KEGG、GenomeNetのサービス・利用法
京都大学化学研究所
バイオインフォマティクスセンター
化学生命科学領域
時松 敏明

統合データベース講習会 AJACS本郷11 2012/3/2

内容• KEGGとゲノムネットの概要• KEGG, ゲノムネットの配列データ、解析ツール（GENES, ORTHOLOGY（KO）, KAAS）• KEGG, ゲノムネットの化合物情報、ツール（LIGAND, SIMCOMP）• KEGGのシステム情報、ツール（PATHWAY, BRITE, KEGG mapper)• そのほかのKEGGのツール群

KEGGとゲノムネットの概要

3

KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes
様々な種類のデータを「生命現象の総体」として再構築

ツールの提供EGassembler
KAAS
GENIES
KegArray

ゲノムの知識KEGG GENES

ネットワークの知識
KEGG PATHWAY
高次機能
機能の階層分類
相互参照用データ
KEGG BRITE

ツールの提供e-zymePathPred
SIMCOMPKegArray

化合物の知識KEGG LIGAND

研究者の知識をゲノムレベルのデータと結びつける
4

KEGG でカバーしているデータ、いないデータ•いる•

いない

ゲノム

遺伝子
アノテーション

制御領域
バリエーション
タンパク質立体構造

パスウェイ

代謝、制御マップ
病気、薬開発マップ

シミュレーション用のパラメータ

化合物

２次元構造
薬、代謝物、反応
反応パターン

物性、立体構造
速度定数

データ間のリンク

外部データベースへのリンク5

KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes

http://www.kegg.jp/kegg/6

http://www.kegg.jp/kegg/kegg2.html

KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes

システムの知識KEGG PATHWAY
KEGG BRITE
KEGG MEDICUS
ゲノムの知識KEGG GENES
化合物の知識KEGG LIGAND

http://www.kegg.jp/kegg/

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KEGG Objects Identifier基本は Prefix + 5桁の数字

ゲノムネット

データベース検索システム：DBGET/LinkDB
KEGGと国内外の様々なデータベースを統合的に検索するシステム

ゲノムネット医薬品データベース

その他のプロジェクトデータベース

http://www.genome.jp/ja/

9ゲノムネット計算ツール

ホモロジー検索、モチーフ検索
マルチプルアライメント
遺伝子機能アノテーション、予測など
化学構造比較、パス予測など

http://www.genome.jp/ja/

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KEGG, ゲノムネットの配列データ、解析ツール（GENES, ORTHOLOGY（KO）, KAAS）

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KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes

GENES
配列データベース
ORTHOLOGY (KO)
機能アノテーション情報
KAAS
自動機能アノテーション

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KEGG GENES データベース

配列の種類
アノテーションの種類(manual、KOALA、KAAS)

KEGG GENESのサブカテゴリ

登録データの一覧表へのリンク
生物種単位、サンプル単位
13KEGG Organisms‐ GENES, DGENESに登録されている生物種 ‐分類

生物種コード生物種名

データソース14

KEGG Metagenomes‐ MGENESに収録されているサンプル ‐分類

生物種コード

生物種名

データソース15

生物種のゲノム情報‐ 種の系統、データソース、アノテーションレベル、文献などの詳細情報 ‐遺伝子のキーワード検索

bfind/bget – ワード、エントリー検索•••

データ検索、データ取得のためのシステム
bfind: キーワード検索
bget: エントリの取得「Histidine」 でGENESにbget「eco:b4139」
で bfindKEGG GENESのIDを探したいときは？
‐ KEGG Objects ‐KEGG Objectのページで、NCBI GeneID, NCBI gi, UniProt から、KEGG GENES entry の IDに変換可能

GENESをbfindで検索‐ 例： aspartate ammonia‐lyase ‐KEGG GENES Entry （例: eco:b4139）

Entry: エントリ名、種類、生物種名
Gene name: 遺伝子・タンパク質名、別名
Definition: オリジナルDBの機能アノテーション
Ortholog: KEGGでアサインしたKEGG Orthology (KO)
アノテーション（後述）
Pathway: エントリの遺伝子が機能するPathwayへのリンク
Class: KEGGにおける機能カテゴリBRITE（階層テキスト）
へのリンク

SSDB: SSDB (Similarity Score Database)からの情報抽出用のリンク。(Ortholog/Paralog推定、Gene Cluster)
Motif: エントリが持つドメイン・モチーフの情報
Other DBs： 他の配列DBへのリンク
Structure: PDBへのリンク
Position: エントリのゲノム上の位置（ゲノム情報がある場合）
AA seq: アミノ酸配列取得、ホモロジー検索
NT seq: 塩基配列取得。
All links: LinkDBでリンクされている内部および外部DB

KO （KEGG Orthology）•

KEGGでは同じ機能を有していると考えられるオーソログ遺伝子を集め、同一のID（K番号）をつけることでその機能を表現している•

新規ゲノムが新しくGenesに登録されるとき、遺伝子をオーソロググループ（KO）に追加することで、遺伝子の機能アノテーションを行っている

KO Entry

Definition: KEGGで定義された機能アノテーション（GENESエントリにおけるOrthologyフィールド）Genes: 同一の機能アノテーションを付与されている遺伝子リスト

…

KAAS
‐ 自動、機能アノテーションサービス ‐KAAS‐ 自動、機能アノテーションサービス ‐• 入力データ• 出力結果– KO アノテーション– KOに基づく遺伝子の階層分類データ（BRITE）– PATHWAY マップ

・・・– 大規模シークエンスによって得られた特定の種の大量のアミノ酸・ヌクレオチド配列– ORFの配列をmulti‐FASTA形式でQuery
種Xの網羅的遺伝子配列

テンプレートGENES
KO
PATHWAY

Results
種XのPATHWAYKAAS‐ 自動、機能アノテーションサービス ‐•Complete or Draft genome– 入力配列が特定の種の遺伝子で、ある程度網羅性が期待できると来、BBHを指標により精度の高いアノテーションを行う•Partial genome– 入力が網羅的でないときには、Bidirectionalな意味がないので、SBH（片方向ベストヒット）を用いてアノテーションを行う– 入力が少量の場合、対話式に結果を得ることができる•ESTs– 入力データがESTの時に用いる。ヌクレオチド配列を全パターン翻訳するため計算量が増える

KAAS結果• 結果例のページ http://bit.ly/yQUjjOKAAS結果

KAAS結果

KAAS結果

GenomeNetからの遺伝子データベース一括検索機能‐ 例： aspartate ammonia‐lyase ‐KEGG, ゲノムネットの化合物情報、ツール（LIGAND, SIMCOMP）

KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes

LIGAND
化合物情報データベース

SIMCOMP/SUBCOMP
化合物類似構造・部分構造検索32

KEGG LIGAND データベース

化合物、糖鎖、反応に特化した入口

KEGG LIGANDのサブカテゴリ

ID番号のIdentiferと各DBに含まれるデータの説明

KEGGにおける「Chem(o)-」の部分、すなわち生化学的な情報全般を扱う
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KEGG COMPOUND （代謝化合物情報）• 主に代謝化合物を収録したデータベース– 中心代謝、二次代謝物etc.

• 構造は2次元のグラフとして持つ– ファイルフォーマットは、MDL/mol and KCF• KCFフォーマットの特徴– KEGG Atom-Type による
原子表記

KCFフォーマットとKEGG Atom type•

KCF（KEGG Chemical Function)– KEGGにおける化合物データのフォーマット– MDL/mol類似のフォーマットで、原子情報にKEGG atom typesを使用•

KEGG atom types– 原子の周辺環境を反映させて、68種類に原子タイプを細分類• １）結合パターン• ２）周辺原子種• ３）リング、芳香性– SIMCOMPなどの構造比較計算に利用

KEGG GLYCAN （糖鎖構造情報）• 糖鎖分子の構造を収録したデータベース– エントリー数は、約1万1000• 構造は2次元のグラフとして持つ– グラフは、実際にはツリーとなる• ファイルフォーマットはKCF (Glycan)– Compound/Drugとの互換性はない

KEGG REACTION, RPAIR, RCLASS, ENZYME(生化学反応情報）• REACTAION (生化学反応）– 生体内反応のデータベース• 代謝系の酵素反応がメイン• RPAIR（基質-生成物変化）• RCLASS（反応分類）– RPAIRのパターンによる反応
分類• ENZYME（酵素番号）– IUBMBの酵素番号

REACTION, RPAIR, RCLASS‐ R00259 acetyl‐CoA:L‐glutamate N‐acetyltransferase を例に ‐• Reactionの基質と生成物の間で、原子の由来関係を持つ化合物のペアをReactant Pair と定義• RPAIRは、Reactant Pairを原子アラインメントして、 反応前後の変化をRDMパターンとしてデータ化• Reaction は RPAIRの組み合わせで表現できる• Reactant Pairは、生化学的意味に基づきラベル付け可能• RCLASSは、mainとラベル付けされた
Reactant pairの変化の類似性に基づいた反応の分類LIGANDをbfindでキーワード検索 (1)‐ 例： phenylalanine ‐KEGG COMPOUND Entry

構造表示、構造情報（mol, KCF）、構造検索、構造表示（＆編集）、各種データベースへのリンク
REACTION, PATHWAY, ENZYME
外部データベースへのリンク
PubChem, ChEBI, etc.
LinkDB情報
GenomeNet内部でリンクされているDBや対応関係のとれる外部DBを表示

SIMCOMP search

LIGANDをbfindでキーワード検索 (2)‐ 例： phenylalanine ‐KEGG REACTION Entry

反応式（物質名、C番号、図）、各種データベースへのリンク
RPAIR, PATHWAY, ENZYME, KO
LinkDB情報
GenomeNet内部でリンクされているDBや対応関係のとれる外部DBを表示

KEGG RPAIR Entry

アライメントの結果（図）ペアのフラグ情報（生化学的意味）
RDMの文字列表記
各種データベースへのリンク（COMPOUND, RCLASS, Related RPAIR,REACTION, ENZYME)KEGG RCLASS Entry

RDM変換パターン（文字列、図）RCLASSに含まれる RPAIR
各種データベースへのリンク（RPAIR, Related RCLASS,REACTION, ENZYME, PATHWAY, KO)

GenomeNetからの化合物データベース一括検索機能

カテゴリー１〜３のデータベース統合データベースを選択しキーワードを入力するとメニューに表示されているデータベース全てに対する検索となる。

英 語: http://www.genome.jp/
日本語: http://www.genome.jp/ja/

KEGGのシステム情報、ツール（PATHWAY, BRITE, KEGG MAPPER)

KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes

http://www.kegg.jp/kegg/48http://www.kegg.jp/kegg/kegg2.html

KEGG PATHWAY

生体内(外)の分子間ネットワーク図• 代謝系– 12カテゴリ– 中間代謝、二次代謝、薬の代謝、全体像• 制御系– 20カテゴリ– 遺伝制御、環境シグナル、細胞プロセス、生体システ
ム他• 疾患– がん、免疫・神経変性・循
環器・代謝疾患、感染症• 薬の開発http://www.genome.jp/kegg/pathway.html
Carbohydrate-> Glycolysis / Gluconeogensis– 開発の歴史、標的ベース、構造ベース
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KEGG PATHWAY

マップの例：解糖系• 酵素／遺伝子と化合物のネットワーク• Pathway menu
– BRITE 形式の階層分類• Organism menu
– 生物種の階層分類• Pathway entry– パスウェイデータベースのテキストバージョン• Hide description– マップの説明を隠す• User data mapping– マップ中のオブジェクトへの色付け•– マップの拡大縮小

http://www.genome.jp/kegg/pathway/map/map00010.html

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KEGG PATHWAY

テキストエントリー• Pathway entry– Entry•

マップ番号（map|ko|ec|rn|生物種コード+番号）– Name, Description•

パスウェイの説明とモジュールとの関係– Class•

階層分類情報– Pathway map•

マップとオーソログテーブルへのリンク– Disease– Reference• モジュール– 生物種間での保存、複合体、オペロンを考慮した機能単位

http://www.genome.jp/dbget-bin/www_bget?pathway+map00010

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KEGG PATHWAY

マップの例：解糖系• Reference pathway– KO, EC, Reaction へのリンク– (KO) オーソログエントリーへのリンク– (EC) 酵素エントリーへのリンク– (Reaction) 反応エントリーへのリンク• 生物種名– 各生物種の遺伝子エントリーへのリンク• Set personalized menu
– 生物種の選択• Sort below by– 生物種名のソート

http://www.genome.jp/kegg/pathway/map/map00010.html

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KEGG PATHWAY

マップの例：解糖系 (EC)
• Reference pathway (EC)
– 従来のリファレンスに対応– 対応する酵素エントリーのある箱に色づけ• Reference pathway (KO)– 対応するオーソログエントリーのある箱に色づけ– KEGG GENES に登録されている生物種が持つ遺伝子に関して配列の類似度を元に定義されているオーソログ情報– 酵素によってはオーソログが定義できないものもある

http://www.genome.jp/kegg/pathway/ko/ko00010.html

53

KEGG PATHWAY

生物種の選択• リストの生物種を限定する– カテゴリーは KEGG 生物種一覧のものが指定可能•Mammals, Protists,
Actinobacteria など– 生物種コードも KEGG 生物
種一覧のものが指定可能•hsa（ヒト）, mmu（マウス）,eco（大腸菌）など
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http://www.genome.jp/kegg/catalog/org_list.html

PATHWAY の検索とマッピング• キーワード検索–

Entry, Name, Description フィールドとマップ
中のオブジェクト（遺伝子、オーソログ、反応、化合物）や注釈を対象とした検索–

複数キーワードは AND 検索• オブジェクトマッピング KEGG Mapper–

マップ中のオブジェクトを指定してパスウェイにマッピング–

複数オブジェクトを指定するとマッチしたものす
べてをマッピング–

Search Pathway•–

Search ＆ Color Pathway•–

指定したオブジェクトを自由に色づけ

Color Pathway•

http://www.genome.jp/kegg/pathway.html

指定したオブジェクトを赤く色づけ指定したパスウェイにオブジェクトの色データを与えて色づけ、数値を与えることも可能

55

PATHWAY のキーワード検索

http://www.genome.jp/kegg/pathway.html

56

PATHWAY のオブジェクトに好きな色を付ける• オブジェクトの色を指定する（html で使える色指定ならOK）• Example をコピペ
http://www.genome.jp/kegg/pathway.html

57

PATHWAY のオブジェクトに好きな色を付ける

58

KEGG GENOME
http://www.genome.jp/kegg/genome.html• KEGG 生物種ごとの入り口– GENES/DGENES：ゲノムが決定された生物種– EGENES：ESTで作成された遺伝子セット– MGENES：メタゲノムデータ– Pangenomes：近縁生物種をまとめたもの– Viruses– 生物種の組み合わせ59

複数生物種の情報を PATHWAY にマッピング• 共生関係• 寄生関係• ヒトと腸内細菌叢など• アブラムシ– 昆虫• ブフネラ– アブラムシの共生細菌60

複数生物種の情報を PATHWAY にマッピング

アブラムシ ブフネラ 共通61

KEGG BRITE‐ 機能の階層分類情報 ‐•Pathway and onthology– KEGG PATHWAY, KEGG BRITE のエントリーを階層で表現•

Genes and Proteins– 遺伝子や蛋白質の機能やネットワークの分類。分類対象はKO•

Compound and Reactions– 化合物の構造や機能による分類、酵素反応の種類による分類•

Drug and Diseases– 薬物や疾患のような医薬系の情報の分類•

Cell and Organisms– KEGGの登録生物の系統分類

KEGG BRITE‐ 機能の階層分類情報 ‐• キーワード検索– BRITE階層情報のテキスト検索• オブジェクトマッピング KEGG Mapper–

マップ中のオブジェクトを指定してBRITEにマッピング–

複数オブジェクトを指定するとマッチしたものすべてをマッピング–

Search BRITE•–Search ＆ Color BRITE•–指定したオブジェクトを赤く色づけ指定したオブジェクトを自由に色づけJoin BRITE•

BRITEに別の関係情報をマッピング（例：GPCRのBRITE(ko04030)に、GPCRとリガンドの関係情報をマッピング）

そのほかのKEGGのツール群

ゲノムネットケミカル情報解析ツール

KEGG APIKEGG API を使うと、もっと柔軟に KEGG のデータを扱うことができます。

http://www.kegg.jp/kegg/soap/

KGML: KEGG Markup Language
XML フォーマットでパスウェイ中のオブジェクトのつながりを表現

http://www.kegg.jp/kegg/

http://www.kegg.jp/kegg/xml/

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KegTools