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

生命動態システム科学のデータベース
統合化の現状と今後の展開

⼤浪修⼀

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

背景• ⽣命動態システム科学– 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invitro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• 計測データ• シミュレーションデータ

• ⽣命動態システム科学のDB– 公開中のDBの数はまだ多くない– データ⽣産が急速に増加中– 今なら、DBの乱⽴に先⾏して統合化のスキームを構築できる。

生命動態システム科学のDBの統合化
目標• 我が国の⽣命動態システム科学分野の全てのDBを統合する体制と仕組みの構築• 我が国の⽣命動態システム科学の全てのDBの統合• ⽣命動態システム科学分野の全世界のDBの統合

謝辞
プロジェクト・グループ
JST CREST研究代表者
飯野雄⼀（東⼤）影⼭龍⼀郎（京⼤）⿊田真也（東⼤）洪 実（慶⼤）近藤 滋（阪⼤）
⽂科省推進拠点研究代表者
井原茂男（東⼤）⾦⼦邦彦（東⼤）楯 真⼀（広⼤）松田道⾏（京⼤）

理研QBiCグループリーダ
上田泰⼰（理研）
上田昌宏（理研）
泰地真弘⼈（理研）

統合フォーマットの構築

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, ….
………………………………………………………………………………………………

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., in revision<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>

BDMLの開発の歴史• BDD-XML– 細胞核分裂動態のみ対応。

Jan 21 2013

• BDML ver. 0.15

Sep 2 2013

• BDML ver. 0.18

Jun 18 2014

• BDML ver. 0.2

Aug 28 2014

– 初代公開version。⼀分⼦から個体、集団、遺伝⼦発現動態に対応。

– Series, Setの導入。

– RDF, オントロジーへの対応。

BDMLで記述可能
記述可能な
記述可能な定量データ

計測データ• 分⼦、細胞、個体から集団の動態まで。
遺伝子発現cell line

(Serge et al. 2008)

シミュレーション結果

zebrafish

一分子

C. elegans(Sarov et al. 2012)

C. elegans

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

mousemonkey(Cronin et al. 2005)(Kyoda et al. 2013)

細胞核分裂(Kurotaki et al. 2007)

⾏動

E. coli

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. 2.0
集団BDMLで記述可能な理研QBiCのデータ

記述可能

BDML ver. 2.0
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

OmicsBDML• 時空間情報を持つオミクスデータセットのためのフォーマット。
– 既存のフォーマットは時空間情報を定量的に表現できない。
• 既存フォーマット： MiNiML, mzMLなど

mzML

MINiML– BDMLには効率的に格納できない。

• 既存のフォーマットを取り込んで再利⽤。

遺伝⼦発現データ 代謝産物データ

・・・・・例）遺伝⼦発現データ
TP=0

TP=1

TP=n

<xml version=“ “ /><omicsbdml ...><time>0</time><target>PT</target><time>1</time><target>PT</target><time>n</time><target>PT</target><MINiML:Series><MINiML:Status /><MINiML:Title />...
</MINiML:Sample><MINiML:Sample><MINiML:Status /><MINiML:Title />...
</MINiML:Sample><MINiML:Sample><MINiML:Status /><MINiML:Title />...
</MINiML:Sample>

OmicsBDML

・・・・・

t

<MINiML:Sample><MINiML:Status /><MINiML:Title />...
</MINiML:Sample>

⽣物アイコン © ライフサイエンス統合データベースセンター licensed under CC表示2.1 日本

統合データベースの構築

統合データベースSSBD画像データ

http://ssbd.qbic.riken.jp
2013年9月公開

定量データ

BDML
OmicsBDML

ツールBDMLブラウザ上でデータを可視化

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

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

Request
GET /BDML/get/123

Java
PythonC

Response 200 OK
BDML

RESTfulWeb Service

SSBD

SSBD登録データ
BDMLファイル数
2,500
2,000
1,500

未公開データ
公開データ

1,000
500
0
Sep.2013

Oct.2013

Dec.2013

Oct.2014

SSBDのデータ
E. coliC. elegans

C. elegans

C. elegans

C. elegans(Arjunan & Tomita 2007)(Kimura & Onami 2005)(Tohsato et al., submitted)(Kyoda et al. 2013)(Bao et al. 2006)

D. melanogaster

Zebrafishmouse

C. elegans(Keller et al. 2010)(Keller et al. 2008)(Bashar et al. 2012)(Cronin et al. 2005)

公開予定・公開中のデータ一覧
2014年10月5日
生物種

対象種類

⽂献

#BDML

#component#images

mouse

核計測

Bashar et al. 2012

12055

2800

mouse

発現（MINiML）

計測

Masumoto et al. 2010

848mouse

核計測

Kurotaki et al. 2007

112096

mammals

ヌクレオソームモデルHihata et al. 2012

1zebrafish

核計測

Keller et al. 2008

756584840

D. melanogaster

核計測

Keller et al. 2010

25111828

D. melanogaster

核計測

Supatto et al. 2009

140534C. elegans

核計測

Kyoda et al. 2013

18675955

C. elegans

核計測

Bao et al. 2005

224747C. elegans

前核＋微小管モデル

Kimura & Onami 2005

1002400100

C. elegans

⾏動計測Cronin et al. 2005

1115822

C. elegans

前核＋核＋胚計測Tohsato et al.

1330

1872137

C. elegans

核計測

Kyoda et al.

259

155873360x66x259

C. elegans

核計測

Takayama et al.

12209664899

C. elegans

発現計測

Sarov et al. 2012

2735713854

D. discoideum

⼀分⼦計測

Jin et al.

1987

E. coli

⼀分⼦モデル

Arjunan & Tomita 2010

1721

80

180x66x186368

BDML、SSBDの活用への取り組み

生命動態の時空間定量データの活用• 可視化• 従来の解析の自動化、高速化• データ駆動型の新手法による解析ツール群の開発/公開、サービスの開始

可視化

ブラウザでの可視化の速度の向上

Old Viewer

New Viewer

BDMLの可視化ソフトウェア
ImageJのプラグインとして開発

従来法の自動化、高速化の典型例

計算表現型解析WTRNAi• All essential embryonic genes (97 genes) on Chromosome III• 437 phenotypic characters between 1- and 8-cell stage• 1336 RNAi induced phenotypic alterations

表現型解析ツールの開発/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

計算表現型解析サービス• 国内の線虫研究者に試験的に開始

東北⼤学

国⽴遺伝学研究所

関⻄学院⼤学

理化学研究所⼤阪⼤学

データ駆動型の新手法による解析

時空間データを利用した発生の粗視化モデルの導出
遺伝⼦ノックダウン胚の細胞分裂動態データ

形質間の相関
形質B

形質B

相関のはずれ値

形質A形質A

Kyoda et al., submitted

形質発現の連鎖

形質発現の連鎖を規定する遺伝⼦情報科学研究者との共同研究

⽴命館⼤学

⽴命館⼤学

東京工業⼤学九州⼤学

神⼾⼤学

より多くの実験生物学者へ

SSBD/OMEROからのBDML生成• SSBDからの画像の読み込みを可能にするImageJ pluginを公開し、BDML形式のROI 情報の保存を容易にした。

読込
SSBD-OMERO.insight plugin

変換
ROI2BDML macro

ROIをImageJで作成

BDML

SSBD

今後の展望• ⽣命動態システム科学のDB統合化の国内での推進を継続– プロジェクト・グループとの連携の継続、強化– 当分野の主要な研究者との連携の拡⼤• BDML/OmicsBDMLの国際標準化を推進– COMBINEとの連携– Bioimage Informatics communityとの連携• SSBDの国際連携の拡⼤、推進– ⽣命動態データのDB統合化の国際的な連携組織を構築– 当分野の主要な研究者との連携の拡⼤– OMEROとの連携• BDML/SSBDの活⽤– データから知識を抽出する手法、ソフトウェアの開発・公開– バイオインフォマティクス、数理⽣物学、ビッグデータ解析分野との連携– 類似動態、類似動画像の検索機能の開発• 画像データの拡⼤– より⼀般的な画像データへの取り組み

まとめ•

⽣命動態システム科学のデータを統⼀的に記述するフォーマットを開発した。
– BDML– OmicsBDML•

⽣命動態システム科学の統合データベースを構築した。

•

国内外の⽣命動態システム科学の定量データをSSBDに格納した。

•BDML/OmicsBDML, SSBDを活⽤するツール群の開発/公開を開始した。

– SSBD– QBiCの公開可能なデータ全て– 国内の公開可能なデータをほぼ全て（継続中）– 国外の⽣命動態システム科学の代表的なデータ（継続中）

––––

•

Phenochar
SSBD-OMERO.insight plugin
ROI2BDML macro
ImageJ Plugin - BDML Viewer

DB統合化の国際連携についての議論を開始した。