メタボローム・データベースの開発
金谷 重彦
奈良先端科学技術大学院大学（NAIST)
情報科学研究科・情報生命科学専攻
・比較ゲノム学講座
櫻井 望(財)かずさDNA研究所・産業基盤開発研究部
有田 正規(独)理化学研究所
植物科学研究センター
平成23年6月10日© 2011金谷 重彦(奈良先端科学技術大学院大学) licensed under CC表示2.1日本

1メタボローム・データベースの意義
日本は二次代謝物研究で世界をリード

7000

薬用植物の報告数

Indonesia
China

メタボローム

生理活性・・・

ゲノム
トランスクリプトーム
プロテオームメタボローム研究の課題検出できるが、同定率が低い。
(1)代謝物MSデータを集約・共有するDBが必要
日本は微生物・植物・海洋生物の資源大国
２次代謝物は生理活性の宝庫(2)メタボロームと生理活性のリンクが必要(3)２次代謝DBとゲノム情報のリンクが必要

India
the US日本

メタボローム・・・・・・・・・・・・

Nature (2007)
Curr Comput Aid Drug Des (2011)

ゲノムトランスクリプトーム
プロテオーム・・・

薬用植物配合ヒト・・・

機能性有用生物・・・

薬/食用知識VietnamThailand
Malaysia
Philippines

0Hungary0

Schippmann et al.,(2006)を改変

自生植物数40,000© 2011金谷 重彦(奈良先端科学技術大学院大学) licensed under CC表示2.1日本

2メタボローム・データベース構想
質量スペクトルから生理活性情報の統合化をめざす。
メタボロミクス研究者、一般ユーザ
デポジット・閲覧・アノテーション・キュレーション

日本メタボローム・データベース
パブリック・リポジトリ[3]メタボローム統合DB[1] 質量スペクトルDB (MS DB)・学会MSDB
MassBank, LipidBank・研究グループMSDB
PRIMe[1-1] 化合物MS
DB

・個別研究における代謝物の同定
文献情報・大規模メタボロームMSDBMassBase, MS2T, KomicMarket[1-2] メタボローム
MS DB[3-1] ウィキＤＢによるメタボロー
ムデータの統合管理[2] 代謝物情報DB・質量スペクトルのアノテーション
MassBankフラグメンテーション・ライブラリ[2-1] MS-化合物構造の関係知識DB[3-2] メタボローム・アノテーショ
ン・システム・文献情報[2-2] 代謝物｛生物種, 生理活性｝関係DB[3-3] ゲノム情報とのリンク

KNApSAcK DB

基礎研究：持続可能社会に向けた生物資源の有効利用、生物種、分野、目的に応じた基礎研究
産業応用：新規有用代謝物質の探索、ゲノム育種による有用/新規代謝物質の生産 など© 2011金谷 重彦(奈良先端科学技術大学院大学) licensed under CC表示2.1日本

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[1-1] 質量スペクトルDB (MS DB)
分散型DB(MassBank)による世界貢献
化合物MS DB (BIRD II期)
MS データを共通のレコード形式にする

MS データを共通のレコード形式にする
公開する
研究者B

公開する
研究者A
データ・サーバ

データ・サーバ

サーバを提供インターネット

データサーバアクセス・ポイント

利用する
研究者massbank.jpにアクセス○分散型学術データベース
提供者に権限を一任できる。
メタボロームMS DBの構築へ拡張
構造未知の代謝物のMS DB化(ゲノムにおける機能不明の遺伝子と対応)

20 研究グループが13,463化合物について測定した30,574 MS データを公開○豊富なツールを開発
・MSから既存代謝物の同定（バッチ検索も可能）
・分子式、部分化学構造による既存代謝物検索を用いた既存代謝物の同定© 2011金谷 重彦(奈良先端科学技術大学院大学) licensed under CC表示2.1日本

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[1-2] メタボロームDB (かずさＤＮＡ研究所・理研)
日本のメタボローム情報は世界一
多種多様な測定

メタボロームデータの定式化(代謝物ピークの抽出）

代謝物の同定アノテーション

ガスクロマトグラフィー
質量分析装置（GC-MS）
キャピラリー電気泳動
質量分析装置（CE-MS）

かずさDNA研
高機能代謝データベース
UC-Davis(USA)

液体クロマトグラフィー
質量分析装置（LC-MS）

理研 PSC

液体クロマトグラ
フィー・フーリエ変換型
質量分析装置（LC-FT-MS）

DB公開件数：2.4万件(世界一の蓄積量)

分析総数：9.7万件
メタボローム解析のプロトタイ
プ構築に成功KNApSAcK (BIRD II期)
生物種-代謝物関係DB(世界最大)
代謝物(５万)、生物種-代謝物関係(10万対)(ＮＡＩＳＴ)○MassBank、Mass++プロジェクトと資産を活用し、生物の総体としてのメタボロームDBの統合により世界をリード。
○構造未知の質量スペクトルも含めデータベース化○目標数3.6万件を目指す。

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LC-MS

Hiroki Takahashi et al, BMC Bioinformatics, (2011)(accepted)
AMDORAP: Non-targeted metabolic profilingbased on high-resolution LC-MSm/z© 2011金谷 重彦(奈良先端科学技術大学院大学) licensed under CC表示2.1日本

6[2-1] 代謝物情報DB： MS-化合物構造の関係知識DB
部分構造による同定率の向上をめざす。
イオンピークと部分化学構
造式の関係ルールDB

1.0136.057
C5H6N5+0.57(BIRD II期)
標品サンプル: 3000種
報告代謝物数：5-6万種

NH3N

N

N
H

N
0.76

78.031C5H4N+0.74

H

質量スペクトル252.111136.057m/z

部分構造推定

N

NH3N

N

N
H
C5H6N5HO

O

N

NH3N
N

N
HOO

N

N

HO C10H11N4O3

構造情報に基づいた絞込み：生物種-代謝物関係DB(KNApSAcK)など© 2011金谷 重彦(奈良先端科学技術大学院大学) licensed under CC表示2.1日本

N

NHO

C10H14N5O37

[2-2] 代謝物情報DB： 代謝物-生理活性DB
生理活性からの有用２次代謝物探索が可能になる。

配合例Ａ

クミン
コリアンダー
唐辛子
胡椒
ニンニク
ショウガ
ウコン
サフラン
パプリカ
クローブ
シナモン
カルダモン
ナツメグ
オールスパイス
キャラウェイフェンネル
フェヌグリーク
ジャガイモ
タマネギ
ニンジン

クルクミン
クルクモールアズレン
カプサイシン

TRPV1

アリシン

ビタミンB1
アリチアミン

代謝物-生理活性DB

生物種-生理活性DB(38,555 レコード)© 2011金谷 重彦(奈良先端科学技術大学院大学) licensed under CC表示2.1日本

メタボローム

生理活性・・・

トランスクリプトーム
プロテオーム・・・

メタボローム・・・

トランスクリプトーム
プロテオーム

ヒト

・・・

生物・・・

配合・・・

機能性・・・

有用生物

・・・

薬/食用知識エネルギー代謝促進
抗ガン作用・ガン抑制
解毒機能
リラックス効果
解毒解熱
強壮
駆風
高血圧予防 ・血圧降下
血行を高める
健胃
抗菌・殺菌
動脈硬化予防
滋養強壮
消化促進
食欲増進
新陳代謝亢進整腸
鎮咳疲労回復8

[3-1] メタボローム統合DB: ウィキ・データベース
分散ＤＢによるメタボローム知の共有をめざす。
MediaWikiで情報統合：各データを名前空間に分けて登録。検索によりページを再構成。

[1-1] 化合物MS DB[1-2] メタボローム DB

一般ユーザから情報収集

サーバ間も検索を可能にし、見かけ上は単一ＤＢとして機能[2-1] MS‐化合物構造の関係知識 DB
専門家による注釈、編集

DB型ウィキ(BIRD II期;metabolomics.jp)「フラボノイド・データベース」「ウィキによるフラグメント・ライブラリ」「イオンと部分化学構造式の関係」○一貫性の維持、○分散して複数のサーバを配置可能、○知識の集約、○持続可能なDB、としての有用性を実証した。
© 2011金谷 重彦(奈良先端科学技術大学院大学) licensed under CC表示2.1日本[2-2] 代謝物‐{生理活性, 生物種}
関係DB[3-3] ゲノム情報とのリンク[3-2] メタボローム・アノ
テーション・システム9

[3-3] ゲノム情報とのリンク
２次代謝物から遺伝情報とのリンク
プロテオームトランスクリプトーム

ゲノム
メタゲノム・・・

メタボローム

酵素反応-配列-ドメイン関係DB（新領域「生合成マシナリ・プロジェクト」とMassBank
質量スペクトル

化学構造情報の連携）

差分質量スペクトル

反応差分情報反応様式

共通ドメイン情報

有用酵素、有用代謝パスウェイの探索

配列情報

1.多様ユニット一挙構築型（テルペン）
2.アセンブリーライン型（ポリケタイドなど）
3.ユニット連結型（アルカロイドなど）…

将来的には、新型シーケンサから出力されるトランスクリプトームをもとに二次代謝経路の推定を行いたい。
© 2011金谷 重彦(奈良先端科学技術大学院大学) licensed under CC表示2.1日本

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[3-3] ゲノム情報とのリンク
２次代謝物から遺伝情報とのリンク(新領域学術研究バイオマシナリーと連携)

た す け て ～ ～© 2011金谷 重彦(奈良先端科学技術大学院大学) licensed under CC表示2.1日本～～！

11連携体制：世界最大級の連携体制をめざす。
[1-1]化合物MS DB, [1-2]メタボロームMS DB (かずさDNA研究所、理研)
1.日本脂質生化学会(LipidBankデータベース)
2.日本質量分析学会(MassBankデータベース)
1.富山大学・和漢医薬学総合研究所・資源開発研究部門(田中 謙先生)
2.理研・植物科学センターメタボローム研究推進部門(斎藤和季先生)
3.かずさDNA研究所・産業基盤開発研究部(柴田大輔先生)
4.中部大学生命健康科学部(田口 良先生)
5.千葉大学・院・薬学研究科(山崎真巳先生)
6.大阪府立大学・院・生命環境科学研究科(太田大策先生)
7.広島大学・院・医歯薬学総合研究科(升島 努先生)など
1.ドイツ・ライプニッツ植物化学研究所(Dr. Steffen Neumann)
2.フィンランド・ヘルシンキ大学計算機科学科(Prof. Juho Rousu)
3.スウェーデン・ウメオ植物科学研究センター(Prof. Thomas Moritz)
4.ドイツ・マックスプランク植物分子生理学研究所 (Dr. Dirk Walther)

酵素反応-ペプチド配列- 塩基[2-1] MS‐化合物構造の[2-2]代謝物‐{生理活性, 生物 配列関係DB(新領域「生合成関係知識 DB (NAIST)種}関係DB (NAIST)
マシナリープロジェクト」)[3]メタボローム統合DB: ウィキ・データベース(理研）© 2011金谷 重彦(奈良先端科学技術大学院大学) licensed under CC表示2.1日本

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公開

公開

公開

© 2011金谷 重彦(奈良先端科学技術大学院大学) licensed under CC表示2.1日本

伝統知識と現代的知識の融合: KNApSAcK Family

Metabolomics

PhysiologicalActivity

・・・

・・・

・・・

・・・

Metabolomics

Proteome
Interactome
Transcriptome

・・・

Medicinal Herb.

Proteome
Interactome
Transcriptome

・・・

Prescription

・・・

・・・

Connect with Physiological Activity

TherapeuticUsage

Human Omics

Plant Omics

336種の漢方処方278種生薬

5310の配合処方1133種生薬

Connect with Therapeutic Usage

Traditional & Modern
Knowledge of Medicinal
Plants

50048種の代謝物
101500対の生物種-代謝物の関係
163ヵ国：
41,548対の薬用植物と使用国の関係

709種の食用生物© 2011金谷 重彦(奈良先端科学技術大学院大学) licensed under CC表示2.1日本

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科学的・社会的なインパクト○メタボローム研究の世界の拠点(パブリック・リポジトリ)
BIRD II期の成果の一部は、Nature誌ならびにその姉妹誌に３回紹介された。
○低コスト運営、持続可能なメタボロームを中心とした知の集約○生物種、分野、目的に応じたメタボロミクス研究基盤○新規有用代謝物質の探索の基盤○ゲノム育種による有用/新規代謝物質の生産へ向けた基盤○ゲノム科学への入り口としての啓発活動による社会貢献○持続可能社会に向けた生物資源の有効利用
LC-MS2

トランスクリプトーム
プロテオーム・・・・・・・・・

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トランスクリプトーム
プロテオームメタボローム

生理活性・・・

薬用植物・・・

配合

ヒト・・・

機能性・・・

有用生物・・・

薬/食用知識15

メタボローム・データベースの開発
金谷 重彦
奈良先端科学技術大学院大学（NAIST)
情報科学研究科・情報生命科学専攻
・比較ゲノム学講座
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おしまい

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