疾病関連語句オントロジーを利用したゲノム、メタゲノムデータのRDF 化と利用山本希1）、岡本忍2）、川島秀一2）、鈴木真也3）、森宙史3）、黒川顕1)、MicrobeDB.jpプロジェクトチーム1）2）3）
1）東京工業大学地球生命研究所

2）情報・システム研究機構 ライフサイエンス統合データベースセンター

3）東京工業大学大学院生命理工学研究科

研究背景と目的

まとめと課題新型シーケンサーの普及により、ヒト疾病に関連する細菌のゲノムやメタゲノム解析が盛んに行われ、公共のデータベース（DB）に登録されている。これまでに疾病関連語句オントロジー（PDO）および症状語句オントロジー（CSSO）を構築し、同義語・和訳の登録や他オントロジーとの対応づけを行った。また公共のDBに登録されている約560の細菌株ゲノム配列データとのマッピングRDFを作成した。
しかし、登録ゲノムデータが増加している事や、疾病メタデータの記載が種内で統一されていない事から、検索しても得られるデータが不十分であった。
また、メタゲノムデータ中に疾病を引き起こす病原性関連遺伝子が存在するかどうか、さらにはその種類や割合を他データと比較する際にリファレンスとなるDBが必要となる。

本研究では約1,500のゲノムデータについてPDOとのマッピングを行い、検索可能データの拡充を図った。
また、PDOで定義された疾病に関連する25属の細菌について、既存の病原性関連遺伝子DBを元に、各菌株のもつVFをまとめたDBを作成し、RDF化した。
これにより特定の疾病について、各株の系統や環境などのメタデータと病原性遺伝子の有無を同時に取得し、株間で比較することが可能となった。
例）メタゲノムデータにおける壊死性大腸炎の原因菌が分類される属の割合○これからの課題
PDOとメタゲノムデータの連携
特定の微生物や病原遺伝子の割合を、他のデータと比較

本研究ではそのためにオントロジーの継続開発、病原性遺伝子DBの作成およびPDO-菌株-VFデータのRDF化を行った。

A, オントロジーの開発
PDO（Pathogenic Disease Ontology）ver 0.6

CSSO（Clinical Signs and Symptoms Ontology）ver 0.5

ヒトの細菌・真核微生物の感染症および関連疾病についてのオントロジー
クラス数：358

ヒトが疾病によって示す症状についてのオントロジー クラス数：301＜本研究による拡張＞
1. PDOターム追加に伴う症状語句の追加
2. 他オントロジーとのマッピングの修正＜本研究による拡張＞
1. 疾病タームの追加（29ターム）
2. 菌株とのマッピングに必要なobject propertyを追加＜疾病-症状マッピングの修正、追加＞
以下のデータベース・辞書でタームを検索
medical dictionary (http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/)
Dorland's Medical Dictionary for Health Care Consumers
Mosbyʻs Medical Dictionary, 8th editionの2種を選択

Google scholar検索（case数が多い論文等）
The Gale Encyclopedia of Medicine
Merck manual Home health handbook

主な症状発生部位
による階層構造主な病変部位による階層構造

PDO160タームについてマッピング○類似部位で起こる疾病をまとめて検索できる○類義語、同義語にも対応○症状タームから関連する疾病タームを検索可能

B, 疾病関連菌株ゲノムデータのRDF化＜PDO-菌株RDF構造＞トリプル数：36,931

これまでにRDF化した疾病関連菌株：591株△元にした2012年版GOLD DBの記載内容に依存同じ種でもRDF化された株とされていない株が混在△RDF構造の不備
菌株そのものが病気を引き起こす原因であるかは不明（日和見菌など）→環境株/他生物株/ヒト由来株による病原性の違いが表現されていない	

疾病

菌種“agent type”

rdfs:label“group/serotype name”

skos:broader

rdf:type

pdo:subGroup

rdfs:label①DBの新規取得
2014年公開のGOLD Release v.5を取得
Project statusが”complete” or “complete and published”のBacteriaを抽出 2,902株

rdfs:label
CSSO̲IDro:has̲symptom

pdo:hasInfectiousAgent/
pdo:hasRelatedOrganism“species name”“symptom name”

rdf:̲2

skos:broader

DBの更新およびRDFの修正が必要

CSSO̲ID

rdf:̲1

rdfs:label

pdo:agentType
NCBI:taxon

rdf:type“disease name”

ido:disorder

NCBI:taxon

症状

rdf:Bag“symptom name”

PDO̲ID

ido:infecti
ous agentpdo:mayCause/
pdo:isRelatedTo
skos:broader

skos:broader

pdo:hasProjectID

菌株②前DB作成時点で”complete”だった株を追加 計2,918株

Biosample
ID

NCBI:taxon

宿主

BioprojectID
PDO̲ID③全菌株の分離源、種としての関連疾病を以下の方法で調査
・BioprojectIDによる検索（NCBI Bioproject/Nucleotide/BioSample）
・ゲノム解析論文の調査
241菌種、1,076株が何らかの疾病と関連・株名によるGoogle検索でヒットした論文の調査
・菌株保存機関（ATCC/DSMZ）のIDによる検索

pdo:suﬀerFrom

pdo:hasSampleID

pdo:hasTaxonID

pdo:hasProjectID

rdfs:label

rdf:type

mccv:strain

ro:host̲ofskos:subClassOf

ro:has̲host
pdo:pathogenicity
mccv:isolation source
pdo:strainType ToHumans
description

rdfs:label“strain name”“isolation source”“strain type”“host name”

NCBI:taxon

rdf:type
ido:host“Yes/No”④GOLDに入っていない2014年7月以降のゲノムデータをマニュアルで追加 499株

合計1,575菌株についてRDF化	

○株ごとの情報（感染性、毒性の有無）も記載○疾病・症状、系統、株の特徴からゲノムデータを検索可能

C, 病原性関連遺伝子（VF）のDB作成、RDF化＜VF-菌株RDF構造＞
NCBI:taxon

pdo:hasSampleID

mccv:strain“VF name”＜VF-菌株RDFを用いたSPARQL検索＞
例：Bubonic plague（腺ペスト）を引き起こす種のVFリストを取得

yscY
yscX
yscV/lcrD
yscU
yscT
yscS
yscR
yscQ
yscP
yscO
yscN
yscL
yscK
yscG
yscF
yscE
yscD
yscC
yscB
yscA
yplA
yopT
yopR/yscH/lcrP
yopO/ypkA
yopM
yopJ/yopP
yopH
yopE
yopD
yopB
ymt
ylpB/yscJ
ybtX
ybtU
ybtT
ybtS
ybtQ
ybtP
ybtE
ybtA
virG/yscW
virF/lcrFunnamed gene
tyeA
sycN
sycD/lcrH
psn/fyuA
psaA
pla
lcrV
lcrR
lcrQ/yscM
lcrO/yscI
lcrG
lcrE/yopN
irp2
irp1
inv
fliZ
fliT
fliS
fliR
fliQ
fliP
fliO
fliN
fliM
fliL
fliK
fliJ
fliI
fliH
fliG
fliF
fliE
fliD
fliC
fliA
flhE
flhC
flhB
flhA
flgN
flgM
flgL
flgK
flgJ
flgI
flgH
flgG
flgF
flgE
flgD
flgC
flgB
flgA
cnf
caf1
ail

PREFIX rdfs: <http://www.w3.org/2000/01/rdf-schema#>
PREFIX pdo: <http://purl.jp/bio/11/pdo/>PREFIX skos: <http://www.w3.org/2004/02/skos/core#>
SELECT DISTINCT ?proteinName ?project ?protein
WHERE {
?sp pdo:mayCause pdo:PDO̲000107 .
?ID skos:broader ?sp .
{?strain pdo:hasSampleID ?ID.} UNION {?strain pdo:hasTaxonID ?ID.}?strain pdo:hasProjectID ?project .
?strain rdfs:label ?strainName .
?strain pdo:hasVirulenceFactor ?protein .
?protein rdfs:label ?proteinName .
}w.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/?term=240085>

w.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/?term=239341>

Y. pestis菌株リスト

w.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/?term=240106>://www.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/?term=34>

ww.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/?term=10638>

w.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/?term=240105>

w.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/?term=240104>

w.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/?term=240082>

w.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/?term=239345>

ww.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/?term=16700>

w.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/?term=240103>

ww.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/?term=36507>

ww.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/?term=36545>

w.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/?term=240108>

w.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/?term=240100>

heatmap化○VFに注目した菌株の比較が可能（株情報、分離源による区別も可能）○メタゲノムデータ中のVFを抽出するためのリファレンスDBとして使用可能
Licensed under a Creative Commons表示2.1日本 license (c)2015 山本希（東京工業大学）

上記菌株RDFと結合

ww.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/?term=30505>③VFの抽出
OrthoMCLを用い、アミノ酸のortholog groupを作成
VFDB中に含まれるアミノ酸と同じortholog groupに属するアミノ酸を菌株VFとして抽出

NCBI:protein

w.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/?term=240101>②VFを抽出する菌株の選択RDF化に使用した菌株リストから各種の菌株を選択し、Refseqよりアミノ酸配列を取得 1,168株
全アミノ酸について種ごとにAll to AllのBLASTP解析
BLASTP結果を加工（coverage > 95%、identity > 80%の結果のみ以下の解析に使用）v	

“VF name”

ww.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/?term=36547>

Shigella
Staphylococcus
Streptococcus
VibrioYersinia

NCBI:protein

ww.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/?term=16067>

Mycobacterium
Mycoplasma
Neisseria
Pseudomonas
Salmonella“VF name”

w.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/?term=240102>

Escherichia
Haemophilus
Helicbacter
LegionellaListeria

pdo:hasVirulenceFactor

NCBI:protein

ww.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/?term=67155>

Campyrobacter
Chlamydia
Clostridium
CorynebacteriumEnterococcus

pdo:hasProjectID

rdf:type①DBの取得Virulence factors of Pathogenic Bacteria (VFDB, http://www.mgc.ac.cn/VFs/)
から種ごとにVFをまとめたリストを取得
Bacillus
Bartonella
Bordetella
Brucella
Burkholderia

BioprojectID

pdo:hasTaxonID

VFのDB作成、RDF化

DB化した細菌種（25種）

Biosample
ID//www.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/?term=288>

病原性因子＝微生物が宿主に疾病を起こすために必要な因子例）毒素、表面付着因子、分泌系
菌株によってVFの有無に違いがあるメタゲノムデータ中に病原性関連遺伝子が存在するかどうか→リファレンスとなるDBが必要

VFリスト