H23年度 統合化推進プログラム進捗報告会

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（大阪大学蛋白質研究所・教授）
共同研究者：藤原敏道（大阪大学蛋白質研究所・教授）
PDB (Protein Data Bank):
X線結晶解析、核磁気共鳴法 (NMR)、電子顕微鏡観測によって得られた8万件近い蛋白質・核酸・糖などの生体高分子３次元立体構造の国際的データベース。原子種とその座標、アミノ酸残基、実験手法、実験時の情報、実験観測データを含む。

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。
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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©2012中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本

3．本研究開発課題のH23年度の目標、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。
・電子顕微鏡およびX線小角散乱の実験による構造情報データベースの構築と公開
・NBDCとの統合的データベース運営の仕組みを構築し実施。

(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：他のDBとの関連性メタデータとRDF化したPDBデータを提供し、DB統合化環境を整備する。
・構造データのオントロジーの改良・開発：mmCIFの記述に基づき、OWLに準拠したRDF/XMLの確立と、他のRDF化がなされたDBとの統合的利用法の確立。
・データ記載のフォーマットの改良・開発：新たなPDBフォーマットの開発と公開、およびマスターフォーマットの確立。NBDCとの連携による構造データのフォーマットの標準化。
・ユーザインターフェースの改良：多言語でのweb pageや、jVを用いたGUIの高度化
・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、新規実験データを収集する。
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(3-3) 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：原子レベルでの蛋白質相互作用を記述するオントロジーを定義し、相互作用部位をRDFで記述する。
これにより、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：
PDBjおよびその他の研究者が開発した、リモートホモログの推定や局所的蛋白質相互作用部位や機能的分子表面部位の推定のツールを基に、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一度経由し、高次生命機能情報を推定できる高速なパイプラインを開発し、提供する。
（PreMAFFTash, MAFFTash, MSThread, Spanner, SeSAW, surFit 等を改良・成熟させそれらをつないだ検索システムとする）(3-4) 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。
・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．本研究開発課題のH23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

Processed Data number

・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 total at PDBj (18,342, Feb 2012)
All available PDB data (79,356, Feb 2012)

year
PDBj curates and processes about a Quarter of the depositeddata, mainly from Asian and Oceania regions.
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・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）。

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・wwPDB活動を推進。
wwPDB Advisory Committee meeting at EBI-PDBe, Hinxton, UK on Sept 30, 2011

IUCr 2011 at Madrid, BoothBerman, HM

PDB 40th Anniv. Symposium at CSHL, New York

Kleywegt, G Nakamura, H©2012中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本

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・電子顕微鏡およびX線小角散乱の実験による構造情報データベースの構築と公開

EM Navigator: Viewer ofImages of EMDB

Yorodumi: Viewer of both
Image and Atomic Structure

・PDB データと EMDB の統合化が2012年3月から開始予定。
それに伴い、統合的な検索を可能とした。

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・NBDCとの統合的データベース運営の仕組みを構築し実施。
i) NBDCのデータセンターに、ポータルを設置し、ミラーリングする（構築中）ii) データ配布サービスを、情報・システム研究機構 DBCLS と共同で構築

GIRAFの相互作用部位のstructural motif dataの統合化
http://pdbj.org/giraf/cmotif/©2012中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本

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(4-2) 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：他のDBとの関連性メタデータとRDF化したPDBデータを提供し、DB統合化環境を整備する。
・構造データのオントロジーの改良・開発：mmCIFの記述に基づき、OWLに準拠したRDF/XMLの確立と、他のRDF化がなされたDBとの統合的利用法の確立。

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PDB/RDF for Semantic Web(Developed by PDBj: Akira R. Kinjo et al.)

http://pdbj.org/rdf

PDB/RDF is a collection of PDB data in the Resource Description Framework (RDF)
format. The RDF format is the standard format for the Semantic Web.
An ontology defined in the Web Ontology Language (OWL) is also provided for thePDB/RDF, which is a straightforward translation of the PDB mmCIF Exchange
Dictionary (Kinjo et al. Nucl. Acids Res. (2012) 40, D453-D460).
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PDB/RDF example
By accessing http://pdbj.org/rdf/1GOF,a list of category holders for the PDB
entry 1GOF can be retrieved in theRDF/XML format.
Then, a list of category elements can beretrieved (again in the RDF/XML format).
Finally, the a particular category element,
the list of properties of that element isretrieved.

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Example of an RDF graph

The network of RDF resources for thePDB entry 1GOF.

A subgraph of the left network
augmented with literal objects©2012中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本

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・NMRデータ構造の管理配布システムの高度化
STAR形式として表現

NMR研究が持つ複雑なデータ構造

解析用GUIの自動構築#_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
cyana_input_gui_mother_top item top none
cyana_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#

実験データとの整合性評価ツール

一般登録データの品質

NMRデータの解析と登録準備の支援
支援システムによる登録データの品質

複雑なNMRデータ構造をオントロジーにより記述し、解析と登録作業を統合した支援システムを開発、配布することで高品質なデータベースを実現
p. 14©2012中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本

・統合を推進する生体系NMRデータ群の網羅的登録
仮想サーバー

データ交換

NMR測定データ

解析登録支援サーバー
仮想化技術をサーバーとクライアント双方に適用
耐障害性向上、省エネ化、省スペース化システムの移設、再構築コストの軽減

NMR装置

データ交換

公共データベース
データ交換

BMRB

PDB

仮想クライアント
デスクトップツール群

Mobile端末
実験データと解析を統合的に支援
シームレスなデータ登録を実現
データベースの高い品質を維持©2012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：原子レベルでの蛋白質相互作用を記述するオントロジーを定義し、相互作用部位をRDFで記述する。
これにより、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。

PLosONE (2012) 7 (2), e31437

Elementar
y motifs

Subunits

Compositemotifs©2012中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本

Atom レベルでのstructural motif
として、低分子リガンド結合モチーフ（Ligand binding）と蛋白質間相互作用モチーフ(PPI)があり、それら 複 数 の モ チ ー フ (elementarymotifs) の 固 有 の 組 み 合 わ せ(composite motif)によって、蛋白質の固有の高次生命機能が、より明確に整理される。

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・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：•Multiple Sequence Alignment (MSA) for query (MAFFT) and templates (MAFFTash)•MSA-profile alignment (MSThread)•Fragment-based structural modeling (Spanner)•Function prediction (SeSAW)
http://sysimm.ifrec.osaka-u.ac.jp/pipeline5/ (β 版)>sp|Q5D1E7|ZC12A_MOUSE Ribonuclease ZC3H12A OS=Mus musculus GN=Zc3h12a PE=1
SV=2MSDPCGTKPVQESNPTMSLWSLEDRHSSQGRPQPDQDPVAKEAPTSELQMKVDFFRKLGYSSSEIHSVLQKLGVQADTNTVLGELVKHGSATERECQALTAPSPQPPLVPRGGSTPKPSTLEPSLPEEDREGSDLRPVVIDGSNVAMSHGNKEVFSCRGILLAVNWFLERGHTDITVFVPSWRKEQPRPDVPITDQHILRELEKKKILVFTPSRRVGGKRVVCYDDRFIVKLAFESDGVVVSNDTYRDLQGERQEWKRFIEERLLMYSFVNDKFMPPDDPLGRHGPSLDNFLRKKPLPSEHRKQPCPYGKKCTYGIKCRFFHPERPSRPQRSVADELRANALLSPPRTPVKDKSSQRPSPASQSSSVSLEAEPGSLDGKKLGARSSPGPHREGSPQTCAPAGRSLPVSGGSFGPTEWLAHTQDSLPYTSQECLDSGIGSLESQMSELWGVRGGSPGESGPTRGPYAGYHSYGSKVPAAPSFSPFRPAMGAGHFSVPTDYVPPPPTYPSREYWSEPYPLPPPTPVLQEPQRPSPGAGGGPWGRVGDLAKERAGVYTKLCGVFPPHLVEAVMRRFPQLLDPQQLAAEILSY
KSQHLSE

Spanner Model©2012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。
2011年日本結晶学会年会 ランチョンセミナー －in 北海道－(2011年11月25日(金)、北海道大学 学術交流会館: 参加者 95名）
「PDBj (PDB Japan) 日本蛋白質構造データバンク」 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11回日本蛋白質科学会年会「PDBjサテライトワークショップ」－in 大阪－(2011年6月6日(月)、大阪大学・吹田キャンパス： 参加者 23名）
（入門編）「PDBj (PDB Japan) 日本蛋白質構造データバンク」 講師：中村 春木（初級編）「『万見』でPDBのデータを体験する」 講師：鈴木 博文（中級編）「PDBj Mine のSQL検索とREST API」 講師：金城 玲
第49回生物物理学会年会 ランチョンセミナー－in 兵庫－(2011年9月16日(金)、兵庫県立大学姫路書写キャンパス： 参加者 110名）「PDBj (PDB Japan)の活動とNBDCおよびwwPDBとの連携」 講師：中村 春木「PDBj のRESTful ウェブサービスとセマンティックウェブサービス」 講師：金城 玲©2012中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本

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H23年度大阪大学蛋白研セミナー「PDBj講習会」－in 福岡－(2012年2月7日(火)、九州大学・病院キャンパス： 参加者 34名）

・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 （５名のPrimary Annotators）©2012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H24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。（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。

(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。 ©2012中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本
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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：蛋白質相互作用を記述するGIRAF, eF-site/eF-seek等に対しても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。
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。

(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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6. 実施体制
NBDC

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）

wwPDB

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）PhotonFactoryの専門家（若槻壮市）
SPring-8の専門家（城宜嗣）

代表研究者中村春木（阪大蛋白研）

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（1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（1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（1名*）©2012中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本（*は重複）

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7. 保有しているあるいは今後保有する予定のデータベース
名称データ件数(2012 年2月)

アクセス件数(2011年4月– 2012. 1月末)

概要

1

PDB：wwPDB(PDBjによる累積登録処理数）

2

PDB/RDF

79,356

PDBjMine:7,653,942 蛋白質等の生体高分子の国際的立体(file download数: 構造データバンク。PDBjMineはその検32,285,624) 索用RDBシステム
335,797 RDF化したPDB data（2011年9月から）

3

BMRB：wwPDB(PDBj-BMRBによる累積登録処理数)

7,595
(829)

生体高分子の化学シフト、緩和データ、
5,195,244 相互作用データ等のNMRの実験データのデータバンク

1,280

4,500,734 生体高分子の電子顕微鏡画像データ（file download数： ベース（EBIのEMDBデータベースを基に54,746) 開発）

79,356(18,342)

4EM-Navigator

5GIRAF

652,027

6

eF-site445,517

7

ProMode23,768

8eProtS (英語および日本語）

353

PDBデータに基づく相互作用部位データ
ベース
PDBデータに基づく分子表面データベー
10,179ス
PDBデータに基づく基準振動データベー
31648 ス（オリゴマーやElastic Network Modelも含む）
高校生以上の学生・社会人向け蛋白質
338,808
構造百科事典9

MoM（日本語）

146

230,702

4,323

米国RCSBで提供されている月替わりの分子構造紹介記事を日本語に翻訳公開できないデータ：なし
即時公開できないデータ：wwPDBの投稿時データ（理由：論文がpublishされるまで、または半年あるいは1年間の猶予期間をwwPDBで設定し、その間は即時公開しないでも良いルールとなっている）©2012中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本p. 23

8. 開発・運営しているデータベースの解析ツール/サービス名称

アクセス件数概要(2011年4月– 2012. 1月末)

3,719 既知の立体構造との類似性に基づいて、構造が分かっ

Spannerていないアミノ酸配列の立体構造を予測するプログラム
およびそれを用いたウェブサービス

31,648 機能未知の蛋白質構造データに対して、構造の類似性SeSAW

検索に基づき、局所的および大域的なアミノ酸配列の類似性も加味して、ファミリーあるいはスーパーファミリーを推定し、生化学的機能のアノテーションを行うサービス

Sequence Navigator

20,281 似た配列を持つ分子を検索するツール

Structure Navigator

2,565 類似の立体構造を持つ分子を検索するツール

Protein Globe

71,658 代表的な蛋白質を点で表し、構造の似ている分子ほど距

MAFFTasheF-surf/eF-seek

Yorodumi

離が近くなるよう球上に配置して蛋白質の世界を表現したもの。類似フォールドの検索も行える
4,323 構造アライメントASHの出力を制約条件として配列・構造の統合マルチプルアライメントを構築するシステム

607/374 PDBフォーマットを入力として、表面の形状と物性（静電ポテンシャルと疎水性度）を計算するWeb サービス
/ PDBフォーマットのファイルを入力とした、表面の類似性検索による機能部位の予測法のWebサービス。

7,655,506 生体分子の3次元構造（PDBおよびEMDB）を眺めて、学んで、楽しむためのウェブページ
©2012中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本

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