[CC-­‐BY]	  Licensed	  under	  a	  CreaAve	  Commons表示2.1日本 license	  (c)2015	  内山郁夫（基礎生物学研究所）	

大規模比較解析に向けた微生物ゲノムデータベースMBGDの拡張	
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1
内山郁夫 、三原基広 、西出浩世 、千葉啓和

１2（ 基礎生物学研究所、 （株）ダイナコム）	

要 旨	

増大する微生物ゲノム	

MBGDは、公開された微生物のゲノム情報を、オーソログ関係に基づいて整理し比較するためのデータベースである。全系統をカバーする「標準オーソログ表」に加えて、近縁ゲノム比較に向けた系統群ごとのオーソログ表も作成している。
現在公開されている微生物ゲノムは、完全ゲノムで数千件、ドラフトゲノムを加えると数万件に及んでおり、さらに拡大を続けている。MBGDはこれらを効果的に活用できるよう、データベースの拡張を行うとともに、さらなる効率的なデータ処理方法の開発を行っている。データの取り込みは、NCBIのAssembly	   Reportsのデータを用いて完全ゲノムとドラフトゲノムの振り分けを行い、完全ゲノム、および「属」レベルで完全ゲノムに含まれないドラフトゲノムについては、総当たりホモロジー検索を行って、オーソログテーブルを作成している。それ以外のドラフ
トゲノムは、MyMBGD機能を用いて、完全ゲノムと合わせたオーソログ解析を動的に行うことができる。一方、近年同一種のゲノムを多数決めて比較する研究が増えてきたことから，種内比較と種間比較を分けて効率的にデータを管理するよう、改良を進めている。	

利用可能な微生物ゲノム数は急速な増大を続けている。近年は、ドラフト状態で公開されるゲノムデータが増えており、データ数は数万件に達している。中でも同一種のゲノムを多数決定するケースが目立って増大している。	
公開されたゲノム数の推移	
complete	

complete+draK	

種あたりのゲノム数	

35000	  35000	  family	  30000	  30000	  genus	  25000	  25000	  species	  20000	  15000	  10000	  10000	  5000	  5000	  0	  complete	genus	  Species	
Salmonella enterica	
Chlamydia trachomatis	
Escherichia coli	
Helicobacter pylori	
Mycobacterium tuberculosis	
Staphylococcus aureus	
Listeria monocytogenes	
Pseudomonas aeruginosa	

speci
es	  

20000	  15000	  family	  complete+draK	
Count	 Species	
Count	
225	 Escherichia coli	
1654	
86	 Salmonella enterica	
792	
83	 Staphylococcus aureus	
487	
65	 Helicobacter pylori	
325	
56	 Enterococcus faecalis	
305	
56	 Streptococcus agalactiae	
304	
45	 Streptococcus pneumoniae	
290	
32	 Acinetobacter baumannii	
246	

0	  2014-­‐02	   2015-­‐01	   2015-­‐02	  2014-­‐02	  2015-­‐01	  2015-­‐02	  微生物比較ゲノムデータベースMBGD	

公共DBからのゲノムデータのとりこみ	MBGDは、オーソログ情報に基づいて、大量の微生物のゲノム情報を効果的に比較するためのさまざまな機能を有している。	

MBGDのデータはNCBIのRefSeqおよびGenBankから取り込んでいる。基本的には、NCBIによって定義されているAssembly	  levelによってcompleteとdraKの振り分けを行っているが、独自のクオリティチェックも加えている。	
原核生物	  Aseembly Report
Data
Total (Bacteria/Archaea)
Refseqあり

Refseqの有無

Refseqなし、GenBankあり

YES

MBGDでComplete
2747(2582/165) として登録済み	
NO

Gapless Chromosome
Chromosome with gaps

Chromosome
Scaffold
ContigAssembly levelによる分類	

73 (68/5)

Gapless Chromosome
Chromosome with gaps
566 (556/10)

Assembly levelによる分類	

Chromosome
Scaffold
Contig

14382(14197/185)

クオリティチェック・gap割合 < 25%・CDSの数が十分にある・unlocalizedの割合 < 25 %OKNG

64 (59/5)

NG
クオリティチェック・seq中のNの数 < 10000 4
OK

クオリティチェック・gap割合 < 25%
・CDSの数が十分にある・unlocalizedの割合 < 25 %60

9 (9/0)

クオリティチェック・Contig数 < 2000
・CDS数 > 0・CDS/genome length (kb) <0.2

OK

11 (10/1)555 (546/9)

NGNG
クオリティチェック・seq中のNの数 < 10000 163

230(224/6)

OK

使用しな
い	Complete	

OKNG

392

14152(13973/179)

Complete	

Incomplete	  DraK	Incomplete	  

使用しな
い	

（incompleteもcomplete扱いだが、完成度が低いので代表生物種としては使用しない）	

MyMBGD機能によるドラフトゲノムの解析	

MBGDのデータ構築プロセス	MBGDでは事前計算されたオーソログ表をいくつか用意している。属あたり1ゲノムを選択した代表生物種について作成した「標準オーソログ表」に加えて、系統群ごとに個別に作成したオーソログ表がある。これらに加えて、利用者は新たなゲノムデータを登録して、比較対象とする生物種を選んで動的にオーソログ表を作成し、比較することもできる。これらに加えて、
MBGDではドラフトゲノムを2通りの方法で扱っている。「標準オーソログ表」に含まれない属のゲノムについては、標準オーソログ表に差分的に追加したオーソログ表を事前計算により作成している。それ以外のゲノムについては、MyMBGD機能によって動的に解析できる。	

Genome	  selecAon	
Ortholog	  cluster	  table	3462	  genomes	

787	  genomes	

930918-­‐3	

ドラフト付加	  オーソログ表	

787	  genomes	

完全ゲノム	3462	  genomes	

1584	  genomes	
その他の	  ゲノム	

系統群特異的	  系統群特異的	  系統群特異的	  オーソログ表	オーソログ表	
オーソログ表	  新規の属に	  属するゲノム	  	  	D30	797	  genomes	

ドラフトゲノム	

不完全ゲノム	

930918-­‐3	   D30	  (absence)	 (presence)	

14257	  genomes	

DomClust+	  DomReﬁne	

MyMBGD	  interface	
利用者ゲノム	

Gene	  order	  comparison	拡張	  オーソログ表	

標準	  オーソログ表（default）	
代表生物種	

以下の例では、黄色ブドウ球菌(Staphylococcus	  aureus)の、それぞれヒトの鼻腔に存在する株と存在しない株のモデルとして解析された2つのドラフトゲノム、D30株と930918-­‐3株を含んだ比較ゲノム解析を行い、D30に存在して930918-­‐3に存在しない遺伝子の中から、特徴的な出現パターンを持つ遺伝子群を抽出している。	  

利用者ゲノム	  Occurrence	  paDern	  analysis	All-­‐against-­‐all	  	  similarity	  calculaAon	

Click	

DomClust	

利用者作成	  オーソログ表	

Ortholog	  analysis	MergeTree	MBGDのオーソログデータ作成には以下のプログラムが用いられている	
DomClust:	  階層的クラスタリングによる	  ドメイン単位のオーソログ分類	

MergeTree:	  オーソログデータの差分更新	
Ortholog	  group	  assignment	 OG_A	Query	  Seq	

近年、種内ゲノムが大量に決定され、比較されるようになったことから、種内ホモロジーデー
タを効率的に計算し、種間データと分けて管理するように改良を進めている。	

OG_B	

種内	OG_C	

score	  >=	  topScore	  *	  0.8	

DomReﬁne:	  マルチプルアライメントに基づく	  ドメイン単位のオーソログ分類の改良	
Before	AKer	

ホモロジーデータの効率的な管理に向けて	Tree	  reconstruc5on	
newly	  added	  Geneｒate	  distance	  matrix	  genomes	
from	  the	  treeｒ	ExisAng	  genomes	
eco

vch bsu

ecovch

hpy

種内	

種内	
種間	Distance	  matrix	

種内	Re-­‐clustering	
ecovch bsu meta meta eco vch

hpy meta

UBLASTによる高速検索	

BLAST UBLAST比較	

(E.coli 30 strains)		

Computation time	blast	

817m13.103s	

ublast	18m37.050s		

Total hits	blast	

16,455,101	

ublast	13,997,827		

Num clusters (>=3species)	

blast	

7790	ublast	7853		

Num identical clusters (>=80%)	

ublast 	7406 (95.86%)