JST-NBDC
平成24年度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研究開発課題（平成24-26年度）

生命動態システム科学のデータベースの統合化研究代表

理化学研究所生命システム研究センター
大浪修一©2014大浪修一(理化学研究所) licensed under CC表示2.1日本

2014年6月2日

JST東京本部別館

生命動態システム科学
計測モデリング設計
複雑な生命現象の動態を時・空間を有する先端定量計測と高精密モデリングをもとに、in silicoとin vitroで再構成

生命動態システム科学のデータ
時空間情報を数値として含む新しい様式の生命科学の研究データが解析の中心に
具体例• 様々な摂動条件下の生命動態の時空間定量計測データ• 様々なパラメータ下の生命現象の時空間動態シミュレーション結果
線虫胚の細胞核分裂動態計測データ

細胞核動態のシミュレーション結果
微小管の長さ依存の引力分子モーターのf PULL = Fmotor ⋅ D ⋅ LFmotor = Fstall • {1 − (v Vmax )}Fmotor: force per motor
D: density of motors
L: length of the microtubule

力と速度の関係

微小管の動的不安定性

Vg: Growth velocity
Fstall: stall force of motor
Vs: Shrinkage velocity
v: velocity of motor
fcat: Catastrophe frequency
Vmax: maximum velocity of motor fres: Rescue frequency

本研究開発の目標• 我が国の生命動態システム科学分野の全てのデータベースを統合する体制と仕組みの構築• 研究開発終了時における、我が国の生命動態システム科学分野の全てのデータベースの統合• 生命動態システム科学分野の全世界のデータベースの統合

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生命動態システム科学のデータの問題点異なるデータ・フォーマットの使用
Onami et al. 2001, Hamahashi et al. 2007, Kyoda et al. 2013
0000, 1000, 51.8232, 37.7117, 27.1820, 1, P0, 17477, 342, 23, 211111111210111212112………..
486, 321, 24, 212112222100121222102………..
……………………………………………………………………...
1000, 2000, 33.3146, 32.1893, 25.2702, 2, P0, 17
320, 257, 23, 211111211111211111112………..
……………………………………………………………………….

Bao et al. 2006
t001-nuclei
t002-nuclei…..

1, 1, -1, 4, -1, 380, 366, 16.1, 80, EMS, 21281015,2, 1, -1, 2, -1, 387, 153, 16.6, 86, ABp, 2836266,3, 1, -1, 3, -1, 189, 251, 17.2, 88, ABa, 2850348,4, 1, -1, 5, -1, 562, 269, 18.1, 80, P2, 2168825

Keller et al. 2008
<68x17 double><69x17 double>…..

611.2904, 563.0863, 80.3444, 13.8991, 14.7172, 606, 551, ….
485.5862, 546.2255, 91.1758, 14.0556, 18.5152, 480, 534, ….
562.8646, 459.1969, 95.8143, 14.2670, 17.0606, 556, 450, ….
………………………………………………………………………………………………

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BDML: Biological Dynamics Markup Language
生命動態システム科学の定量データを記述する言語• XMLを基盤− 高い可読性− 高い拡張性Kyoda et al., submitted<scaleUnit><tScale>20</tScale><tUnit>second</tUnit></scaleUnit><component><componentID>100</componentID><time>1</time><measurement><line><coords>10.32,30.42,18.32</coords></point></measurement></component><component><componentID>101</componentID><time>2</time><prevID>100</prevID><measurement><line><coords>9.57,32.05,14.91</coords></point></measurement></component>空間情報（XYZ）の表現• 位置や形状を表現するための5種類の表現法を準備した。

– 特徴（例えば遺伝子発現量）を付加することもできる。

点線面(xn, yn, zn)

円球rr(x, y, z)(x, y, z)(x3, y3, z3)(x2, y2, z2)(x, y, z)(x1, y1, z1)(x1, y1, z1)

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BDMLで記述可能な定量データ

シミュレーション結果

計測データ• 分子、細胞、個体から集団の動態まで。
cell line

zebrafish

遺伝子発現
C. elegans

C. elegans

E. coliC. elegans(Keller et al. 2008)(Leszczyriska et al. 2012)

mouse(Serge et al. 2008)

一分子(Sarov et al. 2012)(Cronin et al. 2005)(Kyoda et al. 2013)

細胞核分裂

E. colimonkey(Kurotaki et al. 2007)

行動

増殖・生存

C. elegans(Arjunan & Tomita 2007)(Kimura & Onami 2005)

分子細胞(Mattison et al. 2012)

核・微小管
個体

BDML ver. 0.15
集団8

BDMLで記述可能な理研QBiCのデータ

記述可能

BDML ver. 0.15

生物種

対象方法

研究室

Hela細胞

一分子計測

上田昌宏

Hela細胞FCS

計測

神Hela細胞

一分子モデル

高橋恒一

肝臓細胞

MS計測

升島

マウス

一分子計測

岡田康志

マウス

発現計測

上田泰己

ゼブラフィッシュ

核計測

岡田康志

線虫

核計測

大浪修一

線虫

核計測

大浪修一

線虫

核・微小管モデル

大浪修一

粘菌

一分子計測

神

出芽酵母

発現計測

谷口雄一

大腸菌

生育計測

古澤

大腸菌

一分子モデル

高橋恒一

隆
勉

隆
力

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生命動態システム科学の統合データベース

SSBD

http://ssbd.qbic.riken.jp/

Image data

Numerical data

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SSBDから公開中のデータ
E. coliC. elegans

C. elegans(Arjunan & Tomita 2007) (Kimura & Onami 2005)(Kyoda et al. 2013)

C. elegans

D. melanogaster

Zebrafish(Bao et al. 2006)(Keller et al. 2010)(Keller et al. 2008)

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SSBD登録済のデータ一覧

公開待ち， 公開中
BDMLEntries

画像

Kurotaki et al. 2007

11209680計測

Bashar et al. 20121

核計測

Keller et al. 2008

756584840

ショウジョウバエ

核計測

Keller et al. 2010

25111828

ショウジョウバエ

核計測

Supatto et al. 2009

140534線虫

核計測

Kyoda et al. 2013

18675955

線虫

核計測

Bao et al. 2005

224747線虫

核モデル

Kimura & Onami 2005

1002400100

線虫

核計測Kyoda et al.

261

155873

線虫

核計測

Sönnichsen et al. 2005

979

1913774

線虫

核計測

Gonczy et al. 2000

12988

線虫

核計測

Takayama et al.

1220966

線虫

発現計測

Sarov et al. 2012

2735713854

線虫

行動

計測

Cronin et al. 2005

1115822

細胞性粘菌

一分子計測

Jin et al.

1987

大腸菌

一分子モデル

Arjunan & Tomita 2010

1721

生物種

対象種類

マウス

核計測

マウス

核ゼブラフィッシュ

論文

33480

25648991

ブラウザ上でデータを可視化

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OMEROシステムによる動画像の管理• 顕微鏡から得られるテラバイト単位の動画像の管理を目的に開発されたフリーのソフトウェア– 127種類の動画像のフォーマットに対応– ImageJ, MATLAB, Java, C++, Python によるクライアント・アプリケーションの開発が可能

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RESTful API を構築• HTTPのURI（Uniform Resource Identifier）でデータの読み取りができる。
– 第三者がクライアントのアプリケーションをプログラミング言語やプラットフォームに制限されることなく開発できる。
RESTful Client
JavaPython
CRequest
GET /BDML/get/123

Response 200 OK

RESTfulWeb Service

SSBD

BDML

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生命動態システム科学計測データの活用
新しいバイオインフォマティクス領域を創成
SSBD

生命動態
定量データ

可視化

WT
RNAi

情報・数理解析

計算表現型解析16

解析ツールの公開• Phenochar (ver. 1.0)
– 表現型の特徴量を計算するツール
時間

位置

体積(x, y, z)t

移動距離

距離

角度

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ImageJとの連携• ImageJに対してBDML/SSBDのソフトウェア群の適用を可能にする。

画像処理
読み込み

Image

書き出し

18

ImageJ plugins for BDML
Extracting quantitative data

Visualization19

生命動態システム科学のDB統合化
計測とモデリングの有機的な連携を加速する
情報インフラ20

研究開発のスケジュール
研究項目

H24年度

H25年度

H26年度

1. DB統合の体制と仕組
みの構築
2. 理研QBiC内のDB統合

3. 理研QBiC外のDB統合

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H26年度の計画• DBの統合– 国内の全ての大規模データの統合– 国外の代表的な大規模データの統合• DB統合の体制と仕組みの構築– データフォーマットの拡張• 時空間オミクスデータへの対応など– 周辺ソフトウェアツール群の開発• 可視化、解析、知識抽出– 国際連携の体制や仕組みの構築– OMEROとの連携の深化• DBの活用– 新しい生命システム解析手法の開発

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