ライフサイエンスデータベース統合推進事業 「統合化推進プログラム」平成26年度キックオフ
ミーティング, 東京JST, 2014年6月2日

蛋白質構造データバンクの高度化と統合的運用
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）

http://pdbj.org/
http://wwpdb.org/©2014中村 春木(大阪大学) licensed under CC表示2.1日本

蛋白質の形のデータバンク：PDB・生体高分子の構造（形）に関する全ての情報を集めた国際的データ
ベース：データバンク方式（1971年から開始）
・情報は、研究者・教育者・学生・企業を問わず無償で利用される・運営は各国（米国、欧州、日本）の政府機関による研究費用でまかな
われている→ 国際組織wwPDBとして活動（PDBjは2003年からの創立メンバー）
X線結晶回折実験，核磁気共鳴（NMR）法，超低温電子顕微鏡（EM），による実験結果のアーカイブ

Kleywegt, G

Markley, JL

Berman, HM

Nakamura, H

PDBj で処理された件数(22,803, 2014年5月14日)
PDB の総データ数 (100,174, 2014年5月14日)

PDBjの活動• Data-inの活動：
wwPDBの一員として品質管理をしつつ登録作業を実施
新たな標準フォーマット等の開発(PDB/RDF, BMRB/RDF)• Data-out の活動：
共通データのダウンロード
サイト（毎週アプデート）の運営

80000
60000
40000
20000
02000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014*（＊2014年は5月14日まで）

年

BMRB（化学シフト）, PDB（原子座標）の登録総数の推移(9,555, 2014年5月21日)
10000

PDBにおけるNMR
構造登録件数

9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
01320

11200920072005
2003200120

種々のサービスや二次データベースの開発・提供

PDB登録データ件数

100000PDBj，PDBj-BMRBのData-out活動
http://pdbj.org/
PDBj-BMRBNBDC北海道データセンター
大阪大学
蛋白質研究所

ポータルを二重化

世界標準のRDF
formatの開発
PDB/RDF
http://rdf.wwpdb.org/BMRB/RDF
http://bmrbpub.protein.osaka-u.ac.jp

In UniProt RDF:Kinjo et al. (2012) Nucl. Acids Res. 40, D453-D460.

第二期プロジェクトの紹介
１）蛋白質構造アーカイブの構築・公開
１−１）wwPDBメンバーの一員として、データ登録・編集・品質管理（remediationを含む）の実施
１−２）リガンド・蛋白質複合体結晶解析による医薬スクリーニング
データの精密化・登録支援

２）異なる階層のデータと蛋白質構造情報との統合化
２− １）遺伝情報を活用した遠縁蛋白質検出と蛋白質機能推定サービスの拡張２− ２）蛋白質複合体に対する多面的解析ツールおよびサービスの開発と公開
２− ３）統合化されたNMR実験データベースを有効利用するためのツール群開発と高度化

3)人材養成の実施

第二期プロジェクトの紹介
1) 蛋白質構造アーカイブの構築・公開
１−１）wwPDBメンバーの一員として、データ登録・編集・品質管理（remediationを含む）の実施
 新たな自動登録・アノテーションシステムの導入と推進

新しいデータ処理システム
データ増大・高品質化に対処

Global PDB
systemfor multiple
experimental
methods Validation report（PDF版とXML版）の公開・配布

Validation reportの表紙
8

Validation report 新しいPDBフォーマット（PDBx/mmCIF）への移行：
ユーザに対するサービスサイト、コンバータプログラム、セミナーやワークショップの開催
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM

1
2345678N
CAC
O
CB
NCAC

GLN A
GLN A
GLN A
GLN A
GLN A
VAL A
VAL A
VAL A

393939393940
4040

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

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

N
C
C
O
C
N
C
C

PDB
PDBx

39
39
39
39
39
40
40
40

24.69023.58123.99025.07023.13623.11523.34224.000-27.754-26.768-25.379-25.209-26.685-24.395-23.010-22.152

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

１−２）リガンド・蛋白質複合体結晶解析による医薬スクリーニング
データの精密化・登録支援
蛋白質・リガンド複合体や抗原・抗体複合体構造）における構造精密化と登録作業のパイプライン構築 → 将来ビッグデータに問題点：製薬企業において行われている医薬スクリーニングのための蛋白質・リガンド複合体構造データが公開されないまま企業内に死蔵されている。
１）知財権の問題（特に多数のpositiveでない化合物との複合体）
２）技術面の問題
・製薬企業ではリガンド周辺のみを決定し蛋白質受容体全体の構造は精密化を行わない。
・positiveな化合物との複合体については構造全体の精密化が行われ、PDBへ登録したり特許申請が行われたりするが、negativeなもの放置されることが多い。
具現化することの効果：
１）リガンドと蛋白質とのドッキング過程に対して、positiveとnegativeの双方の構造がpublicデータとして集積し、ドッキング技術が進む。（将来はビッグデータ化の可能性もある）
２）パイプラインのシステムを公開することにより、企業内でパイプラインを利用することによって、リガンド結合部位を含む全体の構造が迅速に精密化され、スクリーニングが効率的に行われる。

１−２）リガンド・蛋白質複合体結晶解析による医薬スクリーニング
データの精密化・登録支援
蛋白質・リガンド複合体や抗原・抗体複合体構造）における構造精密化と登録作業のパイプライン構築 → 将来ビッグデータに（H26年度:パイプライン構築と試行，H27年度：公開・実施）
製薬企業等における化合物・蛋白質受容体の複合体結晶構造：構造因子、アポ体（疑似アポ体）の原子構造

構造精密化

PDBが許容する精度に

PDBへの登録用ﾌｧｲﾙ

PDBj
登録ｻｲﾄ

入力情報
化合物情報
ChemComp,LigandBOX, PubChem
Epoxide hydrolase(含阻害剤電子密度＋アポ体構造モデル）

S0AEpoxide hydrolaseの阻害剤（S0A: 1-[(1R)1-cyclopropylethyl]-3-phenylurea)構造を電子密度にフィットして構造精密化

２）異なる階層のデータと蛋白質構造情報との統合化
第１期：世界標準のRDFフォーマット（PDB/RDF, BMRB/RDF）など技術的基盤を開発・確立
第２期：コンテンツ・レベルでの階層間の統合化
細胞内装置の構造情報

配列情報
蛋白質構造情報
NMR実験情報分子生物学・生化学実験情報

２）異なる階層のデータと蛋白質構造情報との統合化
第１期：世界標準のRDFフォーマット（PDB/RDF, BMRB/RDF）など技術的基盤を開発・確立
第２期：コンテンツ・レベルでの階層間の統合化
配列情報 配列→機能の高度化
MAFFTash, DASH, SFAS

統合化の障害
蛋白質構造情報①PDB構造のNMR実験情報
Redundancy②PDB中のアミノ酸番号③構造解析のための多数の変異
分子生物学・生化④非天然のﾘｶﾞﾝﾄﾞ学実験情報

細胞内装置の構造情報２）異なる階層のデータと蛋白質構造情報との統合化
細胞内装置の構造情報

配列情報
蛋白質構造情報
NMR実験情報分子生物学・生化学
実験情報

構造生命科学の課題の一つ①Large structures in PDB②EMDB，SSBD（統合生命動態ﾃﾞｰﾀﾍﾞｰｽ）との統合化③EM画像同士、EM画像と原子構造の形の類似性検索④eF-site (静電的分子表面)
for large structures⑤ProMode (基準振動ダイナミクス) for large structures①Large structures in PDB

HIV-1 Capsid 3J3Q
•1356 chains•>2M atoms•25 – PDB format entries

②EMDB，SSBD（統合生命動態ﾃﾞｰﾀﾍﾞｰｽ）との統合化

③EM画像同士、EM画像と原子構造の形の類似性検索
Query: human RNA polymerase IIwith RNA (EMDB: 2189)
Similar str. from 185,558 images>100 RNA polymerase II foundEF-Tu-GTP with
Phe-tRNAEF-G-GDP

Molecular mimicryの解析
分子擬態：R. Green, Curr Biol., 2000

RNAQuery: EF-Tu-GTP with Phe-tRNA

TuTuTuTuGGProteinGG

④eF-site (静電的分子表面) for large structures⑤ProMode (基準振動ダイナミクス) for large structures

Connolly
Surface /PoissonBoltzmanneq.

Electrostatic
molecularsurface

Vault (2zuo, 2zv4, 2zv5) : more than 10,000,000 Da (78 chains)
Tanaka et al. (2009) Science, 323. 384-388

２）異なる階層のデータと蛋白質構造情報との統合化
細胞内装置の構造情報

配列情報
蛋白質構造情報
NMR実験情報分子生物学・生化学実験情報解析対象分子の配列相同性情報や、一塩基多型 (SNP: OMIM)、Yeast-2-hybridやpull-down assayなどの相互作用情報（UniProt, IntAct）、疾患関連情報(CTD)、文献情報(PubMed)などを統合的に検索・表示できるWebツールの開発

３）人材養成３−１）構造解析研究者・DB利用者・アノテータへの教育・情報提供 構造解析研究者への情報提供・交流（日本結晶学会、アジア結晶学会、NMR討論会等）
 蛋白質構造を利用する研究者への情報提供・交流（日本バイオインフォマティクス学会、CBI学会、日本分子生物学会、日本生物物理学会、蛋白質科学会、アジアオセアニア蛋白質連合等）
 wwPDBメンバーとのタイトな連携・交流によるアノテータおよび技術者・研究者のon-the-job-training
2013年11月にEBIで行われたNMR
restraints に関するﾜｰｸｼｮｯﾌﾟ2013年11月にEBIで行われた
PDBx/mmCIFのﾜｰｸｼｮｯﾌﾟ

３−２）一般社会へのアウトリーチ活動
 一般社会人・小学生以上の学生に対するサイエンスアゴラ（東京お台場）(A)などの展示や一般向け講習会 教材の出版(B) 見てわかる構造生命科学（化学同人：2014年4月刊）(C) The Machinery of Life (by David S. Goodsell)（第二版の日本語訳：2014年出版予定）(C)(A)2013年11月サイエンスアゴラ（東京・日本未来科学館）(B)

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