平成29年度統合化推進プログラム「糖鎖科学ポータルの構築」

代表 創価大学

木下聖子

糖鎖が関わる生体内の環境
LECTIN複合糖質の多様性2

糖鎖研究の位置づけ
米国では 2012 年に米国学術研究会議(the National Research Council of the NationalAcademies)が報告書 Transforming Glycoscience: A Roadmap for the Future (2012) を発表：
糖鎖研究の対象は医学（Medicine）にとどまらず、エネルギー（Energy）や材料科学（Materials）にまで及ぶとしており、これまでこのような大局的な視点で糖鎖研究の将来が位置づけられたことはなかった。

米国ではNIHにおいて、糖鎖に関連する研究が強力に進められている。
一方、世界で使用されている標準的な糖鎖解析法は日本発であり、また重要な糖鎖構造の解析および６割以上の糖鎖遺伝子のクローニングやその機能解析が我が国の研究者によってなされている。したがって、糖鎖科学は我が国が世界をリードしてきた分野である。
しかし、これらの様々な糖鎖遺伝子などについての情報が未だに網羅的に整理されておらず、文献調査以外には糖鎖が関与するパスウェイ情報などが手に入れられない状況である。このような問題を解決するためにGlyCosmos Portalを開発し、これまで糖鎖研究をリードしてきた我が国が中核となって糖鎖科学ポータルを提供する。 3

糖鎖創薬技術研究センター

第５回ACGG-DB 会議
大連決議事項2013年6月22日

参加国：日本、米国、豪州、ドイツ、ロシア、中国、韓国、台湾•

国際糖鎖リポジトリの基本合意
論文投稿前のアクセッション番号の発行システム•

データの範囲糖鎖構造情報のみ（メタデータ：登録者と登録日）•システムのフレームワーク
プロトタイプは日本の現在のグループで開発•支援と普及促進糖鎖関連の学会： IGO, ICO, Society for Glycobiology, JSCR, JCGG, HUPO

等

Unique
Glycan ID+Structure
Data

Glycan Databases

Sharing② ObtainUnique
Glycan ID④Curation

Annotation
DataInternational
Glycan StructureData Repository① Structure
Registration

Knowledge-Sharingof Glycan Knowledge
via InternetGlycan ID③Manuscript
submission
Glycan ID

Research Paper

Glycan ResearchGlyTouCan開発にあたって• 糖鎖構造の表現–曖昧性に対応する–任意な文字列で表す• リポジトリのシステム開発–アクセッション番号のシステム–ユーザー登録システム–上記糖鎖構造表記システムの導入• リポジトリの普及

6糖鎖情報の標準化の必要性• 単糖表現の曖昧性
D-Fucose

D-Quinovose

D-Rhamnose

6-Deoxy-D-galactose

6-Deoxy-D-glucose

6-Deoxy-D-mannose

β-D-Fucp

β-D-Quip• 微生物や植物の糖類。。。
7β-D-RhapText formats for glycans
ENTRY Structure Glycan
NODE 6
1 glcnac -16 2
2 glcnac -16 -2
3 gal -24 2
4 gal -8 0
5 gal -24 -2
6 D-glc 0 0EDGE 5
1 4:b1 6:4
2 2:b1 4:3
3 5:b1 2:3
4 1:b1 4:6
5 3:b1 1:4///

ENTRY Structure Glycan
NODE 6
1 GlcNAc -16 -2
2 Gal -8 0
3 GlcNAc -16 2
4 Gal -24 -2
5 D-Glc 0 0
6 Gal -24 2
EDGE 5
1 2:b1 5:4
2 1:b1 2:3
3 4:b1 1:3
4 3:b1 6:6
5 3:b1 2:4///

Uniquely represent all glycan structures as a text string
Web3 Unique Representation of Carbohydrate Structures*8*Matsubara M, Aoki-Kinoshita KF, Aoki NP, Yamada I, Narimatsu H. WURCS 2.0 update to encapuslate
ambiguouscarbohydrate structures. J. Chem. Inf. Model, 57(4):632-637, 2017.

糖鎖構造表記法 WURCS
WURCS: Web3 Unique Representation of CarbohydrateStructures• セマンティックウェブを指向した新しい糖鎖構造表記法• JST・NBDC統合化推進プログラムで開発• GlyTouCanの基盤として利用– 糖鎖構造の同一性– 糖鎖構造検索– 分子量計算

9

WURCS• Version 1.0 published in 2014
J. Chem. Inf. Model. 2014, 54, 1558−1566.

• New version 2.0 published in 2017

J. Chem. Inf. Model, 57(4):632-637, 2017.

WURCS=1.0/3,2/[12122h|1,5][12211m|1,5][12122h|1,5]1+1,3+6|2+1,3+4
URIVersion
1.0
URIVersion
2.0

RDF&SPARQL

WURCS=2.0/2,3,2/[a2122h-1b_1-5][a2211m-1a_1-5]/1-2-1/a4-b1_a6-c1
WURCS=<Version>/<Counts>/<UniqueRES>/<RES Seq>/<LIN>
10

WURCS-RDF• WURCSで表記した糖鎖構造から、糖鎖のRDFグ
ラフ構造を生成することが可能• SPARQL検索だけで部分構造検索に利用することができる
WURCS=2.0/2,3,2/[a2122h-1b_1-5][a2211m-1a_1-5]/1-2-1/a4-b1_a6-c1

11

GlyTouCan 1.0
http://www.glytoucan.org

WebServices

Why Toucan?
TOU = 糖 = “Sugar” in Japanese
GlyTouCan is a CAN of GlyCANs

SemanticWeb

Aoki-Kinoshita, et al. Nucleic Acids
Research, Database Issue, 2016

GlyTouCan version 2 (Toco)
Version 1.0

Version 2.0

・Aoki-Kinoshita et al, Nucleic Acids Research, Database Issue, 2016
・Tiemeyer, Aoki-Kinoshita et al, Glycobiology, 2017 (white paper)

13

GlyTouCan

糖鎖構造の登録

糖鎖構造のエントリー

糖鎖構造のリスト

ロード
可視化

TripleStore(Virtuoso)

SPARQ
L

可視化

14

Browsing the repository (View All)
• Currently contains
over 80,000 glycan
entries and 800
monosaccharides

Browsing the repository (View All)Graphical Search for Glycans

17Graphical Search Results

18Registration using text

GlycoCT and WURCS
are supported
Conversion utilities fromothers, such as IUPAC,
are currently being
developed

Registration Confirmation

Version 2.0: Subsumption
Base Composition

Monosaccharidecomposition

GlycosidicTopology

Even more defined structures... … …. … …

21

GRAB tool
• Glycan RDF association browser

糖鎖関連データベースの国際的な動き• NIH Common Fund• MIRAGE: minimum information required forreporting a glycomics experiment• GLIC: glycoinformatics consortium

23

NIHのCommon Fund: Glycoscience Programs
RFA-RM-16-021はGlyTouCanが連携する計画である

24

GeneralMinimum Information Required for A Glycomics
Experiment• http://www.mirage-beilstein.org• Definition of reporting guidelines for Glycomics
experiments• Guidelines do not define how to perform
experiments• Make results better understandable andreproducible by reporting required information• Guidelines can be used by journals anddatabases

Organigram

http://www.beilstein-mirage.org

Advisory Board• Kiyoko Aoki-Kinoshita, Soka University, Tokyo, Japan• Catherine Costello, Boston University, Boston, MA, USA• Anne Dell, Imperial College London, UK• Niclas Karlsson, Gothenburg University, Gothenburg, Sweden• Milos Novotny, Indiana University, Bloomington, IN, USA• Nicolle Packer, Macquarie University, Sydney, Australia• James Paulson, The Scripps Institute, La Jolla, CA, USA• Pauline Rudd, NIBRT, Dublin, Ireland• Michael Tiemeyer, University of Georgia, Athens, GA, USA• Lance Wells, University of Georgia, Athens, GA, USA• David Smith, Emory University School of Medicine, Atlanta,GA, USA• Ten Feizi, Imperial College London, London, UK

Glycoinformatics Consortium (GLIC)について
野口研究所の支援によって結成した、世界中の糖鎖インフォマティクス研究者で構成されたコンソーシアム: http://glic.glycoinfo.org
これまで様々な国で糖鎖関連研究開発プロジェクトが実施され、その中の糖鎖インフォマティクス分野において各種データベース等が開発されてきた。世界の糖鎖インフォマティクス研究者が協調・連携しデータベースや各種ツールなどを共同で開発する仕組みを検討し、Glycoinformatics
Consortiumを設立するに至った。
GLICの目的● 糖質情報学のための情報を一元化したソフトウェアリポジトリの提供および管理● 糖質情報学・糖質化学・糖質生物学のための情報交換の場を設け、糖質科学の発展に貢献
28

糖鎖に関する文献の傾向•••

糖鎖の機能は複合糖質として考慮して初めて糖鎖の機能解明につながることが明らかになってきた。
– PubMedにおいて「glycomics」は2015年にピークを達し、「glycoproteomics」はこの２年間で倍増している。
– 従って、糖鎖科学研究は糖鎖から糖タンパク質を含んだ複合糖質の研究にシフトしており、今後は複合糖質のデータがより重要かつ大量に生産されることが予測される。
問題点：– 糖鎖研究が未熟な学生や研究者は糖鎖について調べる場合、最新の情報を取得する方法は文献調査以外にない。
– 現状のゲノム、プロテオーム、メタボローム、リピドーム、インタラクトームなどのオミックスデータ
ベースは複合糖質をほとんど考慮しておらず、糖鎖科学に対する教育にも十分になされているとは言い難い。
従って、国内外の糖鎖研究を網羅的に整理し、既知な情報、未知な情報の実際の状況を把握するために、文献や関連データベースを統合し、ポータルサイトとして情報を提供することは急務である。

29

複合糖質のワクチン開発

In the 1970s, a group of scientists
led by John Robbins at the US NIH
revisited a paper that waspublished by Oswald Avery andWalther Goebel in 1929, whichshowed that when thepneumococcal polysaccharide
was conjugated to a protein, it
was able to induce antibodies(Figure). Robbins and colleagues
used the same technology to makea covalent conjugate of diphtheria
toxoid linked to the capsularpolysaccharide of H. influenzae
type b, and in 1980 they described
the first conjugate vaccine. The
conjugation technology heralded amajor revolution in vaccinology.
Within two decades, conjugate
vaccines were licensed against H.
influenzae type b, meningococcus
serogroup C and seven serotypesof pneumococcus. In all cases, thevaccines induced high-affinity
antibodies in infants, and theyeliminated both the disease andthe carriage of bacteria from theimmunized population.

Rappuoli, R. & De Gregorio, E. A
sweet T cell response. NatureMed. 17, 1551–1552 (2011).
30

GlyCosmos Portal
Standards

全期間: 野口研・創価大

Glycan Notation

GlycoRDF

WURCS & Tools

H29~: 創価大
+ 新潟大

Molecular structure
Glycoprotein

H31~: 野口研

H29~: 野口研

２次元・３次元構造

Glycolipid

糖鎖が関わるパスウェイ（糖関連遺伝子を含む）

H31~H33: 創価大

GlyComb
Repository
H31~H33: 創価大・新潟大

GlyTouCan

H29〜: GL-i

Structural
Glycobiology

H29~H31: 創価大

Systems
GlycobiologyRepositories

GO
FALDO
PIERO
SIO
CHEMINF

Ontology

Glycobiology
Curation System

GlycoCTIUPAC
KCF
LINUCSGLYDE-II
CabosML

Biological function

H29〜: 新潟大

GlyCosmos Database31

本提案が目指す最終目標・理想的な概要
インタラクトーム

グライコーム
化学
糖鎖構造

パスウェイ
リピドーム

メタボローム糖関連遺伝子分析
ゲノム

プロテオーム32

国内の糖鎖科学研究コミュニティの規模
国内において７つの学会（2016年現在の会員数）
学会名
日本糖質学会

会員数
1,028

日本応用糖質学会

884

日本農芸化科学会

10,530日本脂質生化学会

521

日本質量分析学会

981

日本分子生物学会

13,305

日本生化学会8,113

海外においても、Society for Glycobiology (SFG), EuroCarb, International
Carbohydrate Organization (ICO), International Glycoconjugate Organization(IGO) などの国際会議にそれぞれ数百名の糖鎖科学研究者が参加している。
33

糖鎖研究コミュニティの要望
1.糖鎖が特定の糖タンパク質やそのglycoformの立体構造と機能にどのように影響するかについての情報を取得したい
2.酵素合成において、酵素の活性やその種類、入手先の情報を取得したい
3.ある糖鎖構造を持つと報告されたタンパク質・脂質を取得し、組織や細胞の種類別に整理した情報を取得したい
4.特定の代謝やシグナル伝達経路に関連する糖鎖のリストを取得したい
5.疾患で変化することが知られているグリコシル化経路中のタンパク質のリストを取得したい
6.他生物種における糖鎖遺伝子のヒト・オルソログ（相同分子種）を検索して表現型付きのSNP情報を取得したい
Glycoinformatics Consortium (GLIC)による調査結果, 2015年

34

ねらい
• 日本の糖鎖研究コミュニティの強みである糖鎖遺伝子と糖鎖構造研究について、国内の糖鎖関係の学会と連携し、多くの国内外における関連知識を集約するデータベースとしてGlyCosmosを開発する。
• さらに、複合糖質データベース(GlyCosmosDB)を開発することで、プロテオーム、メタボローム、リピドームなどのオミックスの研究コミュニティと協働して研究開発を推進することで、より広範囲の連携を実現することが可能となる。
• 最終的には糖鎖研究に興味を持った研究者が本ポータルに訪れ、糖鎖に関する知見を容易に理解できるようになる。
– 糖鎖遺伝子→関わっているパスウェイ、疾患、糖鎖構造、立体構造情
報、複合糖質→糖鎖機能– 実験で確認された情報と、計算で予測された情報が格納されるため、仮説構築や事実確認に利用可能

35

本提案における統合の概要
Integration of life science information

GlyCosmos Portal
Repositories

Repositories

GlyCosmos Database

Databases...その他
36

研究開発計画:体制
共同研究グループ (3)GL-i 成松久
JCGGDB/ACGG-DBの維持管理およびGlyCosmosとの連携研究代表者グループ
創価大学 木下聖子
総括、糖鎖パスウェイ
データのデータベース
化、キュレーションシ
ステム開発アドバイザー
立命館大学
日本糖質学会名誉会員
JCGG監事創価大学

西原祥子

日本糖質学会理事
JCGG副会長

Macquarie Univ.
連携研究者
DBCLS
金進東川嵜敏祐

Nicki Packer

UniCarb-KB設立者
MIRAGE Advisory Board member（質量分析の専門家）

Beilstein Inst.

Carsten Kettner

MIRAGEの設立者

連携研究者
産業技術研究所
梶裕之、久野敦、
栂谷内晶、佐藤隆、岡谷千晶

Univ. of Georgia

William S. York

CarbBank開発関係者（植物関連糖鎖の専門家）

Imperial Coll. London

GlyCosmos

共同研究グループ (1)野口研究所 山田一作
糖鎖表記法WURCSの開発および複合糖質構造の整理・データベース化

Stuart Haslam

EuroCarbDB開発関係者（質量分析の専門家）

共同研究グループ (2)新潟大学 奥田修二郎
糖鎖情報の自動キュレーションシ
ステムの開発および糖鎖遺伝子データの収集・整理
37

支援団体
日本糖質学会,JCGG, FCCA,MIRAGE, GLICACGG-DBの機能拡張とGlyCosmos portalとの連携
およびアジア地域との連携
研究計画・進捗

研究概要• 糖鎖研究における日本発のオリジナ
ルデータの収集• Semantic Webに対応したデータやOntologyを日本及びアジアの糖質研究者に向けて、有用な情報の提供（http://acgg.asia/db/にて公開)• マウスやヒトの糖鎖データのGlyCosmos との連携による他生物
糖鎖DBとの統合
糖タンパク質

レクチン

糖鎖遺伝子

糖鎖疾患関連2017
ACGG及びACGG-DBのPortal siteを公開

オリジナルデータの追加やSemantic Webに対応した糖鎖DB間の検索機能を開発
糖鎖の構造と機能を直感的にリンクさせる
Viewerによる表示など、ユーザーフレンドリーなインターフェースの改良
GlycoProtDBとUniProtや GlyCosmos 等の他DBとの連携や、ACGG参加国内での糖鎖DBとのクロスリンクを進める

2021

ACGG-DBの機能拡張とGlyCosmos portalとの連携およびアジア地域との連携
産総研：データ提供

GL-i：DB開発

オリジナルデータ

データベース化キュレーション
インターフェース
m/z

連携

糖鎖

共同開発

提携

糖タンパク質国際化

レクチン

WURCS:
Web3 Unique Representation of
Carbohydrate Structures

主なWURCSの開発
バクテリアなど複雑な単糖を含む場合、単糖の置換基の曖昧さ表現が必要となる– 曖昧な置換基表現への対応
必要な曖昧表現• OR表現• 結合位置の候補が複数• 位置不定の二重結合• 繰り返し40具体的な実施計画：GlyTouCan・GlyComb
GlyTouCanの改良：• GlycomeDBのメタデータ導入（８月４日完了）• コメント機能の追加• ユーザーの個人ページの開発• モチーフ情報の整理
GlyCombの設計：• アクセッション番号のシステム（４月２８日アドバイザー会議にて案決定）• UniProtとの打ち合わせ
41

KEGG GLYCANの糖鎖情報を調べると、糖鎖合成経路だけではなく、シグナリング経路、細胞間コミュニケーション、免疫系のパスウェイにも関わっていることが掲載されている。

42

糖鎖関連Pathway数• UniProtの約3万の糖タンパク質をReactomeのAnalysisToolsに入力したところ、1660のヒトの糖タンパク質がヒットした。そしてこれらはすべてのパスウェイに関連していた。
• 糖鎖合成経路だけではなく、シグナリング経路、免疫系、細胞外マトリックス、発生など、糖タンパク質はありとあらゆるパスウェイ6773個に関わっていることがわかる。
43

具体的な実施計画：GlyCosmosの設計
パスウェイ情報の収集・整理・統合• WikiPathwaysの導入（10月〜）• Reactomeの糖タンパク質が関連するパスウェイを導入する• 糖タンパク質情報とのリンクを付加し、糖鎖の関与をメタデータとして記載する

複合糖質のデータ整理・統合• タンパク質および脂質DBより、複合糖質の構造を解析・整理し、化学構造を用いた統合を実施
糖鎖遺伝子の環境分布情報の収集・整理• 環境メタゲノムデータからの糖鎖関連遺伝子探索• CSDBと連携し、環境と糖鎖構造とのリンク付けを実施
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達成目標
～第３年次末••GlyCosmos Portal：– GlyCombが稼働、糖タンパク質を登録し、アクセッション番号を取得可能
GlyCosmos Database：– 微生物のゲノム情報より糖鎖関連遺伝子を抽出し、糖転移酵素を糖鎖構造とリンクし、GlyTouCanやパスウェイ情報と統合したユーザーインターフェースが開発済– BCSDBに格納されている半分以上の糖鎖構造に対する合成しうる遺伝子をGlyCosmosから公開– GlycoProtDBおよび全PDBデータ中の糖鎖構造とのリンクとStanzaによる可視化が完成～第５年次末•••GlyCosmos Portal：– GlyTouCanおよびGlyCombリポジトリの利用が普及し、各国からユーザーが利用– 複合糖質の情報から糖鎖の合成パスウェイおよび糖転移酵素とリンクし、ゲノムとの関係がわかるユーザーインターフェースが完成– GlyCosmosは日本糖質学会の公式データベースGlyCosmos Database：– 植物のゲノム情報より糖鎖関連遺伝子を抽出し、糖転移酵素を糖鎖構造とリンクし、糖鎖に関連するパスウェイを検索しやすいユーザーインターフェースが開発済
キュレーションシステム:– N型糖鎖とO型糖鎖のパスウェイが網羅していて、一般ユーザーがコメントを投稿でき、キュレーターが編集を記録できるシステムが完成

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研究開発計画：実施計画・スケジュール

46

データ提供者、データ利用者との連携・協業の計画
データ提供者• ウェットのデータ提供者––

GL-iおよび産総研の連携研究者
日本糖質学会会員• データベースのデータ提供者––

PDBj, LipidBank, MicrobeDB.jp, jPOST, PGDB, KEGG, PubAnnotation
GlyTouCan Partners (ACGG-DB(JCGGDB), UniCarbKB, UniCarb-DB, CSDB, SugarBind, ....)

データ利用者
本提案においては、以下の会議でハンズオンセミナーやチュートリアルを開催し連携や協業について協議する予定である：••••••

日本糖質学会・バイオインフォマティクス・ワークショップ
分子生物学会年会ブース出展
ACGG-DB会議・ハンズオンセミナー
ワーレンワークショップ国際会議・Beilstein Glyco-Bioinformaticsシンポジウムのデモセミナー
Society for Glycobiology (SFG)ハンズオンセミナー
Glycoinformatics Consortium (GLIC)ハッカソン

なお、GlyCosmos PortalにWeb formも用意し、フィードバックを受け入れられるように開発を進める。
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搭載するデータの量・範囲の妥当性について
初期のGlyCosmos Portalが搭載するデータ数：
Repository• GlyTouCan>81,000 entries• GlyComb>57,000 entries (LipidBank + UniProt)
Database• >57,000 glycoconjugate entries (UniProt + PDB + LipidBank)• >600 glycogenesに加え、レクチンやパスウェイ関係の遺伝子など多数
根拠：
Glycoconjugates:
PDBに糖が含まれるエントリー数：8,366
UniProtの糖鎖修飾されたタンパク質の数：29,994 (GlycoProtDB：12,894)
LipidMAPS(LipidBank)の糖脂質の数： 27,509
Genes
GGDBのエントリー数（ヒト）：221
マウスにおける糖関連遺伝子の内部調査の結果：388
CAZy Genomes: Bacteria 7853、Viruses 331、Archaea 283、Eukaryota 212
Pathways
Reactome のパスウェイ：6773
KEGGとの連携も検討中（追加実施）総合グライコミクスの複合糖質の数：約200種類＋組織、細胞種別、パスウェイ情報48

GlyComb、GlyCosmosポータル、GlyCosmos Databaseのアクセス数見込み

以下の左表はGlyTouCanの平成27年度のアクセス数であり、右表は平成23年においてのJCGGDBのデータ
ベース別のアクセス数であり、JCGGDBは月間約2万のアクセス数がある。

GlyTouCan

平成２７年度のアクセス数データベース名

月間平均アクセス数

訪問者数

4,610

GGDB

14,381

訪問数

10,844

LfDB

1,967

ページ数

49,122GlycoProtDB

3,061

平成２７年６月公開開始

Synthesiology, Vol.5, No.3, pp190-203 (2012)● GlyCombはGlyTouCanのアクセス数よりは多くなる見込みで年間アクセス数1万件を見込む。
● GlyCosmos DBはパスウェイや他のゲノム情報を含むため、JCGGDB（年間アクセス数約24万件）より多くのアクセス数の予想である● GlyCosmosポータルは上記のアクセス数に加え、糖鎖関係者以外のアクセスが予想されるため、年間で約30万件のアクセス数を見込む

49

GlyCosmosで期待する効果• glycoproteomics研究が進み、その情報基盤を作成する必要がある• また、糖鎖研究の初心者でも糖鎖について容易に調べられるポータルを作成し、糖鎖研究者以外にも幅広い分野の研究者が利用できるポータルを目指す• 糖鎖情報に興味を持ち、糖鎖の重要性がわかってきた時に、必要な情報を容易に得られるようにする

50