「PDBjタンパク質をゲノムにマップしたpdbBAMの作成」
城田松之
東北大学大学院医学系研究科
創生応用医学研究センター
新医学領域創生分野
平成26年12月26日（金）平成26年度「統合データ解析トライアル」中間報告会©2014 城田松之(東北大学大学院) licensed under CC表示2.1日本

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本日の発表内容• pdbBAMとは• ツールの作成• IGVを用いた個人ゲノム情報とPDB情報の表示• 今後の方向性2pdbBAMとは何か• PDBに含まれるタンパク質のアミノ酸配列をmRNA配列を媒介してゲノムにマップしてBAM形式としたもの• PDB全体をゲノム全体に貼付ける• ゲノムのどこの遺伝子が構造解析されているかを一目でわかるようにする
アミノ酸配列mRNA配列ヒトゲノム配列

PDB
構造あり 構造なし
3これまでの構造情報の利用
ゲノム配列

変異mRNA配列• StSNP• coliSNP• MuPIT– など

タンパク質配列

PDBの検索PDB

4PDB配列からゲノム配列への逆マッピング
ゲノム配列

変異– 変異ごとの検索なし
でよい– ゲノムを見ればPDB全体が分かる

mRNA配列• 欠点

タンパク質配列

PDBの検索• 利点– 逆翻訳は曖昧さが残る– PDB検索の閾値

PDB

この向きのマッピングを行うツールはまだ存在しない5利用したデータベース• 日本蛋白質構造データバンク(PDBj)– タンパク質の立体構造およびアミノ酸配列情報• NCBI RefSeq– タンパク質アミノ酸配列と対応するmRNA配列• Genome Reference Consorsium (GRC)– ヒトゲノム配列– GRC.h38（最新版）とGRC.h37（1つ前の版）

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pdbBAM作成の流れ
PDB

74,093 sequences(SEQRES)@Dec. 2nd
BLAST with default parameters

RefSeqProtein

38,095 sequences
19,239 genes
ID mapping by RefSeq

RefSeqmRNA

38,095 sequences
19,239 genes
refFlat.txt

humangenomeGRC.h37
GRC.h38

配列一致度が一定の値以上のものを選択（40%, 50%, 60%, 70%）
配列アラインメントから変異・挿入・欠失箇所を同定
アミノ酸が保存
変異mRNAのコドン

ヒトでの最頻出コドン

ゲノムの対応領域の抽出
・染色体，残基位置
・コード領域・エクソン・イントロン構造
・挿入欠失
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PDB配列からゲノムへのアラインメント〜完全一致の場合〜

RefSeqprotein

1 DRVKRPMNAFMVWSRGQRRKMAQENPKMHN...
||||||||||||||||||||||||||||||
SOX2(NP_003097.1) 39 DRVKRPMNAFMVWSRGQRRKMAQENPKMHN...

RefSeqmRNA

NM_003106.3_CDS

PDB
mRNA
Genome

1GT0D mRNA

PDB

1GT0D

chr3115 GACCGCGTCAAGCGGCCCATGAATGCCTTC...

1 GACCGCGTCAAGCGGCCCATGAATGCCTTC...
||||||||||||||||||||||||||||||
181430148 GACCGCGTCAAGCGGCCCATGAATGCCTTC...

mRNAと一致する場合はmRNAのコドンを利用
8PDB配列からゲノムへのアラインメント〜変異を含む場合〜
PDB

2DNMA

RefSeqprotein

NP_003007.2

1 GSSGSSGPDVDGMITLKVDNLTYRTSPDSL.|.|...|||:||.:|||||||||||||:|
1 MSYGRPPPDVEGMTSLKVDNLTYRTSPDTL

RefSeqmRNA

NM_003106.3

1 ATGTACAACATGATGGAGACGGAGCTGAAGPDBmRNA

2DNMA mRNA

Genomechr31 GGCTACAGCATGAGCAGCGGCGAGCTGAAG||||||||||||||||||||||||||||||
XXX||||XX||||XXXXXXXX|||||||||ATGTACAACATGATGGAGACGGAGCTGAAG

mRNAと一致しない場合はアミノ酸に対する最頻出コドンで置換
アミノ酸

コドン

アミノ酸

コドン

アミノ酸

コドン

アミノ酸

コドン

アミノ酸

コドン

A

GCC

C

TGC

D

GAC

E

GAG

F

TTC

G

GGC

H

CAC

I

ATCK

AAG

L

CTG

M

ATG

N

AAC

P

CCC

Q

CAG

R

AGA

S

AGC

T

ACC

V

CTG

W

TGG

Y

TAC

9アラインメントからSAMフォーマットへ
insertmismatch

PDB protein
RefSeq Protein
RefSeq mRNA

Cigar code
Match/Mismatch

M

Insertion

IDeletion

DIntronN

PDB mRNA
ChromosomeStart

SAMフォーマット
pdb|3WHD|A_1 0 chr12 8670819 255 52M734N152M1065N116M782N145M * 0 0 CATGCA...

配列名

参照配列 位置Cigar code

塩基配列10SAM/BAM変換
SAM -> BAM変換
変換
samtools view -Sb pdbbam.sam | samtools sort > pdbbam.bam

インデックス作成
samtools index pdbbam.bam

エクソン情報にあるPDB
エクソン情報にあるPDBの抽出
PDBの抽出bedtools coverage –hist –abam pdbbam.bam –b refFlat.bed >pdbbam.coverage.txt

samtools 0.1.18 Li H et al. Bioinformatics 25(16):2078-9, 2009
BEDtools 2.150.0 Quinlan AR, Hall IM. Bioinformatics 26(6):841-2, 2010
11

0.07

25

2.5

統計情報（GRC.h37のCDS 34,733,472塩基あたり）

0.05
0.03

Fraction

0.04

150.02

100

0.0

0.00

0.01

50.5

1.0

Average Depth

1.5

Percent of Bases Covered in pdbBAM

20

2.0

0.06

40%
50%
60%70%40%50%60%70%

Sequence Identity Threshold

40%

50%

60%

70%

Sequence Identity Threshold

05

10
Coverage1520

12個人ゲノムのBAMファイル作成
DDBJ(http://www.ddbj.nig.ac.jp/index-j.html)よりFastqをダウンロード
BWA1を用いてhg19(GRC.h37)にマッピング
GATK2によるリアライメント

BAMファイル

1Li H, Durbin R. Bioinformatics 25(24):1754-60, 2009
2DePristo MA et al. Nat Genet 43(5):491-8, 201113

実際の例 （Carbonic Anhydrase遺伝子）

PDBの3FE4が当たっている
100%の一致率

上段：NGSによる個人ゲノム解析結果
中断：pdbBAM70
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下段：遺伝子領域と翻訳Carbonic Anhydrase (CA6) PDB ID 3FE4

T55M(rs2274327)

M68L(rs2274328)

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SH3 and cysteine domain-containing protein
isoform 1 (SPTA1)

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PDB 2IMG: Crystal structure of dual specificity
protein phosphatase 23 from Homo sapiens incomplex with ligand malate ion
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P53領域

上段：NGSによる個人ゲノム解析結果
中断：pdbBAM70
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下段：遺伝子領域と翻訳

現在の進捗まとめ• PDBのタンパク質を配列相同性を用いてヒトゲノムにマッピングしてpdbBAMを作成• 配列一致度について40%~70%までで作成• ヒトゲノム上のコード領域におけるカバー率と平均深度は– カバー率：19%（配列一致度70%） ~ 24%（同40%）– 平均深度：0.8（70%） ~ 2.4（40%）• 個人ゲノム解析結果とあわせてゲノム上のどこに，どの程度の数と類似度の立体構造情報があるかを表示できる
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進捗状況
研究開発項目

平成２６年
9月

10月

11月

平成２７年
12月

1月

2月

1. PDBjタンパク質のヒトゲノムにおける位置の同定
2. 変異の有無の同定
3. SAM/BAMファイルの作成
4. 表示方法の評価

予定
実績
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今後の課題• 構造生物学的観点から– 構造情報を見たい（アミノ酸の埋もれ度など）– PDB IDだけでなく変異箇所の残基番号情報– ゲノムブラウザから直接構造を見られるツール• ゲノム科学の観点から– dbSNPなどとの連携– マウスなど他の種への応用• データ更新について– pdbBAMの作成は約6時間程度（ほぼBLAST検索）– PDBの更新に伴って月単位で作り直すことは容易
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