生体高分子NMRデータベース(BioMagResBank)の統合化とその応用○小林直宏、横地政志、岩田武史、児嶋長次郎、藤原敏道
大阪大学蛋白質研究所
概要
核磁気共鳴法(NMR)は創薬研究に直結する重要なパラメータである化学シフトやタンパク質の動的な情報を得ることが出来る研究方法である。我々PDBjBMRBグループは生体高分子のＮＭＲ実験データの国際的なデータベースであるBioMagResBank(BMRB)の全データをオントロジーに基づいてXML化、RDF化して公開した。更にRDF検索のためのSPARQLエンドポイントを公開することで他の生命科学系データベースとの統合的な検索が可能になった。本
年度においてはSPARQL検索の応用としてBMRB、PDB、UniProt、IntActをモデル構造データベースであるSAHGと連携させることでNMRデータに対して構造座標、機能情報、一塩基置換情報、疾患関連情報およびタンパク質間相互作用情報を一括して検索できる２次データベースを構築した。またXML化されたBMRB、PDB、UniProtなどのデータベースを統合的にかつ高速に検索することが可能なWebサイトのプロトタイプを開発した。これらの２次データベー
スやWebサイトを公開することによりNMR創薬研究への有効活用が期待される。

データベースのツール提供、検索サイトの運営を担う
PDBj-BMRBポータルサイト

創薬研究に直結するデータ生体高分子のＮＭＲとは？
プラスミド

ポータルサイトのトップページ

登録のフローと解説

NMR試料管[15N]-NH4Cl[13C]-グルコース

大量発現

精製

配向試料の残余双極子

立体構造決定OH

Sugase et al., Nature, 2007

ON
H

O

N
H

CH
CH2 CH3CC

C

N

N

C

H

C

H

H

C

CH2CH2H
C
O

C

O

NC

O

CH2C

C

N

N

C

CH2H

H

C

O

CH2CH2CH2COOH

CH2C
O

CH3

リガンド滴定実験

15N核緩和によるダイナミックス解析

CH2CH3NH2BMRBデータベース公開サイトのトップページ

BMRB, PDBの登録総数の年次推移

高機能になった検索ページ
検索結果をより詳細に解析するためのWEBツール群

10,819 entries
9,535 entries

PDBにおけるNMR構造登録件数

BMRB登録件数
より直感性に優れた検索結果
表示機能

BMRBxToolおよびBMRBoToolによるBMRBエントリーのXML化とRDF化
データベース間検索結果とその解釈

BMRB/XMLNMR-STAR v3

SPARQLクエリの例
SELECT DISTINCT ?entity_id ?uniprot_id ?label ?omim_id ?dbsnp_id ?mutation?phenotype
FROM <http://bmrbpub.protein.osaka-u.ac.jp/rdf/bmr>
FROM <http://purl.uniprot.org/uniprot>
FROM <http://bio2rdf.org/omim>
WHERE {
?s_up BMRBo:entity_db_link.entry_id 4280;
BMRBo:entity_db_link.entity_id ?entity_id;
BMRBo:entity_db_link.database_code "SP" ;BMRBo:entity_db_link.accession_code ?uniprot_id ;BMRBo:link_to_uniprot ?s_uniprot .

BMRB-IDSERVICE <http://uniprot.bio2rdf.org/sparql>{?s_uniprot uniprot_c:recommendedName ?s_name .
?s_name uniprot_c:fullName ?label .
?s_uniprot rdfs:seeAlso ?o_purl .
}BMRB/RDF

配列情報

一塩基置換情報 疾患情報

BMRB

UniProt

OMIM

BMRB
4280
4280
4280
4280
4280

変異L100V
R106W
R133C
E137G
A140V

OMIM
300005300005300005300005300005A140

FILTER (STRSTARTS(STR(?o_purl), "http://purl.uniprot.org/mim/"))}

BIND (STRAFTER(STR(?o_purl), "http://purl.uniprot.org/mim/") AS ?omim_id)
BIND (IRI(CONCAT("http://bio2rdf.org/omim:", ?omim_id)) AS ?s_omim)

E137

SERVICE <http://omim.bio2rdf.org/sparql>{dbSNP ID?s_omim omim_v:variant ?s_allele .
?s_allele omim_v:dbsnp ?s_dbsnp ;omim_v:mutation ?mutation ;rdfs:label ?phenotype .
BIND (STRAFTER(STR(?s_dbsnp), "http://bio2rdf.org/dbsnp:") AS ?dbsnp_id)
}

DNA
結合部位

変異、表現型(注)Prefixは省略しています

BMRB/XML、BMRB/RDFの他データベースとの連携への応用
データベース間検索による２次的データベースの構築

NMRデータ

dbSNP
rs28935168
rs28934907
rs28934904
rs61748392
rs28934908

２次構造 SASA% ∆∆Ghydr
Coil22.5 3.9
Strand8.0
11.8
Coil49.4 7.2
Helix41.7 6.6
Helix42.0 1.7

ligand結合阻害
Helix形成阻害-- OMIMの詳細情報より -メチル化CpG結合タンパク MeCP2NMR構造 1QK9: Wakefiled et al., 1999
X染色体関連の精神発達遅延の患者からE137G、A140Vの一塩基置換が発見された

化学シフト情報を用いて創薬のためのＮＭＲ実験が可能になる

BMRB/XML, PDBML, UniProtKBを利用した統合的WEB検索サイトの構築

ＮＭＲ創薬支援２次データベースの試験的な公開
http://bmrbdep.protein.osaka-u.ac.jp/en/sahgnmr.html

疾患情報SAHG

Uniprot

OMIM

配列情報
モデル構造データベース

産業総合研究所の本野千恵主任研究員らはヒトゲノム配列に対して網羅的にホモロジーモデリングを行うことで42000件を超える高品質な立体構造予測を実現し、それらの構造情報をSAHG (Structural Atlas of Human Genome) データベースとして公開した2)。本年度においては統合的拡張された
BMRBデータを有効活用し、2次データベースの構築やWEB検索サイトの開発を行った。 SAHGのデータベースに登録されているモデル構造のうちPDBにすでに登録されている配列相同性95%以上のもの、テンプレート構造との配列相同性が40%以下あるいは90%以上のもの、アミノ酸40残基以下あるいは300残基以上のものを除外し得られた約3100構造について対応しているUniProtのIDと残基番号情報のリストを作成した。このリストに対して対応しているBMRB, IntAct,
OMIMの情報をSPARQLによるデータベース間検索を実行し、MySQL上に2次データベースを構築した。

構築された2次データベースはSAHGの情報とテンプレートとなるPDB-IDとUniProt-IDに加えBMRB情報、IntActによるタンパク質相互作用情報あるいはOMIMによる一塩基置換(SNP)情報を持つものについてはそれらのIDと詳細情報を表示する検索サイトを開発した。この検索サイトではこれらのモデル構造を相互作用情報数やSNP情報の有無で絞り込み検索が可能であり、NMR研究等に適している興味深い高品位なモデル構造を入手することができる。また、SAHGのモデル構造データベースには複合体構造も多く含まれており、2次データベースではその約1/3がBMRBに登録されている化学シフト帰属情報を持つため創薬研究への応用が期待できる。

我々はBMRB/XMLを利用し、他のライフサイエンス系データベースのXMLアーカイブを連携させることで統合検索を実現する検索サイトを開発しこれも近日中の公開を予定している。この検索サイトを用いることでBMRB, PDB, UniProt, IntActについてキーワード、配列などによる同時検索を高速に実行できる。化学シフト情報および構造情報を起点として機能情報や相互作用情報を柔軟に取得でき、様々なタンパク質研究への応用が期待できる。
謝辞
大阪大学: 金城玲、中村春木
米ウィスコンシン大学: Eldon L. Ulrich、John L. Markley
産業総合技術研究所： 本野千恵

名古屋大学： 廣明秀一

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