UCSC genome browser
UCSC Genome Browserの豊富なツールを理解する

理化学研究所 生命医科学研究センター
生命医科学大容量データ技術研究チーム
森岡勝樹

本レクチャーの内容• UCSC Genome Browserの豊富なツールを理解する• パワーポイントでツールたちを紹介• BLAT、In-Silico PCRを使って配列を検索する/Gene Sorterを使って発現データを解析する• 資料に沿って実際に使ってみる• Track Hubを使ってオリジナルデータと公共データを比較した図を作成する• 資料に沿って実際に使ってみるいまさらPCRprimer設計？！

UCSC genome browserの歴史
2000年7月7日、世界で初めてヒトのゲノム配列を公開したゲノムブラウザー

ヒトゲノム配列の解読のタイムラインが面白い

https://genome.ucsc.edu/goldenPath/history.html

NEWYORK TIMES
https://www.nytimes.com/2001/02/13/science/rea
ding-the-book-of-life-grad-student-becomes-geneeffort-s-unlikely-hero.html• 国際ヒトゲノムプロジェクト（IHGP）の競合であったセレラ社がそれまでIHGPが計画していたスピードの約半分でヒトゲノム解読を始める。
• 6/22 Kentが、100台のコンピュータを使って、４０万コンティグから、1st アッセンブリの作成を終了。
• 6/25の夜 Celera社、1st アッセンブリ完了• 6/26 ホワイトハウスで、IHGPヘッドのコリンズ、セレラ社代表のベンダーの両者がヒトゲノム配列のドラフトアッセンブリ完了を発表

UCSC genome browserのミラーサイト•本家: https://genome.ucsc.edu•Europe: https://genome-euro.ucsc.edu•Asia: https://genome-asia.ucsc.edu

注: 本日は、弊所のアジアミラーをご利用ください。

UCSC genome browserの現在
UCSC genome browser•••

ヒトをはじめとする１００種類以上のゲノム地図を見ることができる。
遺伝子位置や塩基配列に紐づいた注釈（アノテーション）情報の検索、表示、抽出ができる。
ゲノム配列を扱うための各種の細かいスクリプトや、バイオインフォマティクスツールを利用したり、ダウンロードできる。

Human genome hs1

アップデートが頻繁（33 updates in 2022!）•••••2022.12.22 470種類の哺乳類の比較ゲノムによる相同性領域のトラック（470-way Multiz
Alignment & Conservation ）の追加。
2022.12.13 GENCODEの新しいアノテーション（human V42 and mouse VM31）を追加
2022.10.24 HGNC and PanelAppの２つのトラックが追加
2022.10.19 hs1とmpxvRiversのアッセンブリを追加
And more!

眺めてみたい人もいるかもしれないので、後ほどご案内最新updateを一つ紹介: 検索機能が強化
TP53というキーワードで検索指定したアセンブリについて、トラックデータ、トラック名、トラックの説明、パブリッ
クハブのトラック名、パブリックハブの説明、ヘルプなど横断的に単語とのマッチングを見つけることができるようになった。

各ページ、データに幾つヒットしたのかを階層的に表示

UCSC genome browserの良し悪し（主観に基づく）
良いところ

•••
•

アップデートが頻繁で豊富な情報！
豊富でシンプルなツールとその解説！
ゲノム地図上でデータ横断的に遺伝子情報を調べ、比較することができる。
カスタマイズすることで、論文に利用できるような図も作ることができる。

悪いところ• 見た目がtoo busy!!
• インタラクティブに地図をスクロールできるものの、ラグがある。
• オリジナルデータをインポートするには、ファイルを小さいサイズにする必要がある。

結論

慣れが必要

UCSC GB vs. IGV

••
•
•
•

左右スクロールにラグがあるオリジナルデータをweb上にuploadする必要がある
直感的ではない（かも）慣れるとカスタマイズできる
事前にたくさんのデータが用意されている
公共データとの比較図作成••••

ファイルサイズが大きくなると重たくなる
ファイル数が多いと折り返す
比較用のデータをほぼ全て用意する必要がある
直感的、一方で実現したい可視化に手が届かな
いこともある• Uploadの必要がない
個人的にはオリジナルファイルのsanity
checkに利用価値大取り扱えるファイル形式はほぼ同じ（IGVのtdfファイルは別）。状況による使い分け。

UCSC genome browserのファイル形式
座標のフォーマット
座標にスコアを載せたフォーマッ
トで、ブラウザ上でグラフ表示をするための形式

変換

遺伝子構造などのアノーテーションを記載する形式。GFFの拡張形式としてGTFがある。

BLATの結果の一行出力形式

座標にスコアを載せた
フォーマット、バイナリー
バリアント情報を記載する一
般的な形式

BLATを行うときにデータベースとなる配列情報（合計4Gbまで）をコンパクトにして検索可能にしたフォーマット
https://genome.ucsc.edu/FAQ/FAQformat.html

今日デモを行わないツールについての簡単な紹介

UCSC genome browserのツール群
Main tools• GenomeBrowser• ゲノム地図の可視化ツール. さまざまな情報を地図上で閲覧、抽出ができるツール• BLAT•••••• 塩基配列を問い合わせ（クエリ）文字列として与え、ゲノムに対して相同性検索を行う
In-Silico PCR• PCRプライマーペアをクエリとして、その配列で囲まれた塩基配列をfastaフォー
マットで出力するツール
Table Browser • データベース上にあるゲノムデータをはじめとするさまざまなアノテーション情報にアクセスして、必要な情報を部分抽出することが可能なツール
LiftOver• ゲノム座標のバージョン間での対応関係に従って、与えられた配列を目的のゲノムバーションへ変換することができる。
Gene Sorter• ターゲットの遺伝子とその他の遺伝子間の発現相関を調べ、さまざまな情報で抽出するツール
Genome Graphs • G-band上に、グラフを表示できるツール• Data Integrator• クエリとして与えた座標、遺伝子名などの用語に対して、データベース内のアノテーション情報を連結したテーブルを作成するツール

UCSC genome browserのツール群• UnShER• SARS-CoV-2のツールで、塩基配列を入れるとSAR-COV-2の系統樹に配置してくれる。

• VisiGene• マウスとカエルのin situ hybridizationによる発現組織の可視化画像データベース• GeneInteractions• PINやPubMed共起に基づく遺伝子間の関係をグラフで描くツール• VariantAnnotationIntegrator• バリアントによるタンパク質の同義・非同義置換を予測するさまざまなツールの予測
情報をまとめたデータベースを用いて、バリアントのアノテーションを行うツール• DNA Duster andProtein Duster• DNAやタンパク質の配列の文字列中にあるファイル形式に合っていない文字を取り除くツール• Phylogenetic
Tree PNG
Maker• Executable andSource Code
Downloads• その他• 与えられた条件に従って系統樹を作成し、PNGファイルを作ってくれるツール• UCSC Genome Browserを開発する過程で利用されているスクリプト群、バイナリーファイルも用意されている• 非公式ツール群、RやPythonにUCSCのファイルを導入する時のパッケージや、BEDtoolsなどのUCSCのファイルを扱うツールなど

LiftOverhg38hg19
Chr1010 ゲノムバージョン
Chr1での座標の違い

100110Genome Graphs
hg19
2種類に色分け可能
Gene sorterによるその領域の遺伝子抽出オリジナルデータのファイルの入力••

G-band上に、グラフを表示できるツール
Gene Sorterと連携、SNP to gene抽出などに使えるか？

Input format

Data Integrator••

検索座標を指定（遺伝子名OK）•

バイオインフォマティクス解析用データ連結プログラム
UCSC GBの中にあるトラックであれば次々に追加できる
検索は、ゲノム座標であるところがユニー
クトラックグループとその中にあるトラックを指定”Add”が表示されるかぎり追加可能

追加、連結したデータたち

出力結果

UShER

SARS-CoV-2系統樹に、入力した配列のデータを配置する高速プログラム

結果の画面

系統関係をゲノム地図に(Nextstainでも閲覧可)。

Gene interactions

文献ベース（アブストラクト由来）を中心とする分子共起ネットワーク

分子をクリックするとその分子を中心に再描画

デフォルトでアルファベット順になっているので、クリック必須!

分子をスクロールオーバーすると、文献がいくつ該当したのかがわかる
色分けは、由来(文献由来, PIN, pathway databaseなど)。

VisiGene Image Browser

マウス胎児のIn Situ Hybridization Image

1. 転写因子で検索
2. ワイルドカードで、ファミリーごと検索できる
3. 結果に元となっているメタデータがしっかり記載
4. 画像もハイクオリティでダウンロードが可能Variant Annotation Integrator

バリアントにアノテーションを加える

VCFファイルを入力とする

DNA Dusterの結果

dbSNPから情報を検索

Variant登録にはほぼ必須となっている機能予測プログラム群の結果をバリアントの情報として付加できる。

DNA Duster and Protein Duster

配列のコピペをしたときに混じっているゴミをとってくれる

DNA Dusterの結果••

よくある5塩基フォーマットの空白を除いてくれる
Nは除かなかったExecutable and Source Code Downloads Jim KentのUtility tools• UCSC GBを作成・利用する上で、必要なスクリプトが維持されている• 各種バイナリファイルが用意されていて、コンパイルの必要がない• 高速で、バグが少ない

神参考となるウェブサイト
本家のYouTubeチャンネル

Twitter account: @GenomeBrowser

TogoTV (https://togotv.dbcls.jp/)