タンパク質相互作用データベース代表的入り口ーブラウザーの使い方ー
東京医科歯科大学
生命情報学研究室後期博士課程
長谷武志

Agenda• １．Introduction• ２．PPIデータベースについて• ３．ブラウザーの使い方（データベース検索）• ４．PPIデータの入手とグラフ表示ソフト• ５．PPIデータベースの応用（解析事例）

Introduction
生物ではDNAに蓄えられた情報はRNAを経て、実際に生命活動を担う各種タンパク質が作られる。そして、タンパク質が相互作用することにより生命の高次の機能・特有の躍動は生まれてくる。すなわち、タンパク質間相互作用（PPI）の解析は「生命秩序」の理解へとつながる。そして、その秩序の乱れとはすなわち「疾患」を意味する。
近年、Yeast Two Hybrid法により大規模なPPIデータが蓄積されてきており、研究、創薬の為の環境が整いつつある。
今回は、幾つかの代表的なPPIデータベースを取り上げ説明を行なう。

• １．Introduction• ２．PPI関連のデータベースについて• ３．ブラウザーの使い方（データベース検索）• ４．PPIデータの入手とグラフ表示ソフト• ５．PPIデータベースの応用（解析事例）

• Web上でPPIデータベースを探すと沢山のデータベースが検索されます。（資料に主なものの一覧が記載されています）• ここでは、PPIデータベースについて、その簡単な分類、説明を行います。
• PPI研究に有用なデータベース

データベースの形式１
ブラウザーでの利用を想定・・・手軽に使える
利点
・検索結果に対し、他のデータベースへのリンクが貼ってあることが多く、詳しい情報の入手が容易。
・サイト上で、ネットワークやパスウェイの図を簡単に見ることが出来るものもあり大変便利。
欠点
・融通が利かないことがあります
Protein B
調べたいタンパク質

Protein A

Protein A

Protein C
ネットワークの表示
ブラウザーで検索データベースの形式２
データをテキストファイルとして提供・・・融通が利く
利点
・データに対し自分のオリジナルの解析を行なえる。
・グラフ表示ソフトウェアを併用することで、ネットワークの図を自由に作成することが出来る。
・PPIデータベース以外のデータベースと組み合わせることで、解析法の幅が広がる。
欠点
・自分で色々と手を加える必要があります

例：

PPIデータ＋細胞内局在データ

空間情報！

ミトコンドリアのPPIデータ

タンパク質間相互作用データベースには大きく分けて、実験に基づくデータベース、論文の記述からデータを抽出し構築したデータベースの２種類が存在

実験によるデータ抽出
DIP （Database of Initeracting Proteins）
http://dip.doe-mbi.ucla.edu

MIPS（munch information center for protein sequences）

http://mips.gsf.de/など・・・

論文中の記述からのデータ抽出
BIND （BiomolecularInteraction Network Database）

http://www.blueprint.org/bind/bind.phpなど・・・

主な実験法• Yeast two-hybrid (Y2H)
一番良く使用されている• 免疫共沈降法• 質量分析

注意点① PPIデータベースには、完全にフリーのもの、アカデミックのみフリーのもの、完全に有料のものがあるので、利用の際には確認が必要！！
例： 「DIP」 アカデミックのみフリー② PPIデータベースごとに対象としている生物種が違うので確認が必要。
また、データベースごとにデータセットの大きさが違うので注意。（あまり解析が進んでいないものもある）
例： 「DIP」 酵母、線虫、ショウジョウバエ、人など「PMS」 ショウジョウバエ

PPI研究に有用なデータベース
・細胞内局在、複合体データベース
YEAST GFP FUSION LOCALIZATION DATABASE 細胞内局在
http://yeastgfp.ucsf.edu
YEAST protein complex database 複合体データベース
http://yeast.cellzome.com/index.php

・DNAータンパク質間相互作用データベース
DNA-Protein Interaction Data Base http://www.dpidb.belozersky.msu.ru/
DPInteract http://arep.med.harvard.edu/dpinteract/・タンパク質ドメイン間の相互作用データベース
InterDom （Database of Interacting Domains）

http://interdom.lit.org.sg/

• １．Introduction• ２．PPI関連のデータベースについて• ３．ブラウザーの使い方（データベース検索）• ４．PPIデータの入手とグラフ表示ソフト• ５．PPIデータベースの応用（解析事例）

ここでは、BINDを例として取り上げて、具体的なブラウザを使った相互作用データベースの検索法を説明します。

BINDについて①
BINDは学術文献を基に構築されたデータベースである。
タンパク質間相互作用、複合体、Pathwayについて調べることが出来ます。テキストデータも入手可能。

Current BIND Database Statistics
Database

Interaction Database

Record Count
96878

Biomolecular Pathway Database

8

Molecular Complex Database
Organisms represented
GI Database

1895
878
34094

DI Database
Publication Database

010020BINDについて②
BINDにはタンパク質、DNA、RNA、リガンド、等の間の相互作用データが含まれています。また、複合体、Pathwayに関するデータも含まれています。
BINDはアカデミック、商用を問わずフリーです。ですが、使用する際には以下の論文を引用する必要があります。
Bader GD,BetelD,Hogue CW.(2003)BIND: the Biomolecular Interaction Network Database.
Nucleic Acids Res. 31(1):248-50 PMID:12519993

BINDは検索結果をネットワークに表示できます。

PI3K P85―alphaを中心としたネットワーク

BINDを使った検索①
BINDのTOPページ

クリック「Search」をクリックすると相互作用検索のページがでます。
「FTP/Download」
これをクリックすると、テキストデータをダウンロードするページに行けます。
ftp://ftp.binf.caからもテキストデータの入手が可能です。

検索ページです。ここでは例として、酵母で相互作用する相手が多いタンパク質として知られる「JSN1」について調べてみます。

「Text Query」のところに「JSN1」と入力し、「Submit」をクリックします。
ところで、「Text Query」には、タンパク質名以外にKey Wordを入力しても検索できます。（例：Heat Shockなど）

調べるデータの指定→相互作用、複合体、パスウェイ

BINDを使った検索②

BINDを使った検索③結果です。全部で２８８の結果が出ましたが、ここでは１つだけ示しておきます。他のデータベースへのリンクが幾つか貼られています。クリックすることで、JSN1及び、JSN1に結合するタンパク質、相互作用に関する詳しい情報を入手できます。
結合する相手です。

生物種実験法

JSN1の構造です。クリックすると細かい説明が見れます。

タンパク質の機能の説明です。

BINDを使った検索④

機能について細胞内局在について結合について機能、結合、局在、構造等についての説明です。リンク先に説明があります。

BINDで検索結果をネットワークに表示する①
JSN1の検索結果の画面に戻ります。
ZOOM UP!

プルダウンメニューにInteraction Network v3.0
Interaction Network v2.0の２つの項目がありますが、これらを選択することで、ネットワーク表示ができます。
Interaction Network v3.0 はオントロジー付きのネットワーク表示
Interaction Network v2.0 はオントロジー無しのネットワーク表示

BINDで検索結果をネットワークに表示する②
まずは、 Interaction Network v2.0について見てみます。

JSN1

CYP2：JSN1の結合する相手ネットワーク表示されます。
Viewerの起動にはJavaが必要です！

BINDで検索結果をネットワークに表示する③
JSN1に結合する相手CYP2をダブルクリックします。すると、CYP2に結合する相手もネットワーク中に表示されます。

CYP２と結合するタンパク質です。この手順を繰り返すことでJSN1に直接結合する物だけでなく、近傍にあるタンパク質との関係も拾うことが出来ます。

BINDで検索結果をネットワークに表示する④
ネットワーク中のタンパク質について調べたい時には、そのタンパク質の上にポインタを持っていき右クリックすると結果が出ます。
すると、このような画面がでますので、調べたい項目をクリックします。

タンパク質間相互作用の結果複合体に関する結果

BINDで検索結果をネットワークに表示する④
次に、 Interaction Network v3.0について見てみます。

JSN1

CYP2

オントロジー付きのネットワークが表示されます。右側にはオントロジーの一覧が表示されています。

BINDで検索結果をネットワークに表示する⑤
ネットワーク中の調べたいタンパク質をクリックすると、右側のオントロジーの一覧の色が変わる部分がある。色が変わった部分が、そのタンパク質の持つ結合、機能局在に対応する。

BINDで検索結果をネットワークに表示する⑥
Interaction Network v2.0と同様にJSN1に結合する相手CYP2をダブルクリックします。すると、CYP2に結合する相手もネットワーク中に表示されます。

CYP２と結合するタンパク質です。 Interaction Network v2.0と同様にこの手順を繰り返すことでJSN1に直接結合する物だけでなく、近傍にあるタンパク質との関係も拾うことが出来ます。

• １．Introduction• ２．PPI関連のデータベースについて• ３．ブラウザーの使い方（データベース検索）• ４．PPIデータの入手とグラフ表示ソフト• ５．PPIデータベースの応用（解析事例）

ここでは、MIPS、DIPについて説明致します。
また、グラフ表示用ソフトとして、Graphvizを取り上げます。

DIP ①・データの入手にはRegistrationが必要です。
商用目的では無くて学術目的の場合にはフリーです。
・相互作用をブラウザで調べることも出来ます。

DIP ②酵母だけでなく多様な生物種のPPIデータがあります。
ヒト、ネズミ、ショウジョウバエ、線虫、ピロリ菌、大腸菌
ただし、データセットとして十分な大きさのものは、酵母、線虫、ショウジョウバエです。

MIPS①

信頼性が高い・Y2Hだけでなく様々な方法でInteractionの測定が行なわれている。
・タンパク質についてブラウザで調べることも出来ます。
・複合体のデータが存在
・生物種は多種あるが、酵母がメイン

fｔｐをクリック

PPIフォルダ中にデータ最新のファイルは、PPI_270404.tabで、2004年4月4日の物です。

MIPS②

Gene nameです。gene1とgene2が相互作用します。
これを取り出して解析に使います。

相互作用を確認するのに使った実験方法です。

一つの行が一つの相互作用に対応しています。

グラフ表示ソフトウェアについて
GraphvizGraphvizについて• 作成した機関
AT＆T Labs-Research
http://www.research.att.com/• ダウンロードサイト
http://www.research.att.com/sw/tools/graphviz/download.html＊フリーです。

使用できるプラットフォーム• Windows版• Apple版• Linux版• Unix版• etcGraphvizでネットワークを表示するには、相互作用データをGraphviz用のスクリプトに直さなくてはいけない。

相互作用データGraphviz用スクリプト

自分でプログラムを組んでアプリ―ケーションを作る必要あり。

Perl
Java
C C++
etc・・・

縦に配置

Example：大腸菌PPI

円状に配置

縦に配置

ノードとリンクに色をつけることができます

Example：Yeast（MIPS）のPPI
円状に配置

Example：Yeast（MIPSの一部）のPPIのクラスター分け

ネットワークを幾つかのクラスターに分けて表示できます！

• １．Introduction• ２．PPI関連のデータベースについて• ３．ブラウザーの使い方（データベース検索）• ４．PPIデータの入手とグラフ表示ソフト• ５．PPIデータベースの応用（解析事例）

PPI研究MAP
PPI Networkの構造解析
Jeong et al Nature 411 2001
Maslov et al Science 296 2002
Barabasi et al Nature 406 2000

PPI Networkの進化

A.Wagner Molecular Biology and Evolution (2001) 18 1283J. Berg, M. Lassig, and A. Wagner cond-mat/0207711 v2 (2003)
Hong Qin PNAS 2003 Oct28 V.100(22) 12820-

基礎的研究
PPI Networkの信頼性
Saito, R. Nucleic Acid Res. 2002

応用的研究
PPI Network構造からのタンパク質の機能予測
Vazquez et al Nature-biotech 21 (2003)

進化的の保存されているNetwork構造とその機能
S. Wuchty Nature genetics 2003 35(2) 176-

・PPI Networkとドメイン構造
・PPIネットワークと複合体
Future・・・・

創薬、細胞システムのシミュレーション進化的に保存されているNetwork構造とその機能
S.Wuchty NatureGenetics
2003 35(2) 176-進化的に保存されやすいNetwork構造
酵母、シロイヌナズナ
線虫、マウス、ネズミ、人を通して進化的に保存され易い
局所的Network構造

下に行けば行くほど、右に行けば行くほど進化的に保存されやすい。

進化的に保存されやすいNetwork構造と機能の関係について
例：
Transport facilitation
Subcellular localization
Transcription
Regulation
Protein fateProtein dynthesis

Subcellular localization
Protein fate
Cell Cycle
Transcription

Subcellular localization
Protein fateTranscription

etc･･･PPI Network構造からの機能未知タン
パク質に対する機能予測
Alexei Vazquez
Nature Biotechnology 21(6) 697
2003

機能未知タンパク質の機能推測法①ABXCED
機能未知タンパク質Xの機能を決める際には、Xの周りのタンパク質ABCDEの機能を参考にして決定する。

機能未知タンパク質の機能推測法②
例：機能未知タンパク質（赤）の機能推定
2

YKR055W

YAL016W

12459

YMR052W

3 4 10YPR110C

6 7 12YNL127W

YDR200C

YLR238W

8 11 12 YBL093C

タンパク質の横に書いてある数字がそのタンパク質の持つ機能。
1=cell growth: 2=budding,cell polarity and filament formation: 3=pheromone response,mating-type determination
4=cell cycle check point protein: 5=cytokinesis: 6=rRNA synthesis: 7=tRNA synthesis
8=transcriptional control: 9=other transcriptional activities: 10=other pheromone response activiries
11=stress response: 12=nuclear organization

機能未知タンパク質の機能推測法②2YAL016W

YKR055W

YNL127W

YDR200C

12459←（２） （１，２，４，５，９）→２
YMR052W

3 4 10YPR110C

6 7 12

YLR238W

8 11 12 YBL093C

周りのタンパク質が持つ機能の内で最も多く現れている機能を取ってきて、機能未知タンパク質の機能として推定します。

イメージとしては最大公約数を取ることに近い！！

機能未知タンパク質の機能推測法③2

YKR055W

2YNL127W

3 4 10YDR200C

12YLR238W

8 11 12 YBL093C

YAL016W

12459

YMR052W

3 4 10YPR110C

6 7 12

この様に決定されますが・・・

機能未知タンパク質の機能推測法④2

YKR055W

2YNL127W

3 4 10YDR200C

128 11 12

YBL093C

YAL016W

12459

YMR052W

3 4 10ここに注目します！

YLR238W

YPR110C

6 7 12

このNetworkでは機能未知タンパク質の周りに他の機能未知タンパク質が含まれているので、この影響を考える必要有り！

機能未知タンパク質の機能推測法⑤2

YKR055W

YAL016W

12459

YMR052W

3 4 10YNL127W

3 4 10YDR200CYNL127Wの機能を推定する為に、まず機能未知のYDR200Cの機能を推定！

機能未知タンパク質の機能推測法⑤2

YAL016W

YKR055W

24

YNL127W

3 4 10YDR200C

12459

次にYNL127W周りの全てのProteinを見てYNL１２７Wの機能を決定する。

以上で終わりです。
長時間ありがとうございました。