トーゴーの日シンポジウム2016
東大弥生講堂, 5 October 2016

生命科学におけるデータサイエンスの課題 と PDB
中村 春木
大阪大学蛋白質研究所

harukin@protein.osaka-u.ac.jp
http://pdbj.org/, http://wwpdb.org/
Licensed under a Creative Commons表示4.0国際 license(c)2016 中村春木（大阪大学蛋白質研究所）

),*%

</2C3-LQHEPSir Isaac Newton(1642-1727)

3=LQHEP#
11.3 PF (T

理化学研究所計算科学研究機構ホームページから

4=LQHEP
JRG (- or –() WisdomKnowledge
Information
DataAI DIKW NQOIK(J. Rowley: The wisdom hierarchy, 2007)
JRG(Data)139-C 0B,JRG
$D79&36 SInformationT:3,
5="<A796;!SKnowledgeT=
D44@, SWisdom):39'"D.

:>8-6MIFJRG?

データ科学の課題
データが無ければ問題解決はできない（より正しくは）
正確なデータが無ければ問題解決はできない・使われるデータは正しいのか？
→データの客観的なvalidationの仕組みが必要
・使われるデータは最新か？
→データのversioningの仕組みが必要
・正確なデータが無い場合はどうするか？
→実験、シミュレーションにより正確なデータを創出する（シミュレーション結果もアーカイブする）

PDB: Protein Data Bank since 1971
½ħ*V3ªÖ¦ĉvKŚŭƯŵůƗ

15N (ppm)

XFEL & Synchrotron•! X-ray Crystallography(SACLA & SPring-8)
SPring-8)
ÞĩľľĽĩĩľXãD~ĩľĽĩľľľěV^hƝƈƘĩľĽĩľľ4VơƋƩ•! Nuclear Magnetic Resonance (NMR)ă`Śăħ
CryoEM (@IPR)
ÌLřťŨ¢Ì®'ĨưNMRƱƁƛŸƌƩðä
(@IPR)
•! Cryo-Electron Microscopy
1HN (ppm)

3.8 Å *øæĩPfV (Pf Virus-like particle) *VŚůƠƯƀ
ĖPìÅÊƮ]cÈgĿacy²Ŀd8ŚRwřťŨ&:;<:=!0.>?!(@$A!B1!
C6!D+E+8+5+!.9!+F$!(0>>G1
Mw = 7 MDaìÅĂŚlŚƋƯƅƒƬŸƵPDBĹĸĶŚ¬8ĮĴıĭfƵìÅĂÞXŇSşŨľƞŴŹƫƔƬĿƙơŹƫƔƬĿľƨƄƇƯƟŘŗĮĴĲĭfƵĹĸĶĩĒSĩĲưĮĴĲĮfĮĭƱľÚFƗƩƈŸƙƗƬFÖÊÕzľPĖPXìÅĂÊÕzřŅŃŔţľſƌŸƫƟ Ś¦ĉū°ZĽÄďľÌ®ƊƯƘūčeƝƈŸƁĩƛƩƯƉĩH!!
ľľľľľƀƥƬĩźƬƍƨƣƯ!
ư2%A0fƐƯƚƩ1XāƱĩ蛋白質の形のデータバンク：PDB
1980年代：データ登録の急増（国際結晶学会:データ登録が論文投稿の必須条件）
1990年代：RCSB-PDB（米国）が運営を開始
2000年代：wwPDBが設立(2003年）
構造ゲノム科学による構造急増
2010年代：新規の手法が開発
123,000件以上のデータ公開
ビッグ・データの時代へ

Protein Data Bank Japan
http://pdbj.org/
2000年から、国立研究開発法人科学技術振興機構（現在はNBDC）の支援を受けて活動

PDBj スタッフ(2016年4月)

PDBj トップページ（日・英・中・台・韓）PDBj-BMRB スタッフ

The wwPDB (world-wide PDB)wwPDB since 2003

wwpdb.org

第12回 wwPDB 国際諮問委員会
大阪大学蛋白質研究所
2015年10月2日
14wwPDBの各メンバーの活動とサービス• “Data-in” の活動：wwPDBの一員としてデータの高品質を保つ。その目的のため、データ登録法、検証システム、versioningシステム、新規データフォーマットを開発• “Data-out”の活動：共通データのダウンロードサイト（毎週水曜9時にアプデート）の運営、種々のサービスや二次データベースの提供

PDB OneDep (Depositions & Annotations)•! 2016f7ņŦĿY%ŘHJ+ŚÄď(¼ŇĒS
–! RCSB PDB: 32ŭƠƨŵŅ
ťŝŴƂŭƎŭ
–! PDBe: ƦƯƫƈƓŖŭƖƨŵ–! PDBj: ŭƀŭŖ

125K

74K 28K 24K

OneDep: Unified Deposition Portal for the wwPDB wwpdb.org

OneDep: Unified Deposition Portal for the wwPDB 

http://deposit.wwpdb.org/deposition/OneDep: Unified Deposition Portal for the wwPDB

Re-directed to PDBj site
http://deposit-pdbj.wwpdb.org/deposition

PDBj と wwPDBのData-in活動

PDB登録データ件数

120000120000

PDBjで処理された総件数 (27,779, 2016年9月27日)
PDBの総データ件数 (123,021, 2016年9月28日)

100000100000
80000
80000
60000
60000
40000
40000
20000
20000
00122000

34562005

789年

10112010

1213

14

16
17 *2015
2016*

15(*2016年9月28日付)

世界中で決定された構造の約１／４の登録処理をPDBjで実施

22

wwPDBŞŚ:fh­ŚÄď

X-ray
NMREM

NMR
EM
,-./

!"#$%&'%()#*"$"#+,-./)#0"#1%2%345%#6789:;#

研究者番号 ORCID の利用
Open Researcher and Contributor ID
http://orcid.org

ORCIDの例: orcid.org/0000-0001-6690-5863• wwPDB では 2016年4月から利用開始• 2018年には必須項目とする予定

24

データ検証（Validation）レポートの発行と実験データの公開

Validation report のweb公開
登録時に必須とされている実験情報• X-ray: Structure Factor（構造因子）• NMR: 化学シフトと距離拘束情報• EM: 3DEM volume マップ25Validation reportの例

PDB エントリーのversion管理
現行の問題点•

座標更新時には、同一の実験データに由来するものでもPDB IDが変更される→ 論文中で使われるPDB ID と実際に公開されるPDBIDとが一致しない

新規 PDB ID コードの導入（案）•••

分かり易く透明性のあるversion管理による更新データファイル名称“PDB”を先頭につけ、4文字コードも拡張(例：現行の“1ABC” から “PDB_00001ABC”のように変更・拡張)
PDB IDコードの例: PDB_00001ABC_XYZ_V2-2.cif.gz

実装の計画（案）•version管理がなされた新規のPDB IDコードによるftp サイトを公開（ツリー構造として構造情報だけでなく関連する実験情報、メタ情報を含む）• 現行のPDBIDを付けた ftp サイトを継続して公開（最新versionの構造情報のみを公開）
26

PDBの新規フォーマット: PDBx/mmCIF• PDB フォーマット は 40 年以上前に作られ、現在の科学にはうまく合致しない• PDB レコードの限界– 最大 62 本の高分子鎖まで– 最大 99,999 ヶの原子まで– リガンドの結合次数や光学活性（キラリティー）が記載されない– NMR, 電子顕微鏡, ハイブリッド法, etcへの対応が不備– メタデータの記載が面倒であり情報を引き出しにくい• 新規フォーマットでもできるだけ互換性を保つ• 新規フォーマットからPDBフォーマットへの変換サービスを公開• 2014年から開始

Large Structures (434) in PDB•! 2014f12ņŦ, ĐĿ4VŇOŃ large structures śPDB ƖųƯƝƈƌŕ
ś«ôřś&ĒŋũŎPDBx/mmCIF Ņťŝ PDBML ƖŬůƩŕŚŠ&Ē–! A bundle of “best-effort PDB files (PDB bundle)” śĿnņŦŚƤƯž
ŚŐŢřwwPDB FTP ŽůƌņŦ&Ē•! :ĩwwPDB ƠƬƒƯślarge structuresūóŨƉƯƩū
PDBePDBj

4v6x: structure ofhuman 80S ribosome,89 chains, 4 MDaRCSB-PDBWeb-based Molecular
Graphics
D**!3-N,+,!O..P,8!N,!Q.C/C+R.S!KNF.M4F+T!UT+V-*MR!
#23#)4'#5-678#%$!&#9:7;#%'#.<-3=-->

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&.9.T!LNR.J!WF.X!LNR.!
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U.T9/I+,!;.EE.T!
####?HBGKI

MMTF (MacromolecularTransmission Format) compression%+#»íŚPDBřŅŊŨƖųƯƝƈƌPDB (ca. 1974)
PDBx/mmCIF (ca. 1997)
PDBML (ca. 2005)
RDF (ca. 2011)
PDB

PDBx/mmCIF ŕ

PDBx/mmCIFPDBML& RDF

ŚƋƯƅŇÙ¼ŋũŚƖųƯƝƈƌŞN

ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM

12345678910

N
CA
C
O
CB
N
CA
CO
CB

GLN A
GLN A
GLN A
GLN A
GLN A
VAL A
VAL A
VAL A
VAL A
VAL A

393939393940
40404040loop__atom_site.group_PDB_atom_site.id_atom_site.auth_atom_id_atom_site.type_symbol_atom_site.auth_comp_id_atom_site.auth_asym_id_atom_site.auth_seq_id_atom_site.Cartn_x_atom_site.Cartn_y_atom_site.Cartn_z_atom_site.pdbx_PDB_model_num_atom_site.occupancy_atom_site.pdbx_auth_alt_id_atom_site.B_iso_or_equiv
ATOM
1 N
N GLN AATOM
2 CA
C GLN AATOM
3 C
C GLN AATOM
4 O
O GLN AATOM
5 CB
C GLN AATOM
6 N
N VAL AATOM
7 CA
C VAL AATOM
8 C
C VAL AATOM
9 O
O VAL AATOM
10 CB
C VAL AATOM
11 N
N ALA A

24.690 -27.754
23.581 -26.768
23.990 -25.379
25.070 -25.209
23.136 -26.685
23.115 -24.395
23.342 -23.010
24.000 -22.152
23.992 -20.920
22.015 -22.337

24.27524.41623.90523.33025.87824.12223.69024.77824.69223.2751.00 60.76
1.00 60.98
1.00 59.98
1.00 60.25
1.00 60.69
1.00 59.58
1.00 57.26
1.00 56.00
1.00 55.53
1.00 57.32

N
C
C
O
C
N
C
CO
C

PDB
PDBx/mmCIF

39
39
39
39
39
40
40
40
40
40
41

24.69023.58123.99025.07023.13623.11523.34224.00023.99222.01524.560-27.754-26.768-25.379-25.209-26.685-24.395-23.010-22.152-20.920-22.337-22.804

24.27524.41623.90523.33025.87824.12223.69024.77824.69223.27525.797

11
1
1
1
1
1
1
1
1
1

1.000
1.000
1.000
1.000
1.000
1.000
1.000
1.000
1.000
1.000
1.000

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

60.76060.98059.98060.25060.69059.58057.26056.00055.53057.32054.570PDBx/mmCIF ソフトウェア・サポート
•••
•
•
•
•
•••
•
•

Phenix and Refmac – produce native PDBx files for deposition
MMDB - macromolecular object library in CCP4
iotbx.cif/ucif - CCTBx C++/Python IO library with dictionary validation
CCIF – CCP4 C++ library with FORTRAN support and dictionary validation
CBFLib - ANSI-C library for CIF & imgCIF files
mmLIB - Python toolkit supporting CIF & mmCIF
BioPython - Python toolkit for computational biology
PyCifRW - Python CIF/mmCIF parsing tools
BioJava - Java mmCIF IO package
STAR::Parser – Perl mmCIF parser and molecular object library
RCSBTools - C++/Python parsing and dictionary validation tools plus manyother supporting format conversion and data management applications
Visualization - UCSF Chimera, Jmol, OpenRasMol, Coot, CCP4mg,jV, Molmil新規フォーマットへのwwPDBのサービスサイト
http://mmcif.wwpdb.org/ or http://mmcif.pdbj.org/

新規フォーマットへの変換サービスサイト
http://mmcif.pdbj.org/converter/index.php?l=en

wwPDBの各メンバーの活動とサービス• “Data-in” の活動：wwPDBの一員としてデータの高品質を保つ。その目的のため、データ登録法、検証システム、versioningシステム、新規データフォーマットを開発• “Data-out”の活動：共通データのダウンロー
ドサイト（毎週水曜9時にアプデート）の運営、種々のサービスや二次データベースの提供

PDBjにおけるData-out活動
http://pdbj.org/

Amino acid sequence (FASTA)

Data viewer at PDBj
Graphic viewer: jV andMolmil
http://pdbj.org/jV/

Molecular surface DB: eF-site
http://ef-site.hgc.jp/eF-site/
KEGG, IDEAL(IDP/IDR),
Binding MOAD, etc にもリンク
Kinjo et al. NAR 40, D453 (2012)

Molmil: PDBjで独自開発した
WebGLによる分子ビューア• JavaScript/WebGLテクノロジーを活用• PDB, PDBx/mmCIF, PDBML フォーマットが利用可能• PDB, chem_comp （Compound）, eF-site, ProMode Elasticが閲覧可能• スクリーンショットを出力可能• iOS8, iOS9 (iPAD, iPhone etc) で利用可能

PDBjにおける特徴的なData-out
蛋白質分子表面の形状と静電物性の表示: eF-site（large structuresにも対応）

Protein Molecular Surface DBPDBjにおける特徴的なData-out

電顕によるTRPV1イオンチャネル(5irx)

PDBjにおける特徴的なData-out
電顕画像と原子構造とを同時に可視化

EM Navigator: Viewer ofImages of EM-DB

Yorodumi: Viewer of both Image andAtomic Structure

Omokage search: PDB, EMDB, SASBDBのデータベース横断的に類似形状を探索

Suzuki, Kawabata, Nakamura (2016) Bioinformatics 32, 619-620

Omokage search: PDB, EMDB, SASBDBのデータベース横断的に類似形状を探索
Query: human RNA polymerase II with RNA (EMDB: 2190)
Similar shapes from 224,894 images/structures

Semantic WebŚŐŢŚwwPDB/RDF
wwPDB/RDF ưPDBj ĎIŦƱhttp://rdf.wwpdb.org/

Service from wwPDB
Kinjo et al. (2012) Nucl. Acids Res. 40, D453-D460.
Yokochi et al. (2016) J. Biomed. Semantics, 7:16.
Kinjo et al. (2012) Nucl. Acids Res. 40, D453-D460.

Cryo-EM

SAXS

X-ray Structure

BMRB/RDF ưPDBj-BMRB ¨HŦƱ
http://bmrbpub.protein.osaka-u.ac.jp
Large Complex 
NMR Structure

Sequence In UniProt RDF:

Exp. Information(X-ray, NMR, EM, etc)

PPI (interaction)

Semantic WebŚŐŢŚwwPDB/RDF
wwPDB/RDF ưPDBj ĎIŦƱhttp://rdf.wwpdb.org/

Service from wwPDB
Kinjo et al. (2012) Nucl. Acids Res. 40, D453-D460.
Yokochi et al. (2016) J. Biomed. Semantics, 7:16.

Linked Data:

Connect Distributed Data across the Web
http://linkeddata.org�
BMRB/RDF ưPDBj-BMRB ¨HŦƱ
http://bmrbpub.protein.osaka-u.ac.jp

PDB�
In UniProt RDF:

Linking Open Data Cloud Diagram byCyganiak & JentzschNBDC RDF-portalへの統合化

wwPDB/RDF

BMRB/RDFNBDC RDF-Portal
https://integbio.jp/rdf/

PDB ƋƯƅŚŚƋƯƅƚƯƁŞŚß;1ƵSIFTSvKŚ´¾ĩ
(Structure integration with function, taxonomy and sequence)EBIŹƩƯƘŖPDBjŖŚ'<¥řťŒŔSIFTS/RDFūĒÃƵBioHackathonřťŨFALDO(Feature Annotation Location Description Ontology: Bolleman et al, 2016)ū,¾SIFTSūĈŌŔPDBƋƯƅŖŚƋƯƅƚƯƁŚ
ƋƯƅƚƯƁēŚß;1Ň[»PDBjスタッフ

謝辞
Data-inData-out

BMRB

謝辞
RDF 開発川島 秀一 (DBCLS)
大久保 克彦 (JST-NBDC, 日立製作所）
Jerven Bolleman (UniProt, EBI: FALDO)
Sameer Velankar (SIFTS & PDBe, EBI)RESTful web
Michelle Ragsac (UCSD internship student)