AJACS MAG (Metagenome-Assembled Genome) を知って・学んで・使う」
2024年7月25日

メタゲノム・MAGデータを検索する
森 宙史, Ph.D.
(Hiroshi Mori)
国立遺伝学研究所
先端ゲノミクス推進センター
hmori@nig.ac.jp
1

遺伝子組成解析とMAG解析
Assembly approach

Assembly + Binning approach

Metagenomic reads

Metagenomic reads

Assemble

Assemble

Contig sets

Contig sets

Gene finding

Binning

Gene sets

KEGG,
RefSeq等

Comparative
metagenomics

Gene finding

Sequence
similarity search

Gene Function abundance
Taxonomic abundance

Gene sets

KEGG,
RefSeq等
Comparative
metagenomics

Sequence
similarity search

Gene Function abundance
Taxonomic abundance2遺伝子機能組成解析
利点
・群集全体でどの系統由来のどのような遺伝子機能が多いかがわかる
・群間での統計的仮設検定による比較解析を行いやすい
・同じ種類の機能遺伝子を持つ系統の多様性を解析可能

欠点
・存在量の多い遺伝子の大半は必須遺伝子等全系統が持つ機能遺伝子
・マイナー系統が担う機能については統計的に有意な差は出にくい・数百万遺伝子の解析なので情報解析が複雑になりがち

MAG解析
利点
・単一種由来のドラフトゲノム配列を対象にするので群集中での頻度情報を考慮する必要が無い
・近縁種の既存のゲノム・MAGデータと比較ゲノム解析が可能
・数千遺伝子の解析なので情報解析が比較的単純

欠点
・rRNA遺伝子や水平伝播アイランド等MAGに含まれにくい遺伝子の存在
3・キメラやコンタミの問題

MAG関連のデータベース(DB)様々なMAGをメタデータで検索し、配列データを取得する

4https://gtdb.ecogenomic.org/ 2023

・ Concatenated protein phylogenies
・ 毎年4月更新
・ NCBI Assembly DBからゲノム配列は取得
・ Isolate+MAG5

https://gtdb.ecogenomic.org/ 2024

・ Concatenated protein phylogenies
・ 毎年4月更新
・ NCBI Assembly DBからゲノム配列は取得
・ IsolateとMAG/SAG が約半数ずつ

GTDB-TkもSourmashもCheckMも変わるので、更新されたらMAG解析はやり直し

・昨年のversionと比べてゲノムが約20万増加
・Phylumは13増加、Genusは4千属、Speciesは2.8万種増加

6代表的なMAG DB間の比較
Admin

Database URL DNA
sequencedata

Proteinsequence
data

Number of MAGs
in July 2024

NCBI Datasets

NCBI, USAhttps://www.ncbi.nlm.ni
h.gov/datasets/genome/○○

443,763

IMG/M

JGI, USAhttps://img.jgi.doe.gov/cgi-bin/m/main.cgi○○

25,507SPIRE

EMBL, EU

http://spire.embl.de/○○

1,160,000

MGnifyEBI, EU

https://www.ebi.ac.uk/
metagenomics○○478,810

Microbiome Datahub

NIG, Japan

https://mdatahub.org/○○218,653

データベースによって MAGのクオリティはバラバラ
残りの時間で、各 DBの特徴と使い方について解説する
7

JST-NBDC 統合化推進プログラム
爆発的な勢いで増加するマイクロバイオームデータをいち早く収録し、検索・解析可能な統合DBとして、マイクロバイオーム研究の国際的なデータハブを構築し発展させることを目標とする。

MAG

https://microbedb.jp à https://mdatahub.org
単離菌ゲノムとMAGを基盤としたマイクロバイオームの統合データベース
統合化推進プログラム8

Microbiome Datahubの今の UI
https://mdatahub.org

9Microbiome Datahubにおける MAGの収集とアノテーション

MAGMAGが由来した
メタゲノムデータ(BioSample/BioProject)

Metagenome reads

INSDC MAGINSDC DRA sra

DFASTsratoolkit

DFAST QC
Elmanzalawi M. et al.
(CheckM2 & GTDB-Tk) biorXiv 2024

fastp
sourmash

Annotated MAG(gene, proteins,taxon)

Taxonomic
composition

21万 MAGs

25万 BioSamples

GTDB

10

Microbiome Datahubにおける21万MAGの内訳
Contig number

Number of rRNA gene set

70000

50000

MAG number

MAG number

60000

40000
30000
20000
10000
0
1

2-10

11-30

31-50

51-99

100-199 200-499>500

200000180000160000140000120000100000
80000
60000
40000
20000
001

2

Contig number

456

789>108-9

9-10>10

Number of rRNA gene set

Completeness %Contaminaton %100000
90000
80000
70000
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0160000
140000120000MAG numberMAG number3

100000
80000
60000
40000
20000

<50

50-60

60-70

70-80

Completeness %80-90

90-100

0
0-1

1-2

2-3

3-4

4-5

5-6

6-7

7-8

Contamination %11

Microbiome Datahubにおける21万MAGの内訳と比較
Phylum

Genus

100%

100%

90%

90%

80%

80%

70%

70%

60%

60%

50%

50%

40%

40%

30%

30%

20%

20%

10%

10%
0%

0%
RefSeqGTDB

RefSeqMdatahub

GTDB

MdatahubPseudomonadota

BacillotaPseudomonas

Streptococcus

Escherichia

Staphylococcus

Actinomycetota

Bacteroidota

Salmonella

Bacillus

Streptomyces

Klebsiella

Campylobacterota

Patescibacteria

Xanthomonas

Mycobacterium

Prevotella

Cryptobacteroides

Myxococcota

Halobacteriota(Euryarchaeota)

Lactobacillus

Collinsella

Bacteroides

Enterococcus

Thermoplasmatota

Cyanobacteriota

Listeria

Campylobacter

Acinetobacter

VibrioVerrucomicrobiota

Chloroflexota

OthersOthers

RefSeq単離菌 31万ゲノムデータの内訳
Escherichia: 3.5万、Klebsiella: 2万、Staphylococcus: 2万、Streptococcus: 1.8万、Pseudomonas: 1.5万、Salmonella: 1.2万、Acinetobacter: 1万 RefSeqは病原菌が全体の半数以上を占める
12

Microbiome Datahubでできること• Projectのメタデータ、サンプルの系統組成の検索– 環境情報を用いてショットガンメタゲノムのINSDC BioProjectを検索、メタデータをTSV形式で取得– 環境情報を用いてショットガンメタゲノムのINSDC BioProjectを検索、サンプルの系統組成データをTSV形式で取得• MAGのメタデータによる検索– 系統名やメタデータを用いてMAGデータを検索、メタデータや配列データを取得
13

Microbiome Datahubの MAG検索

https://mdatahub.org

14

Microbiome Datahubの MAG検索

https://mdatahub.org

15

Microbiome Datahubの MAG検索のダウンロード結果例
MAG metadata例 (tsv形式)

DFAST結果

Genome sequence, gene sequence, protein sequence例 (fasta形式)

Gene sequence

Genome sequence

Protein sequence
16NCBI Datasets

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/datasets/genome/

17

NCBI Datasets

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/datasets/genome/

18

NCBI Datasets

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/datasets/genome/?taxon=219

NCBI Datasets

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/datasets/genome/?taxon=2&mags_only=true

20

NCBI Datasets https://www.ncbi.nlm.nih.gov/datasets/genome/?taxon=838&mags_only=true

21

NCBI Datasets https://www.ncbi.nlm.nih.gov/datasets/genome/?taxon=838&mags_only=true&assembly_level=2:3

22

NCBI Datasets https://www.ncbi.nlm.nih.gov/datasets/genome/?taxon=838&mags_only=true

23

NCBI Datasets https://www.ncbi.nlm.nih.gov/datasets/genome/?taxon=838&mags_only=true

24

MGnify https://www.ebi.ac.uk/metagenomics/

25

MGnify https://www.ebi.ac.uk/metagenomics/

https://emg-docs.readthedocs.io/en/latest/analysis.html
26

MGnify https://www.ebi.ac.uk/metagenomics/sequence-search/search/phmmer

27

MGnify https://www.ebi.ac.uk/metagenomics/browse/genomes

28

MGnify https://www.ebi.ac.uk/metagenomics/browse/genomes?browse-by=search-all&search=Prevotella

29

MGnify https://www.ebi.ac.uk/metagenomics/browse/genomes?browse-by=gene-search

30

MGnify https://www.ebi.ac.uk/metagenomics/browse/genomes?browse-by=mag-search

31

MGnify https://www.ebi.ac.uk/metagenomics/genome-catalogues/human-gut-v2-0-232

MGnify https://www.ebi.ac.uk/metagenomics/genome-catalogues/human-gut-v2-0-233

MGnify https://www.ebi.ac.uk/metagenomics/genomes/MGYG000000526#overview

34

MGnify https://www.ebi.ac.uk/metagenomics/genomes/MGYG000000526

35

MGnify https://www.ebi.ac.uk/metagenomics/genomes/MGYG000000526#kegg-module-analysis

36

MGnify https://www.ebi.ac.uk/metagenomics/genomes/MGYG000000526

37

IMG/M https://img.jgi.doe.gov/cgi-bin/m/main.cgi

38

IMG/M https://img.jgi.doe.gov/cgi-bin/m/main.cgi?section=TaxonList&page=isolateList&domain=Bacteria%20MAGs

Data downloadにはアカウント登録が必要

39

SPIRE http://spire.embl.de/40

SPIRE http://spire.embl.de/faqs

41

SPIRE http://spire.embl.de/environment?microntology=&add=fresh+water&page=142

SPIRE http://spire.embl.de/sample/SAMEA103890758

43代表的なMAG DB間の比較
Admin

Database URL

環境の多さ

プロジェクトの多さ

Number of MAGs
in July 2024

NCBI Datasets

NCBI, USAhttps://www.ncbi.nlm.nih.gov/datasets/genome/

未整理

大443,763

IMG/M

JGI, USAhttps://img.jgi.doe.gov/cgibin/m/main.cgi

小小25,507

SPIRE

EMBL, EU

http://spire.embl.de/中中1,160,000

MGnifyEBI, EU

https://www.ebi.ac.uk/metag
enomics

小大

478,810Microbiome Datahub

NIG, Japan

https://mdatahub.org/

大（整理中）

大218,653

環境情報をいかに整理するかが各 MAG DBの今後の課題

44