NBDC進捗報告会
2013年1月21日

蛋白質構造データバンクの国際的な構築と統合化（Protein Data Bank japan: PDBj, http://pdbj.org）

代表研究者：中村 春木
分担研究者：藤原 敏道（大阪大学蛋白質研究所・教授）
1. 本研究開発課題の目的・要旨
国際協力のもと、蛋白質構造データバンク(PDB)の構築・運営を実施するとともに、NMR実験情報のデータバンク(BMRB)、電子顕微鏡やX線小角散乱による構造情報データベース(DB)を構築し公開する。オントロジー、データ管理システ
ム、新たなデータ書式、利用者インターフェースや二次的DBおよび種々のサービスも開発して公開し、PDBの高度化・統合化を図り、人材育成も実施して、他の生命DBとの統合化による高次生命機能の理解に資する研究開発を行う。
1©2013中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本2. 3年間の研究開発のスケジュール
H23 年度(1) PDBﾃﾞｰﾀおよびNMR
実験情報の登録・編纂の国際連携による実施とﾃﾞｰ
ﾀ検証法の開発

H24 年度

H25年度

蛋白質構造情報とNMR実験情報の登録
登録業務の標準化・自動化の開発
wwPDB活動の推進
電子顕微鏡およびX線小角散乱の構造情報DBの構築と公開
NBDCとの統合的データベース運営の仕組みを構築し実施(2) 統合化に向けたデータベースの高度化

構造情報のRDF形式等による高度化と配布
構造データのオントロジー化
構造データの新フォーマットの開発・改良
ユーザインターフェースの改良と高度化
NMR化学シフトデータの管理・配布システムの高度化（STAR形式への変換） （XML形式への変換）
新たなNMR実験データのDB化と登録システムの開発(3) 機能情報と構造情報との統合化システムの開発

蛋白質相互作用部位データベースの改良とPDBデータとの統合化
配列情報を入力とした構造情報に基づく機能の解析・推定パイプラインの構築（パイプライン化と公開） （GIRAF, eF-seekの組込） （システムの確立と公開）(4) 人材養成の実施

データ寄託者・登録者に対する教育・講習会の実施
データ利用者に対する教育・講習会の実施
キュレータ・アノテータの人材育成©2013中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本

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3．本研究開発課題のH24年度の目標と当初計画(3-1) PDBﾃﾞｰﾀおよびNMR実験情報の登録・編纂の国際連携による実施とﾃﾞｰﾀ検証法の開発
・Primary Annotatorsによる欧米との協力したデータ登録の継続的実施。
・登録業務の標準化・自動化（Common Annotation & Deposition ）システム開発の国際協力 （データ検証部分を担当）。
・wwPDB活動を推進。（2012年10月12日にwwPDBACを大阪で開催。wwPDBとしての教育面を重要視した第１回目のアウトリーチ活動も行う。）
・クラウドコンピューティング技術を用いたNMR実験データの統合的管理システムを構築。
・NBDCとの統合的データベース運営の仕組みを構築し実施。

(3-2) 統合化に向けたデータベースの高度化
・蛋白質構造データの管理・配布システムの高度化： RDF化したPDBデータをさらに高度化し、他のRDF化がなされたDBとの統合化環境を整備。
・wwPDBとしての新たなフォーマット開発とその記述検証法の開発（PDBj: 金城、池川）・ユーザインターフェースの改良：継続的にポータルの改良を行い、多言語でのweb page記述とグラフィックスビューアによるGUIの高度化を実施。
・NMR実験データの管理・配布システムの高度化：オントロジー工学に基づく標準的なXML記述法を開発し、外部DBとの統合的利用を可能として、薬剤や蛋白質間の相互作用、動力学解析データ等の登録を支援する仕組みを開発。H24年度はプロトタイプを作成。
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3

(3-3) 機能情報と構造情報との統合化システムの開発
・配列情報を入力とした、構造情報に基づく機能の解析・推定パイプラインの構築：
ゲノム解析等によって得られた配列情報から、構造情報あるいは複合体を含むモデル構造情報を経由し、高次生命機能情報を推定できる高速なパイプラインを改良・提供する。
H23年度に、PreMAFFTash, MAFFTash, MSThread, Spanner, SeSAW, surFit 等で構築されたパイプラインを、複数のthreading手法（HHPred, FFAS, FORTE）が利用できるように改良して成熟させ、パイプラインによる機能推定が行えるシステムとする。

(3-4) 人材養成の継続的実施
・データ寄託・登録者に対する高精度のデータ整理と登録についての教育：構造生物学の研究者・学生に対し、データの品質管理について講習会やセミナーで紹介する。
・データ利用者に対する初歩的および高度な利用法についての教育：初歩的な利用法と、高度なweb serviceの利用法の双方について、講習会やセミナーで紹介する。
・キュレータ、アノテータの人材養成：国際的なon-the-job trainingを実施し、国際感覚を身に付けたキュレータ、アノテータを育成する。

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4

4．本研究開発課題のH24年度の進捗状況(4-1) PDBﾃﾞｰﾀおよびNMR実験情報の登録・編纂の国際連携による実施とﾃﾞｰﾀ検証法の開発
・Primary Annotatorsによる欧米との協力したデータ登録の継続的実施。

Processed Data number

90000
80000

Processed total at PDBj (20,026, 2 Jan 2013)

70000
60000

All available PDB data (87,153, 2 Jan 2013)

50000
40000
30000
20000
1000002000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

year
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5

・EMデータと登録・公開と、SAXS/SANSデータの受付のタスクフォースを開始

SAXS/SANS VTF(held on July 12-13, 2012,at Rutgers U)[Members]
Jill Trewhella (Chair, U of Sydney)
Dmitri Svergun (EMBL-Hamburg)
John Tainer (The Scripps Res Inst)
Wayne Hendrickson (Columbia U)
Mamoru Sato (Yokohama City U)
Torsten Schwede (U of Basel)©2013中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本

6

・登録業務の標準化・自動化（Common Annotation & Deposition ）システム開発の国際協力 （データ検証部分を担当し、他のメンバーが利用を開始）。

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・wwPDB活動を推進。
wwPDBAC meeting（2012年10月12日阪大蛋白研で開催）
アウトリーチ活動（2012年10月13日大阪梅田で開催）

wwPDB and wwPDBAC members
at IPR, Osaka U, on Oct. 12 20128©2013中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本

8

・wwPDBとしての第１回アウトリーチ活動の実施
2012年10月13日に、大阪・梅田において教育面を重要視したwwPDBアウトリーチ活動
講演者：中村春木（阪大蛋白研），S.K. Burley (UCSD)，難波啓一（阪大生命機能）・NBDCとの統合的データベース運営の仕組みを構築し実施。
NBDCのデータセンターに、ポータルを設置し、運営を開始（2012年12月から本格運用）
NBDCの札幌データセンター内に設置したPDBjのフロンド
エンドサーバNBDC札幌データセンターと阪大蛋白研との冗長的運営

NBDCと阪大蛋白研とでデータベースを同期

9©2013中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本

(4-2) 統合化に向けたデータベースの高度化
PDB/RDF format for Semantic Web (wwPDBの標準仕様に採用）
Service from wwPDB by Akira R. Kinjo (PDBj) & Tom Oldfield (PDBe)

http://rdf.wwpdb.org/Kinjo et al. (2012) Nucl. Acids Res. 40, D453-D460.

In UniProt RDF:

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10

PDB new format in the near future:
PDBx• Problem: PDB format is almost 40 years old anddoes not support today’s science• Some of the limitations– Max 62 chains– Max 99,999 atoms– No bond orders or chirality specified for ligands– No support for NMR, EM, hybrid methods, …
– Meta-data specification cumbersome and inflexible• Preserve backward compatibility where possible• Web service to create current PDB format data
• Delivery target early 2013©2013中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本

11

ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM

1
2345678NCACOCBNCAC

GLN A
GLN A
GLN A
GLN A
GLN AVAL A
VAL A
VAL A

393939
39
39
40
40
40

24.690 -27.754
23.581 -26.768
23.990 -25.379
25.070 -25.209
23.136 -26.685
23.115 -24.395
23.342 -23.010
24.000 -22.152

24.27524.41623.90523.33025.87824.12223.69024.7781.00 60.76
1.00 60.98
1.00 59.98
1.00 60.25
1.00 60.69
1.00 59.58
1.00 57.26
1.00 56.00

NC
C
O
C
N
C
C

PDB
loop__atom_site.group_PDB_atom_site.id_atom_site.auth_atom_id_atom_site.type_symbol_atom_site.auth_comp_id_atom_site.auth_asym_id_atom_site.auth_seq_id_atom_site.Cartn_x_atom_site.Cartn_y_atom_site.Cartn_z_atom_site.pdbx_PDB_model_num_atom_site.occupancy_atom_site.pdbx_auth_alt_id_atom_site.B_iso_or_equiv
ATOM
1 N
N GLN AATOM
2 CA
C GLN AATOM
3 C
C GLN AATOM
4 O
O GLN AATOM
5 CB
C GLN AATOM
6 N
N VAL AATOM
7 CA
C VAL AATOM
8 C
C VAL A

PDBx

39393939
3940404024.69023.58123.99025.07023.13623.11523.34224.000-27.754-26.768-25.379-25.209-26.685-24.395-23.010-22.152

24.27524.41623.90523.33025.87824.12223.69024.77811111111

1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00

.
.
.
.
.
.
.
.

60.76
60.98
59.98
60.25
60.69
59.58
57.26
56.00

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・NMRデータ構造の管理配布システムの高度化
NMR研究が持つ複雑なデータ構造STAR形式として表現#_cyana_input.id 201110101_cyana_input.user 'Naohiro Kobayashi'_cyana_input.mag ?
#loop__hierachy_cyana_input.tag_hierachy_cyana_input.item_hierachy_cyana_input.type_hierachy_cyana_input.item_up

RDB,XML,RDF化へ

cyana_input_gui_mother_top item
top nonecyana_input_gui_mother_top widget norm item
cyana_input_gui_mother_top geom
end widget
cyana_input_gui_mother_top color end widget
cyana_input_gui_mother_frame item
top nonecyana_input_gui_mother_frame widget norm item
cyana_input_gui_mother_frame row
end widget
cyana_input_gui_mother_frame colend widget
cyana_input_gui_mother_frame anchor end widget
cyana_input_gui_mother_frame parent end widget#

一般登録データの品質
NMRデータと立体構造の決定精度の再評価
80.0

NMRデータの解析と登録支援

Other
70.0

RIKEN

60.0

支援システムによる登録データの品質向上

50.0
40.0
30.0
20.0
10.0
0.00.0NMR構造から逆算される化学シフトと登録された値との差（赤:Z>3.0, 青:Z>2.0)©2013中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

13

・統合を推進する生体系NMRデータ群の網羅的登録

データ交換

仮想サーバー

NMR測定データ
解析登録支援サーバー
NMR装置
仮想化技術をサーバーとクライアント双方に適用

データ交換

NBDC
データ交換

耐障害性向上、省エネ化、省スペース化
管理コストの軽減

BMRB

PDB

Giraf

糖鎖データベース

公共データベース
デスクトップツール群
実験データと解析を統合的に支援
データベースの高い品質を維持

他のデータベースとの連携
相互作用、動的状態の解析支援©2013中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本

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・新たなポータル (PDBj-BMRB) の開発(2012年１２月に公開）©2013中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本

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(4-3) 機能情報と構造情報との統合化システム (SFAS) の開発
Sequence to Function Annotation Service
http://sysimm.ifrec.osaka-u.ac.jp/sfas2/
Intrinsic Disorder (DISOPRED, IUPred)
Secondary Structure (PSIPred)
Domain boundaries (based on above)

Composition-based Function
prediction (IDD Navigator [1-2])

Threading (HHPred, FFAS, Forte, PSIBLAST,BLAST)
3D Modeling (Spanner [3])Structure-based function prediction(SeSAW [4])1. Teraguchi S, Patil A, Standley D, BMC Bioinformatics 2010, 11:S7
2. Patil A, Teraguchi S, Dinh H, Nakai K, Standley DM, Pac Symp Biocomput 2011, 17:164-175.
3. Lis M, Kim T, Sarmiento J, Kuroda D, Dinh H, Kinjo AR, Devadas S, Nakamura H, Standley DM, Immunome Research 2011, 7
4. Standley DM, Yamashita R, Kinjo AR, Toh H, Nakamura H: Bioinformatics 2010, 26:1258-1259.
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SFAS Example: N4Bp1Input©2013中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本

17

2D View
Intrinsic Disorder

Predicted Secondary Structure

Close-up view of selected region
Global view of selected region
Threading Methods©2013中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本

18

2D Alignment View
Select an alignment
to view or build©2013中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本

19

3D Alignment View
Build the model with Spanner

Query residues mapped on Template©2013中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本

20

3D Model View

Spanner model with electrostatic
potential mapped on molecularsurface

Submit to SeSAW©2013中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本21SeSAW Results©2013中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本

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(4-4) 人材養成の実施
・データ寄託・登録者に対する高精度のデータ整理と登録についての教育：構造生物学の研究者・学生に対し、データの品質管理について講習会やセミナーで紹介する。
2012年日本結晶学会年会 ランチョンセミナー(2012年10月26日(金)、東北大学 片平キャンパス）「PDBj (PDB Japan) の活動とwwPDB」 講師：中村 春木
「PDB (Protein Data Bank) への登録について」 講師：中川 敦史
・データ利用者に対する初歩的および高度な利用法についての教育：初歩的な利用法と、高度なweb serviceの利用法の双方について、講習会やセミナーで紹介する。
第12回日本蛋白質科学会年会ランチョンセミナー(2012年6月20日(水)、名古屋国際会議場）「PDBj のデータベース高度化・統合化について」 講師：中村 春木「PDBj のウェブサービス」 講師：金城 玲
第50回生物物理学会年会 ランチョンセミナー(2012年9月23日(日)、名古屋大学東山キャンパス）「Big Data時代へ向けたwwPDBとPDBjの役割」 講師：中村 春木「仮想化技術を用いたNMRデータの統合的解析環境」 講師：小林 直宏©2013中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本

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5．本研究開発課題のH25年度の実施計画(5-1) PDBﾃﾞｰﾀおよびNMR実験情報の登録・編纂の国際連携による実施とﾃﾞｰﾀ検証法の開発
・Primary Annotatorsによる欧米との協力したデータ登録の継続的実施。
・登録業務の標準化・自動化（Common Annotation & Deposition ）システム開発の国際協力 （データ検証部分を担当）。
・wwPDB活動を推進。（2013年秋にwwPDBACを米国で開催。）
・クラウドコンピューティング技術を用いたNMR実験データの統合的管理システムを構築。
・NBDCとの統合的データベース運営の仕組みを継続的に実施。

(5-2) 統合化に向けたデータベースの高度化
・蛋白質構造データの管理・配布システムの高度化： RDF化したPDBデータをさらに高度化し、他のRDF化がなされたDBとの統合化環境を整備。
・wwPDBとしての新たなフォーマット開発とその記述検証法の開発
・ユーザインターフェースの改良：継続的にポータルの改良を行い、多言語でのweb page記述とグラフィックスビューアによるGUIの高度化を実施。
・NMR実験データの管理・配布システムの高度化：オントロジー工学に基づく標準的なXML記述法を開発し、外部DBとの統合的利用を可能として、薬剤や蛋白質間の相互作用、動力学解析データ等の登録を支援する仕組みを開発。H24年度はプロトタイプを作成。
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(5-3) 機能情報と構造情報との統合化システムの開発
・蛋白質相互作用部位データベースの改良とPDBデータとの統合化：蛋白質構造解析用の種々のサービス・ツールに対してもSemantic Web技術を適用したサービスとし、原子レベル→残基レベル→分子レベル→分子複合体レベルへつなげて、高次生命機能情報へ、原子レベルの情報を統合化できる環境を整える。
・配列情報を入力とした、構造情報に基づく機能の解析・推定パイプラインの構築：
ゲノム解析等によって得られた配列情報から、構造情報あるいは複合体を含むモデル
構造情報を経由し、高次生命機能情報を推定できる高速なパイプラインを改良・提供する。

(5-4) 人材養成の継続的実施
・データ寄託・登録者に対する高精度のデータ整理と登録についての教育：構造生物学の研究者・学生に対し、データの品質管理について講習会やセミナーで紹介する。
・データ利用者に対する初歩的および高度な利用法についての教育：初歩的な利用法と、高度なweb serviceの利用法の双方について、講習会やセミナーで紹介する。
・キュレータ、アノテータの人材養成：国際的なon-the-job trainingを実施し、国際感覚を身に付けたキュレータ、アノテータを育成する。

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5. 実施体制
NBDC
wwPDB
代表研究者
中村春木
（阪大蛋白研）

阪大蛋白研 共同利用共同研究委員会・蛋白質立体構造データベース専門部会（国内諮問委員会）
阪大蛋白研より３名（中村, 藤原, 栗栖）
X線結晶学の専門家（井上豪）
NMR構造解析学の専門家（白川昌宏）
構造ﾊﾞｲｵｲﾝﾌｫﾏﾃｨｸｽの専門家（由良敬）PhotonFactoryの専門家（若槻壮市）
SPring-8の専門家（城宜嗣）

研究チーム事務員

PDBj DB登録・管理・運営・開発・統合化（*は重複）

PDBj-ＢＭＲＢDB登録・管理・運営・開発・統合化

統括：中村春木 （阪大蛋白研）

代表：藤原敏道（阪大蛋白研）

X線結晶構造DB登録・管理：中川敦史（教授)
アノテータ（4名）、プログラマ（1名）、研究者（1名）
電子顕微鏡DB登録・管理・開発：岩崎憲治（准教授）
研究者（1名）統合化に向けたDB高度化：金城玲（准教授）
プログラマ（3名）、研究者（1名）
機能情報と構造情報との統合化ｼｽﾃﾑの開発：金城玲（准教授）
プログラマ（2名*）
配列からの機能推定ﾊﾟｲﾌﾟﾗｲﾝの開発：Standley, DM(iFREC准教授）
プログラマ（2名）
人材養成：中村春木（教授）中川敦史、岩崎憲治、金城玲、研究者（3名）

BMRB と外部DBとの統合化：藤原敏道（教授)児嶋長次郎（准教授）、アノテータ（1名）、プログラマ（1名）、研究者（2名）
BMRB DB登録・管理・開発：藤原敏道（教授)児嶋長次郎（准教授）、アノテータ（1名*）、プログラマ（1名*）、研究者（2名*）
生体系NMRの国際的な高度化：藤原敏道（教授)児嶋長次郎（准教授）、アノテータ（1名*）、プログラマ（1名*）、研究者（2名*）©2013中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本（*は重複）

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