の概念図（４）植物研究情報基盤

遺伝子ID（アミノ酸配列）をタグとしてDBエントリ間をリンク

対象DBの例

オルソログDB検索の結果：遺伝子IDの集合（階層関係つき）
・リソースDBのエントリへ(から)リンク

全ゲノム配列を解読、もしくは解読中の植物を対象とした総合情報DBの構築
遺伝子ID（アミノ酸配列）

遺伝子間の階層関係による相互リンク
DBDB

ゲノム解析手法

基本情報
生理学、分類学、生態学、育種学上の特徴など

ホモロジーDB
階層的クラスタリング

シークエンサーの種類、アセンブル手法、遺伝子抽出手法、機能予測法など
ゲノム配列活用の利便性の向上

植物・産業植物の知識の集積

オルソログ間の階層

オルソログDB
遺伝子間の階層的な相互リンク情報
種間の階層
アブラナ科
双子葉
マメ科
植物

DBや文献、総説による情報収集

網羅的ホモロジー検索

DB

かずさ保有DB･･･

アミノ酸配列DB

クエリー

各センターがもつこれらの情報を横断的に検索できるように整備しわが国の植物研究をさらに推進させるための基盤として機能させる

単子葉
イネ科

･･･
遺伝子間の階層関係

国内外の植物オミックス研究DBのリンク情報の整理

階層的な検索ゲノム

シロイヌナズナ
ミヤコグサ
タルウマゴヤシ･･･

イネ

シロイヌナズナ
ゲノム、トランスクリプトーム（理化学研究所）

イネ・31種の植物ゲノム、トランスクリプトームなど（農業生物資源研究所）
マーカー、比較地図、QTL、種情報など実用化に有効なDB

ミヤコグサ、ダイズ
ゲノム、表現型（NBRP）

トウモロコシ

横断的検索ができるポータルサイトの構築

ヒメツリガネゴケ

蘚苔類
･･･

マッピング

オルソログ

アミノ酸配列

情報探索の利便性の向上によるゲノム関連研究の効率化を図る

・ミヤコグサゲノム塩基配列情報
・ヤトロファゲノム塩基配列情報
・トマトゲノム塩基配列情報
・ユーカリゲノム塩基配列情報
・植物EST配列情報（ミヤコグサ、スサビノリ、トマト、クローバ、ヤトロファ、ユーカリ ）・植物DNAマーカー情報（ミヤコグサ、ダイズ、クローバ類、トマト、ラッカセイ ）・クローバ類ゲノム関連情報
・KazusaAnnotation（ソーシャルブックマークによる植物と関連微生物の文献情報集積データ ）・KazusaMart（植物と関連微生物ゲノムのゲノムスケールの遺伝子情報管理システム）

協力機関保有DB・農業生物資源研究所イネゲノム関連データ
・理研バイオリソースセンター実験植物開発室保有植物関連データ
・理研植物科学研究センター保有データ
・遺伝研ナショナルバイオリソースプロジェクト関連リソース情報
・ヒメツリガネゴケ関連データ
・ゼニゴケ関連データ

遺伝子オルソログDBの実装（１）生物種ごとにアミノ酸配列をFASTA形式でDB化（NCBI/RefSeqやKEGG/GENES）（２）系統関係を生物種間に定義（NCBI/taxonomyなど）（３）N Nの配列類似情報をDB化（BLASTやSW search）（４）配列類似情報を用いて系統関係を遡る向きにクラスタリング- 生物種内でクラスタリング → パラログクラスタ- パラログクラスタを株レベルでクラスタリング → 株レベルクラスタ- 株レベルクラスタを種レベルでクラスタリング → 種レベルクラスタ- 種レベルクラスタを科レベルでクラスタリング → 科レベルクラスタ･･･

Poaceae（イネ科）レベルまでに得られたクラスタ数
パラログ	  アミノ酸	  再帰的にクラスタリング
クラスタ数	  配列数	  BEP clade25,347

自動化

Poaceae49,613（２）NCBI/taxsonomy (names.dmp & nodes.dmp)	

（１）NCBI/RefSeq (*.faaファイル)
KEGG/GENES (*.pepファイル)	

25,34728,453O.Sativa

PACMADclade
33,413

17,505

22,152

Z.mays27,58433,002

S.bicolor

58,76070,436

83,607※クラスタ数は単独の配列からなるものも含む（数字はβ版データによる）クラスタ（階層的なオルソログ）の例

アミノ酸配列情報を取得（wget）	  →	  DB化・配列ID管理	

#269	  4	  A.10356	  B.15144	  osa:4343583	  	  	  	  	  	  Os07g0558400;	  K08915	  light-­‐harvesIng	  complex	  II	  chlorophyll	  a/b	  binding	  protein	  4	  zma:100216729	  	  	  	  hypotheIcal	  protein	  LOC100216729;	  K08915	  light-­‐harvesIng	  complex	  II	  chlorophyll	  a/b	  binding	  protein	  4	  zma:542478 psb29,	  cp29;	  photosystem	  II	  subunit29;	  K08915	  light-­‐harvesIng	  complex	  II	  chlorophyll	  a/b	  binding	  protein	  4	  （KEGGによるアノテーション）
sbi:SORBI_02g036260	  	  	  	  	  hypotheIcal	  protein;	  K08915	  light-­‐harvesIng	  complex	  II	  chlorophyll	  a/b	  binding	  protein	  4	  系統関係情報を取得（wget）	  →	  DB化・TAXID管理	

BEP.15144	  Poaceae.269	  ↑このようなクラスタが49,613ある

必要に応じて	  動的に生成	
O.sativa

イ
ネ
科S.bicolor
Z.mays

クエリ生成	 Blastp/ssearch	
1×Nの検索をN回	
query
query
query
query

（３）生物種対ごとに集計→ DB化	
Z.mays
×S.bicolor

Bit値/E値/RBH等でフィルタリング	

PACMAD.
10356	  O.saIva.15144	  Z.mays.3122	  S.bicolor.9022	  zma:100216729	  zma:542478	  sbi:SORBI_02g036260	  #612	  15	  B.731	  A.81	  B.730	  osa:4326552	  	  	  	  	  	  Os01g0743500;	  K00029	  malate	  dehydrogenase	  (oxaloacetate-­‐decarboxylaIng)(NADP+)	  [EC:1.1.1.40]	  sbi:SORBI_03g003220	  	  	  	  	  	  hypotheIcal	  protein;	  K00029	  malate	  dehydrogenase	  (oxaloacetate-­‐decarboxylaIng)(NADP+)	  [EC:1.1.1.40]	  sbi:SORBI_03g003230	  	  	  	  	  	  hypotheIcal	  protein	  sbi:SORBI_09g005810	  	  	  	  	  	  hypotheIcal	  protein;	  K00029	  malate	  dehydrogenase	  (oxaloacetate-­‐decarboxylaIng)(NADP+)	  [EC:1.1.1.40]	  zma:542233	  	  	  	  	  	  	  me3,	  NADP-­‐ME;	  NADP	  malic	  enzyme3	  (EC:1.1.1.40);	  K00029	  malate	  dehydrogenase	  (oxaloacetate-­‐decarboxylaIng)(NADP+)	  [EC:1.1.1.40]	  zma:542331	  	  	  	  	  	  	  me2;	  NADP-­‐dependent	  malic	  enzyme	  (EC:1.1.1.40);	  K00029	  malate	  dehydrogenase	  (oxaloacetate-­‐decarboxylaIng)(NADP+)	  [EC:1.1.1.40]	  zma:100284598	  	  	  	  NADP-­‐dependent	  malic	  enzyme	  (EC:1.1.1.40);	  K00029	  malate	  dehydrogenase	  (oxaloacetate-­‐decarboxylaIng)(NADP+)	  [EC:1.1.1.40]	  zma:100286036	  	  	  	  AY104511;	  LOC100286036;	  K00029	  malate	  dehydrogenase	  (oxaloacetate-­‐decarboxylaIng)(NADP+)	  [EC:1.1.1.40]	  zma:542209	  	  	  	  	  	  	  me4;	  NADP	  malic	  enzyme4	  (EC:1.1.1.40);	  K00029	  malate	  dehydrogenase	  (oxaloacetate-­‐decarboxylaIng)(NADP+)	  [EC:1.1.1.40]	  sbi:SORBI_03g034280	  	  	  	  	  	  hypotheIcal	  protein;	  K00029	  malate	  dehydrogenase	  (oxaloacetate-­‐decarboxylaIng)(NADP+)	  [EC:1.1.1.40]	  sbi:SORBI_05g021742	  	  	  	  	  	  hypotheIcal	  protein	  osa:4324717	  	  	  	  	  	  Os01g0723400;	  K00029	  malate	  dehydrogenase	  (oxaloacetate-­‐decarboxylaIng)(NADP+)	  [EC:1.1.1.40]	  osa:4338007	  	  	  	  	  	  Os05g0186300;	  K00029	  malate	  dehydrogenase	  (oxaloacetate-­‐decarboxylaIng)(NADP+)	  [EC:1.1.1.40]	  osa:4326769	  	  	  	  	  	  Os01g0188400;	  K00029	  malate	  dehydrogenase	  (oxaloacetate-­‐decarboxylaIng)(NADP+)	  [EC:1.1.1.40]	  osa:4330239	  	  	  	  	  	  Os02g0665000	  （４）系統関係を遡及しながら再帰的にクラスタリング → DB化	BEP.730	  O.saIva.730	  osa:4324717	  osa:4338007	  osa:4326769	  osa:4330239	  BEP.731	  O.saIva.731	  osa:4326552	  Z.mays.12221	  Poaceae.612	  PACMAD.81	  階層的なオルソログDB	

osa:4343583	  zma:100284598	  zma:100286036	  Z.mays.12222	  zma:542233	  zma:542331	  Z.mays.17113	  zma:542209	  S.bicolor.
10105	  sbi:SORBI_03g003220	  sbi:SORBI_03g003230	  sbi:SORBI_09g005810	  S.bicolor.
10106	  sbi:SORBI_03g034280	  sbi:SORBI_05g021742