糖鎖関連データベース（GlyCosmosなど）
木下聖子
2020年12月9日

AJACSオンライン４

糖鎖の世界微生物

化学構造グライコミク
ス解析

複合糖質

糖鎖構造相互作用

パスウェイ
糖鎖関連遺伝子哺乳類

2植物・菌類糖鎖情報の標準化の必要性• 単糖表現の曖昧性
D-Fucose

D-Quinovose

D-Rhamnose

6-Deoxy-D-galactose

6-Deoxy-D-glucose

6-Deoxy-D-mannose

β-D-Fucp

β-D-Quip• 微生物や植物の糖類。。。
3β-D-RhapSNFG (Symbol Nomenclature for Glycans)•4https://www.ncbi.nlm.nih.gov/glycans/snfg.html

糖鎖構造のテキスト形式
LINUCS[][b-D-GlcpNAc]{[(4+1)][b-D-GlcpNAc]{[(3+1)][b-D-Manp]{}[(6+1)][b-D-Manp]{}}}

LinearCode
Mb3(Mb6)GNb4GNb

GlycoCTKCF format

RES
1b:b-dglc-HEX-1:5
2s:n-acetyl
3b:b-dglc-HEX-1:5
4s:n-acetyl
5b:b-dman-HEX-1:5
6b:b-dman-HEX-1:5
LIN
1:1d(2+1)2n2:1o(4+1)3d
3:3d(2+1)4n
4:3o(3+1)5d
5:3o(6+1)6d

ENTRY CT-1 Glycan
NODE 41 GlcNAc 0 0
2 GlcNAc -8 0
3 Man -16 2
4 Man -16 -2
EDGE 3
1 2:b1 1:4
2 4:b1 2:3
3 3:b1 2:6///

グラフ形式

線形文字列5任意なテキスト形式の必要性
ENTRY Structure Glycan
NODE 6
1 glcnac -16 2
2 glcnac -16 -2
3 gal -24 2
4 gal -8 0
5 gal -24 -2
6 D-glc 0 0
EDGE 5
1 4:b1 6:4
2 2:b1 4:3
3 5:b1 2:3
4 1:b1 4:6
5 3:b1 1:4///

ENTRY Structure Glycan
NODE 6
1 GlcNAc -16 -2
2 Gal -8 0
3 GlcNAc -16 2
4 Gal -24 -2
5 D-Glc 0 0
6 Gal -24 2
EDGE 5
1 2:b1 5:4
2 1:b1 2:3
3 4:b1 1:3
4 3:b1 6:6
5 3:b1 2:4///

一連の文字列であらゆる糖鎖を任意に記述する形式
Web3 Unique Representation of Carbohydrate Structures*
6*Matsubara M, Aoki-Kinoshita KF, Aoki NP, Yamada I, Narimatsu H. WURCS 2.0 update to encapuslate
ambiguouscarbohydrate structures. J. Chem. Inf. Model, 57(4):632-637, 2017.

糖鎖構造表記法 WURCS
WURCS: Web3 Unique Representation of CarbohydrateStructures• セマンティックウェブを指向した新しい糖鎖構造表記法• JST・NBDC統合化推進プログラムで開発• 国際糖鎖構造リポジトリGlyTouCanの基盤として利用– 糖鎖構造の同一性– 糖鎖構造検索– 分子量計算

7

WURCS の例
WURCS=2.0/7,10,9/[c2122h-1x_1-5_2*NCC/3=O][c2122h-1b_15_2*NCC/3=O][c1122h-1b_1-5][c1122h-1a_1-5][c2112h-1b_15_2*NCC/3=O][c2112h-1b_1-5][c1221m-1a_1-5]/1-2-3-4-2-5-4-2-6-7/a4-b1_a6j1_b4-c1_d2-e1_e4-f1_g2-h1_h4-i1_d1-c3|c6_g1-c3|c6

Glytoucan ID:G00219DO

i6h2j
7g4524fed3
c2b1aJ. Chem. Inf. Model., 54(6):1558–1566,
2014, .
J. Chem. Inf. Model, 57(4):632-637, 2017.
8123456
7
a-b-c-d-e-f-g-h-i-j

WURCS=
2.07109[c2122h-1x_1-5_2*NCC/3=O][c2122h-1b_1-5_2*NCC/3=O][c1122h-1b_1-5][c1122h-1a_1-5][c2112h-1b_1-5_2*NCC/3=O][c2112h-1b_1-5][c1221m-1a_1-5]
1-2-3-4-2-5-4-2-6-7
a4-b1
a6-j1
b4-c1
d2-e1
e4-f1
g2-h1
h4-i1
d1-c3|c6
g1-c3|c6

たった１０年前の糖鎖関連データベース
1996まで: CarbBank (CCSD)• Glycosciences.de: （ドイツ）PDBに登録された糖鎖構造を抽出したり、糖鎖の立体構造の描画ツールなどを提供• BCSDB: （ロシア）文献から微生物の糖鎖構造を収集・整理されたデータベース• KEGG GLYCAN: （京大）CarbBank の重複した構造を整理し、糖鎖構造の比較やデータマイニングのツールを開発• Consortium for Functional Glycomics (CFG): 主にCarbBankや文献の糖鎖構造などを提供

9現在の糖鎖関連データベースがたくさん！
•••••

•

10

JCGGDB, 現 ACGG-DB（産総研）– 糖鎖遺伝子、レクチン、糖タンパク質、糖鎖構造、疾患
GlycoSuite、現在UniCarbKBやGlyConnectに統合 （オーストラリア）– 文献に掲載された糖鎖や糖タンパク質
GlycomeDB、現在GlyTouCanに統合（ドイツ）– ７つの主な糖鎖構造データベースを統合したデータベース
UniCarbKB（オーストラリア）– 文献に掲載された糖鎖や糖タンパク質
GlyConnect（スイス）– 文献に掲載された糖鎖や糖タンパク質にエピトープやUniProtなどのタ
ンパク質データベースと連携
GlyTouCan（創価大）– 国際糖鎖構造リポジトリ

A Practical Guide to UsingGlycomics Databases

Table of Contents
Introduction• Preface, Packer, Nicolle H.
• Development of Carbohydrate Nomenclature and Representation, Perez and AokiKinoshita
Monosaccharide and Glycan Structures• Translation and Validation of Carbohydrate Residue Names withMonosaccharideDB Routines, Lütteke,• Using GlyTouCan Version 1.0: The First International Glycan Structure Repository,
Shinmachi, et al.
• Carbohydrate Structure Database (CSDB): Examples of Usage, Egorova, et al.
Glyco-related Genes and Proteins• The CAZy Database/the Carbohydrate-Active Enzyme (CAZy) Database:Principles and Usage Guidelines, Terrapon, Nicolas (et al.)• Glyco3D: A Suite of Interlinked Databases of 3D Structures of Complex
Carbohydrates, Lectins, Antibodies, and Glycosyltransferases, Pérez, et al.
• GlycoGene Database (GGDB) on the Semantic Web, Narimatsu, et al.
• KEGG GLYCAN, Kanehisa, Minoru

Table of Contents (cont.)
Glycoproteomics Data
• Exploring the UniCarbKB Database, Campbell, Matthew P. (et al.)• GlycoProtDB: A Database of Glycoproteins Mapped with Actual Glycosylation
Sites Identified by Mass Spectrometry, Kaji, Hiroyuki (et al.)Glycan Interactions• GlycoEpitope, Okuda, Shujiro (et al.)• SugarBindDB, Mariethoz, Julien (et al.)
• PAConto: RDF Representation of PACDB Data and Ontology of Infectious
Diseases Known to Be Related to Glycan Binding, Solovieva, Elena (et al.)Glycan Data Analysis• RINGS: A Web Resource of Tools for Analyzing Glycomics Data, Aoki-Kinoshita• Glycan Data Retrieval and Analysis Using GLYCOSCIENCES.de Applications,
Lütteke, Thomas• Glycobiology Meets the Semantic Web, Kawano, Shin

糖鎖データベースの統合• JSTと国立研究開発法人科学技術振興機構 バイオサイエンスデータベースセンター （NBDC）が2006年
からライフサイエンスデータベースの統合化を推進• 糖鎖科学のプロジェクトを支援– JCGGDB, ACGG-DB, GlyTouCan• また、ゲノミクス、プロテオミクスなど多くのオミクスデータベースの統合プロジェクトも実施• セマンティックウェブ技術を用いて、様々なデータの統合化

14統合化事業の糖鎖プロジェクト• 国内の糖鎖関連データベースの統合化（2011年度〜2013年
度・代表成松久（産総研））– JCGGDB– GlycoRDF (http://glycoinfo.org/GlycoRDF)• 国際糖鎖構造リポジトリおよび糖鎖科学データベースの統合
化 (2014年度〜2016年度・代表成松久（産総研）)– セマンティックウェブ技術の導入(RDF)– GlyTouCanの開発• 糖鎖科学ポータルの構築(2017年度〜2021年度・代表木下聖子（創価大）)– セマンティックウェブ技術を用いて糖鎖科学と他のオミクスデータの統合したポータルの構築

Unique
Glycan ID+StructureData

Glycan Databases

Sharing④Curation
Annotation
Data

Knowledge-Sharingof Glycan Knowledge
via InternetInternational
Glycan Structure
Data Repository② Obtain
UniqueGlycan ID① Structure
Registration

Glycan ID③Manuscript
submission
Glycan ID

Research Paper

Glycan ResearchGlycobiology Glycoforum• 65 Supporting Investigators from around theworld

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.

18

Friedrich Altmann, University of Natural
Resources and Life Sciences, Vienna, 26.
Austria27.
Antony Bacic, University of Melbourne,
Australia
Christopher B. Barnett, University ofCape Town, South Africa
28.
Júlia Costa, Laboratory ofGlycobiology, ITQB NOVA, Portal
29.
Vivien J. Coulson-Thomas, Universityof Houston, USA
30.
Tamara L. Doering, Washington
University School of Medicine, USA
31.
Nathan Edwards, Georgetown
University, USA
Michiko Ehara, Asahi University, Japan 32.
Tamao Endo, Tokyo Metropolitan
Institute of Gerontology, Tokyo, Japan 33.
Ten Feizi, Imperial College London,
34.
UK
Martin Frank, Biognos AB, Sweden
35.
Morihisa Fujita, Jiangnan University,China
36.
Koichi Fukase, Osaka University,
37.
Japan
Yuzuru Ikehara, AIST and Chiba
38.
University, Japan
Makoto Ito, Kyushu University, Japan 39.
Yukishige Ito, RIKEN, Japan
Kenji Kadomatsu, Nagoya University 40.
Graduate School of Medicine, Japan
Osamu Kanie, Tokai University, Japan 41.
Takane Katayama, Kyoto University,Japan
42.
Toshisuke Kawasaki, Ritsumeikan
University, Japan
43.
Hiroto Kawashima, Chiba University,Japan
44.
Carsten Kettner, Beilstein Institut,
Germany
45.
Kshitij Khatri, Boston University, USA
Yoshinobu Kimura, Okayama
46.
University, Japan
Hiroshi Kitagawa, Kobe
47.

Pharmaceutical University, Japan
48.
Shinobu Kitazume, RIKEN, Japan
Yuriy A. Knirel, N.D. Zelinsky Instituteof Organic Chemistry, Russian
49.
Academy of Sciences, Moscow,Russia
50.
Kyoko Kojima-Aikawa, Ochanomizu
University, Japan
51.
Daniel Kolarich, Griffith University,Australia
52.
Matthew R. Kudelka, Emory University,USA
53.
Todd L. Lowary, Canadian Glycomics
Network Scientific Director and54.
University of Alberta, Canada
55.
Thomas Luetteke, ITech ProgressGmbH, Germany
56.
Shino Manabe, RIKEN, Japan
57.
David Matten, University of CapeTown, South Africa
58.
Raja Mazumder, George Washington
University, USA
59.
Eiji Miyoshi, Osaka University, Japan
Antonio Molinaro, University of Napoli 60.
Federico II, Italy
Yasu S. Morita, University of61.
Massachusetts Amherst, USAToni M. Mueller, University of Alabama 62.
at Birmingham, USA63.
Shunji Natsuka, Niigata University,Japan64.
Shoko Nishihara, Soka University,Japan
Sriram Neelamegham, State University 65.
of New York, USA
Tetsuya Okajima, Nagoya University
School of Medicine, Japan
Shujiro Okuda, Niigata University,Japan
Noorjahan Panjwani, Tufts University
School of Medicine, USA
Dayoung Park, University of California,
Davis, USA
Serge Perez, France

Salomé S. Pinho, University of Portoand Institute for Research andInnovation in Health, Portugal
Melody Porterfield, University ofGeorgia, USA
Alka Rao, CSIR-Institute of Microbial
Technology, Chandigarh, India
Celso A. Reis, University of Porto,
PortugalRafael Ricci de Azevedo, University of
Sao Paulo, Brazil
Nancy Schwartz, University ofChicago, USA
Siro Simizu, Keio University, Japan
Avadhesha Surolia, Indian Institute ofScience, Bangalore, India
Naoyuki Taniguchi, RIKEN, Japan
Carlo Unverzagt, University ofBayreuth, Germany
Masahiro Wakao, Kagoshima
University, Japan
Christopher M. West, University ofGeorgia, USA
Robert J. Woods, University ofGeorgia, USA
Ajit Varki, University of California, SanDiego, USA
Yoshiki Yamaguchi, RIKEN, Japan
Kazuo Yamamoto, The University ofTokyo, JapanHeng Yin, Dalian Institute of Chemical
Physics, Chinese Academy ofSciences, China
Joseph Zaia, Boston University, USA

GlyTouCan: the glycan repository• Glycans can be specified invarious levels of granularity(subsumption)• GlyTouCan accepts glycans
at any level, assigning aunique accession number toeach• GlyCosmos (and GNOME)
provide frameworks forlinking those glycans that“subsume” one another19

New GlyTouCan 3.0 (August, 2019)
RegisterTranslated

AssignInstant assignment of structures:•••

Input data limited to GlycoCT & WURCS
Only simple verification of accuracy
Structures registered simultaneously could be duplicated

GlyTouCan ID

Batch Processing Phase:• Validates inputted data
• Generates images• Assigns IDAdvantages:•••
20

Input data can be anything translatable to WURCS(GlycanFormatConverter)
Validation status can be viewed on Profile Page
Structure duplication can be avoided

User Profile Page:• Validation results• Images• Assigned ID

GlyTouCan Login• Before logging in to a Google account:• After logging in:21

User Profile• To register structures, ensure that you have anAPI Key generated!

22

User Submissions Page

23

Glycan registration• By graphic tool
• By text

24Glycan registration by text

25

26

現在12万件以上の糖鎖構造が登録済み• GlyTouCan Partners やBCSDB, GlycoEpitopeなどのデータベースを統合化

27

糖鎖科学ポータルGlyCosmos Portal

GlyCosmos Overview
Repositories
The glycan structure repository GlyTouCanassigns accession numbers to glycans

The glyco(proteo)mics repository GlycoPOST
stores raw mass spectrometry data obtained fromglyco-(proteo)mics related experiments.

The Glycoconjugate repository GlyComb (TBA)
will assign accession numbers to glycoconjugatessuch as glycoproteins, glycolipids

The glycomics MS repository UniCarb-DR
stores annotated mass spectrometry data obtained
from glycomics related experiments.

Data Resources

30

GlycoPOST and UniCarb-DR

Glycomics MS
Raw data

Glycoproteomics
MS metadata andRaw data

31

Glycomics MS metadata

Minimum Information Required for A Glycomics
Experiment• http://www.mirage-beilstein.org• Definition of reporting guidelines for Glycomics
experiments• Guidelines do not define how to perform
experiments• Make results better understandable andreproducible by reporting required information• Guidelines can be used by journals anddatabases

Repositories (Submissions)

33

34

MIRAGE data submission requirements

35

GlycoPOST Registration• Before submission– Presets need to be created according to theMIRAGE MS guidelines• the Excel file from UniCarb-DR can beuploaded– Project files store the actual raw data andannotation results

36GlycoPOST data submission workflow• Manual: https://glycopost.glycosmos.org/help37

GlycoPOST Preset38GlycoPOST Mypage

39

Project list
• All projects, with revision information, are listed
under Projects• Those that are not fixed can be edited by clicking
on the “edit” button• Clicking on a Project ID will jump to the file list

40

Preview code
• To allow reviewers and editors to access yourproject before being announced, click the“Request preview code” button in the project list
• This will generate a temporary URL and four-digit
code to access your project• This cannot be done while the project is in Edit
mode

41

Set Announcement date and PubMed ID• By setting the announcement date, the project
data and files can be kept confidential until thegiven date42

Announced projects

43

GlyCosmos Data Resources
••••

44

Genes/Proteins/Lipids– Glycogenes– Glycoproteins– Lectins– Glycolipids
Glycans/Glycoconjugates– Glycans– Glycans Search– Glycoproteins
Glycomes
Pathways/Diseases/Organisms– Pathways– GlycoMaple– Organisms

Genes/Proteins/Lipids• Genes• Proteins– GlyCosmos Glycogenes– GlyCosmos
Glycoproteins– ACGG-DB GGDB
– GlyCosmos Lectins– Plant GARDEN– ACGG-DB GlycoProtDB– ACGG-DB GDGDB– ACGG-DB LfDB
– GlycoNAVI-Genes– GlycoNAVI-Proteins– FlyGlycoDB• Lipids– Lipid Maps
Gene/Proteome– GlyCosmos Glycolipids
Database(Part of LMSD)

45

46

47

GlyCosmos Glycoproteins48

Glycoprotein page: Integrin beta-150Glycans/Glycoconjugates• Glycans– GlyCosmos Glycans– GlyCosmos Glycans Search– GlycoNAVI Motif List
• Glycoconjugates– GlyCosmos Glycoproteins– ACGG-DB GlycoProtDB– GlycoEpitope– GlycoNAVI-Glycans

51

GlyCosmos Glycans• List of validated glycans from GlyTouCan

52

Glycans/Glycoconjugates53

Glycomes• Total Glycome Database• GlycomeAtlas• LM-GlycomeAtlas

54

Total Glycome Database
Total Glycome data including N-glycans, O-glycans,sphingolipids, GAGs, free glycans, as reported inFurukawa, JI, et al. Kagaku to Seibutsu 53(9): 586-592 (2015)

55

GlycomeAtlas

Yamakawa N, Guerardel, Y. et al.
Nature communications. 9(1):4647,2018.

LM-GlycomeAtlas•

57

Web tool to visualize laser
microdissection-assisted lectin
microarray analyses data using 45
lectins– high-throughput and in-depth
glycomic profiling of formalinfixed paraffin-embedded
mouse tissue sections– Collaboration with Dr. Kuno atAISTPathways/Diseases/Organisms• Pathways– GlyCosmos Pathways– GlycoMaple• Diseases– ACGG-DB GDGDB– ACGG-DB PacDB– GlycoNAVI-Diseases• Organism– GlyCosmos Organisms

58

GlyCosmos Pathways

59GlycoMaple
Collaboration withDr. Morihisa Fujita,
Jiangnan University

60

61

62

63

Cross-search64

GlyCosmosで期待する効果• 糖鎖科学研究から生成される情報を格納する基盤を構築し、研究を促進• 糖鎖研究の初心者でも糖鎖について容易に調べられるポータルを作成し、幅広い分野の研究者が利用• 技術的には、興味・ターゲットのデータを調べるための使いやすいユーザーインターフェースを構築• データは全て RDFで連携することで、海外のEndpointとの同時検索が可能となる。また海外のGlyGenやGlyConnectともGlyCosmosのデータを相互に共有可能

65

GlySpace Alliance

Established August, 2018 @ Warren Workshop
http://glyspace.org
66

GlyGen• 米国NIHによる国際プロジェクト• ヒトとマウスの糖鎖構造、糖タン
パク質を整理し、生物学者が探したい情報を得やすいユーザーインターフェースを開発

67

Glycans68Quick Search69

Quick Search

70Glycomics@ExPASy• スイスのバイオインフォマティクス研究所• 多くのデータベースやツールを提供

71

Glycomics@ExPASy

72

73

GlySpace Alliance
目的: データの共有や連携についての合意を得ること基本的な合意:• データもソフトウェアも無料でオープンソースのライセンスで提供する• 共通の標準を利用する（オントロジー、アクセッション番号など）• 年１回の対面会議– 他のデータベースやソフトウェアのプロジェクトとの連携の議論など
現在の参加メンバー• 糖鎖関連のマルチオミックス統合プロジェクト•
Glycomics@ExPASy, GlyCosmos, GlyGen
Established August, 2018 @ Warren
WorkshopGlycoinformatics Consortium GLIC

• 目的:
– 糖鎖科学関連ソフトウェアの中心的なリポジトリを提供・維持• http://glic.glycoinfo.org– 糖鎖科学者が糖鎖インフォマティクス専門家に連絡できる場を提供• メンバーおよび開発されたソフトウェアやデータベースの一覧• 要望リスト“Wish list” を登録できるシステムを提供• メールも受け付けます：kkiyoko@soka.ac.jp

文科省ロードマップ2020• 「ヒューマングライコームプロジェクト」– 糖鎖の構造やその機能を解明し、ヒトの全糖鎖情報（グライコーム）を取得することで、疾患の成り立ちを理解する。また、糖鎖解析技術の先導により、革新的な新医療・予防・先制医療を牽引する。
– 東海国立大学機構（名古屋大、岐阜大）、自然科学研究機構
生命創成探究センター、創価大学– 国立長寿医療研究センター、東京都健康長寿医療センター、リール大学、アカデミアシニカ、グリフィス大学、他

75

Acknowledgements
Soka University
Masaaki Shiota
Masae Hosoda
Tamiko Ono
Akihiro Fujita
Haruko Kitakaze
AIST
Noriaki Fujita
Yoshinori Suzuki
Kiyohiko Angata
Hiroyuki Kaji
Hisashi Narimatsu

Kiyoko F. Aoki-Kinoshitakkiyoko@soka.ac.jp

Niigata University
Shujiro Okuda
Yu Watanabe
The Noguchi InstituteIssaku Yamada
Shinichiro Tsuchiya
Masaaki Matsubara
SPARQLite, LLC
Nobuyuki P. Aoki
Daisuke Shinmachi
Funding agencies:
JST Database Coordination
and Integration Program, JSTMIRAI Program and NIHAdvisors
Toshisuke Kawasaki
Shoko Nishihara
Nikki Packer
Carsten Kettner
Stuart Haslam
William S. York