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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

生命動態システム科学のデータベースの統合化

理化学研究所生命システム研究センター

大浪 修一

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生命動態システム科学• 生命を動的システムとして理解し、操作する生命科学• 新たな生命科学の潮流として２１世紀の科学全体への大きな影響が期待される

分子生物学
遺伝子の制御生命動態システム科学
細胞の制御

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©2013 大浪 修一(理化学研究所) licensed under CC表示2.1日本

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
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

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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

生命動態
計測DB

可視化

WTRNAi情報•数理解析

計算表現型解析©2013 大浪 修一(理化学研究所) licensed under CC表示2.1日本

生命動態システム科学のDB統合化• 現在公開•運用されているデータベースは少ない• 分野の成長に伴い、今後の急速な増加が見込まれる
今なら、データベースの乱立に先行して統合化のスキームを構築し、当分野の全てのデータベースが統合化スキームの下で開発される体制の構築が可能
生命動態システム科学のDB統合化（本研究開発）開発&統合開発&統合
DB5

DB1

DB1DB2DB3DB2DB4

通常のDB統合化
DB1DB6DB3DB7DB9DB2DB5DB1
DB2DB4DB3DB7DB5DB4DB2

統合DB3

DB10DB1DB4DB8DB6DB7DB5DB6DB10DB11DB12DB8DB
9DB10DB12DB11DB8DB9DB11

統合化スキームの先行構築によりDB統合化の諸困難を解決!!

©2013 大浪 修一(理化学研究所) licensed under CC表示2.1日本本研究開発の目標• 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©2013 大浪 修一(理化学研究所) licensed under CC表示2.1日本

データベース統合の体制の構築
生命動態システム科学のコミュニティーの合意の上で、当分野のデータベース統合の体制、仕組み、スケジュール等を決定する。
プロジェクトグループ• 大規模なデータ収集が見込まれる研究者、DB統合に関心を持つ研究者等• プロジェクトの進捗の確認、助言等• 年１回ペースで打合せ

生命動態システム科学
All Japanコミュニティー
• 理研QBiC/大阪大• さきがけ/CREST• 新学術研究領域など

ワーキングチー• プロジェクトチームから選抜（5名程度）
ム• プロジェクトの具体的な決定等• 年2回ペースで打合せ©2013 大浪 修一(理化学研究所) licensed under CC表示2.1日本

データベースの統合
コミュニティーで合意した体制、仕組み、スケジュールの下で、生命動態システム科学のわが国の全てのDBを開発と平行して統合する
生命動態システム科学
コミュニティー

1. 大浪研究室のDBの統合
統合の仕組み問題点の修正2. 理研QBiC/大阪大の他のDBの統合

統合の仕組み問題点の修正統合の仕組み3. 理研QBiC/大阪大以外のDBの統合

プロジェクトグループ
ワーキングチーム©2013 大浪 修一(理化学研究所) licensed under CC表示2.1日本

データベース統合化の具体的なイメージ
データのフォーマットを統一し統合化→解析ツールを共有できる！
生命動態DB
数値情報

生命動態DB

生命動態
解析DB

生命動態
解析DB

数値情報

表現型情報

メタ情報

画像DB
メタ情報

A解析情報

生命動態DB

数値情報

表現型情報

画像DB

画像DB

生命動態DB

B解析情報

生命動態DB

数値情報

数値情報

メタ情報

メタ情報

画像DB
メタ情報

統合DB
統合生命動態DB

画像DB

数値情報

統合生命動態
解析DB
解析ツール
群

表現型情報

フェノーム統合DB

B解析情報

画像DB
画像DB

計算科学

A解析情報

メタ情報

情報科学

数学・物理学分子・細胞生物学©2013 大浪 修一(理化学研究所) licensed under CC表示2.1日本

チャレンジ

計測、モデリング、設計の有機的な連携を加速するデータ
ベースの仕組みやインターフェース、ソフトウェアの開発
統合DB

計測生命動態統合DB

モデリング
設計

©2013 大浪 修一(理化学研究所) licensed under CC表示2.1日本研究開発のスケジュール
研究項目

1. DB統合の体制の構築

2. 理研QBiC/大阪大内のDB統合
3. 理研QBiC/大阪大外のDB統合

H24年度

H25年度

H26年度

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H24年度の目標、当初計画• 生命動態システム科学研究におけるデータベース統合のスキームの構築– プロジェクトグループの構築– 統合データフォーマットの構築– 統合データベースサーバの構築• 理研QBiC内のデータベースの統合を開始– 大浪研究室が保有する２つの大規模データの統合を開始

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H24年度の進捗状況• 生命動態システム科学研究におけるデータベース統合のスキームの構築– プロジェクトグループの構築– 統合データフォーマットの構築– 統合データベースサーバの構築• 理研QBiC内のデータベースの統合を開始– 大浪研究室が保有する２つの大規模データの統合©2013 大浪 修一(理化学研究所) licensed under CC表示2.1日本

プロジェクトグループの構築
理研QBiCの代表研究者および、さきがけ研究総括、CREST代表研究者から構成されるプロジェクトグループを構築した
氏名

所属

備考

大浪 修一

理化学研究所生命システム研究センター

研究課題代表者
理研QBiC代表研究者

泰地真弘人

理化学研究所生命システム研究センター

理研QBiC代表研究者

上田 昌宏

理化学研究所生命システム研究センター

理研QBiC代表研究者

上田 泰己

理化学研究所生命システム研究センター

さきがけ研究総括
理研QBiC代表研究者

飯野 雄一

東京大学大学院理学研究科

CREST代表研究者

影山龍一郎

京都大学ウィルス研究所

CREST代表研究者

黒田 真也

東京大学大学院理学研究科

CREST代表研究者洪 実

慶應義塾大学医学部

CREST代表研究者

近藤 滋

大阪大学大学院生命機能研究科

CREST代表研究者

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データベース統合の進め方についての議論• プロジェクトグループメンバー等と個別に打合せを行った。
日付

場所

氏名

備考

H24.10.13

大阪

山本 雅

CREST研究総括

H24.11.13

東京

飯野 雄一

CREST代表研究者

H24.11.14

東京

黒田 真也

CREST代表研究者

H24.11.15

大阪

近藤 滋

CREST代表研究者

H24.11.19

京都

影山龍一郎

CREST代表研究者

H24.11.27

東京

洪 実

CREST代表研究者

H25.1.11

大阪

上田 泰己

さきがけ研究総括

理研QBiC代表研究者については、日常的に議論しているので割愛

第一回プロジェクトグループ会議においてH24年度案としてまとめる（予定）©2013 大浪 修一(理化学研究所) licensed under CC表示2.1日本

当初計画に無かった新しい展開
文科省が生命動態システム科学の新規の振興策を開始した。

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プロジェクトグループの追加招聘
新たに選定された推進拠点の代表研究者をプロジェクトグルー
プに招聘する（本年度中予定）。
氏名所属

備考松田 道行

京都大学大学院生命科学研究科

推進拠点代表研究者

井原 茂男

東京大学先端科学技術研究センター

推進拠点代表研究者

金子 邦彦

東京大学大学院総合文化研究科

推進拠点代表研究者

楯 真一

広島大学大学院理学研究科

推進拠点代表研究者

追加招聘メンバーを含めたプロジェクトグループの第一回会議を開催（本年度予定）。

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H24年度の進捗状況• 生命動態システム科学研究におけるデータベース統合のスキームの構築– プロジェクトグループの構築– 統合データフォーマットの構築– 統合データベースサーバの構築• 理研QBiC内のデータベースの統合を開始– 大浪研究室が保有する２つの大規模データの統合©2013 大浪 修一(理化学研究所) licensed under CC表示2.1日本

統合データフォーマットの初期バージョンを構築
標的：細胞分裂動態データ
xt1

時間

区画

核yt2

細胞測定位置t3z©2013 大浪 修一(理化学研究所) licensed under CC表示2.1日本

細胞分裂動態のフォーマットの例
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

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………..
……………………………………………………………………….

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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統合フォーマットを構築
ID
PrevID• XMLによる記述

TheT– Biological Dynamics Data (BDD)‐XML

TheC
Name

BDD

ID
FillColor

OME:Image

FillRule

Name

StrokeColor

Description

StrokeWidth

Namespace

Text
FontFamily

Union
Shape

FontSize
FontStyle
Visibility

Point
X

SphereYZXYRadiusPolygonZX

YZ

ChainCode……

©2013 大浪 修一(理化学研究所) licensed under CC表示2.1日本統合フォーマットによる記述例<?xml version=“1.0”?><SSBD xmlns=http://so.qbic.riken.jp/ssbd …><BDD:BDD ID=“SSDB1301100001”><BDD:Union><BDD:Shape ID=“1000” PrevID=“0000” TheT=“1” TheC=“0” NAME=“AB”><BDD:Sphere X=“288” Y=“257” Z=“16.0” Radius=“52.186” /></BDD:Shape><BDD:Shape ID=“2000” PrevID=“0000” TheT=“1” TheC=“0” NAME=“P1”><BDD:Sphere X=“231” Y=“330” Z=“18.0” Radius=“46.848” /></BDD:Shape><BDD:Shape ID=“1001” PrevID=“1000” TheT=“2” TheC=“0” NAME=“AB”><BDD:Sphere ….. /></BDD:Shape><BDD:Shape ID=“2001” PrevID=“2000” TheT=“2” TheC=“0” NAME=“P1”><BDD:Sphere ……/></BDD:Shape>
……..
……..
</BDD:Union></BDD:BDD></SSBD>

Bao et al. 2006の動態データ<?xml version=“1.0”?><SSBD xmlns=http://so.qbic.riken.jp/ssbd …><BDD:BDD ID=“SSDB1301100002” NAME=“CDD0804010105”><BDD:Union><BDD:Shape ID=“1000” PrevID=“0000” TheT=“1” TheC=“0” NAME=“P0”><BDD:Polygon X=“477” Y=“342” Z=“23” ChainCode=“034723…” /><BDD:Polygon X=“486” Y=“321” Z=“24” ChainCode=“345724…” />
……..
……..
</BDD:Shape><BDD:Shape ID=“1001” PrevID=“1000” TheT=“2” TheC=“0”><BDD:Polygon ….. />
……..
……..
</BDD:Shape>
……..
……..
……..
</BDD:Union></BDD:BDD></SSBD>

Kyoda et al. 2013の動態データ

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H24年度の進捗状況• 生命動態システム科学研究におけるデータベース統合のスキームの構築– プロジェクトグループの構築– 統合データフォーマットの構築– 統合データベースサーバの構築• 理研QBiC内のデータベースの統合を開始– 大浪研究室が保有する２つの大規模データの統合©2013 大浪 修一(理化学研究所) licensed under CC表示2.1日本

ソフトウェアシステムの構築••••

定量データを統合フォーマット（XML形式）で保存
画像データはOMEROシステムで管理
ユーザはXML形式を意識せず画像および定量データを表示・検索解析ソフトウェアは統合フォーマットに対応

可視化
検索

画像データ

解析

データ
変換

定量データ

XML形式
<ID> IMG001<Name> Image 1<created> 20120110<SizeX> 760<SizeY> 500…

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OMERO Platform• テラレベルの画像データおよびメタデータの共有を目的に開発されたフリーのオンラインソフト
表示

OMERO.insight

Java

変換

OMERO.importer

解析

OMERO.scripts

PythonMatlabOMERO APIOME‐XMLOMERO.server
SQL
画像データベース

管理

OMERO.webC++OMERO.editor©2013 大浪 修一(理化学研究所) licensed under CC表示2.1日本

画像データと定量データの連携• DB2 (IBM Database 2)
XMLデータをネイティブの階層形式で保存・処理・管理• 定量データはXML形式でDB2に格納
可視化
検索解析変換
画像・定量データ連携ライブラリOMERO API
DB2‐ODBCOME‐XMLSQL/XMLOMERO.server
SQL
画像データ/PostgreSQL
定量データ/DB2

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ハードウェアシステムの構築
神戸研究所

External Network
負荷分散装置サーバ

4Gbit SFP

サーバ

GPFS/8Gbit FC
定量データ
画像データ

バックアップStorage×12(288TB SAS)

和光研究所
（情報基盤センター）

1Gbit

テープ

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H24年度の進捗状況• 生命動態システム科学研究におけるデータベース統合のスキームの構築– プロジェクトグループの構築– 統合データフォーマットの構築– 統合データベースサーバの構築• 理研QBiC内のデータベースの統合を開始– 大浪研究室が保有する２つの大規模データの統合©2013 大浪 修一(理化学研究所) licensed under CC表示2.1日本

大浪研究室の大規模データの統合
全ての胚発生必須遺伝子に対する遺伝
子機能破壊条件下での線虫の4次元細胞分裂ダイナミクスデータ

全ての胚発生関連遺伝子に対する遺伝
子機能破壊条件下での線虫の2次元タイムラプス細胞分裂ダイナミクスデータ

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Worm Developmental Dynamics Database• 線虫C. elegans初期胚発生における顕微鏡画像および細胞分裂ダイナミクスの定量情報を公開

WDDDの構成（野生胚50個体、RNAi胚136個体のデータ）

http://so.qbic.riken.jp/wddd/
Kyoda et al., Nucleic Acids Res. 2013

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WDDDのアップデート予定• 胚発生必須遺伝子に対するRNAi胚データの追加– 2012: 第3染色体（>1 data set / gene) Kyoda et al., Nucl. Acids Res., 2013
– 2013: 第3染色体（5 data set / gene） submitted– 2014: 全染色体（5 data set / gene）
on going
2000

WDDD003
（推定値）

1800
1600
1400
1200

RNAi

1000

wt
800

WDDD002
公開準備中

600
400

WDDD001
公開

2000
2012

2013

2014

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H24年度の進捗状況のまとめ• 生命動態システム科学研究におけるデータベース統合のスキームの構築– プロジェクトグループを構築した• プロジェクトグループメンバーと個別に打合せを行った。
– 統合データフォーマットの初期バージョンを構築した– 統合データベースサーバを構築した• 理研QBiC内のデータベースの統合を開始– 大浪研究室が保有する２つの大規模データの統合を開始した• WDDDを公開した。

©2013 大浪 修一(理化学研究所) licensed under CC表示2.1日本研究開発のスケジュール
研究項目

1. DB統合の体制の構築

2. 理研QBiC/大阪大内のDB統合
3. 理研QBiC/大阪大外のDB統合

H24年度

H25年度

H26年度

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H25年度の実施計画• 理研QBiC内のデータベースの統合– 全ての生命動態システム科学の大規模データベースの統合– 全てのタイプの生命動態システム科学に特徴的なデータの統合• 生命動態システム科学研究におけるデータベース統合のスキームの構築の継続– プロジェクトグループの増強– データフォーマットの拡張– 統合データベースサーバの修正•拡張• 理研QBiC外のデータベースの統合の開始– プロジェクトグループメンバーの研究室のデータの分析と統合の開始