独立行政法人理化学研究所 HPCI計算生命科学推進プログラム

SiGN-BN 実習テキスト
土井 淳
atsushi_doi@cell-innovator.com
株式会社セルイノベーター
研究開発部
福岡市東区箱崎6-10-1
九州大学 産学連携棟I アントレプレナーシップ・センター 2階
http://www.cell-innovator.com

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1使用するプログラムの紹介 (1)• SiGN-BN:• ベイジアンネットワークを用いて、遺伝子ネットワークを推定するプログラム。(v1.4.0)• http://sign.hgc.jp/signbn/index.html＊FX10コンパイラのバグのため、 v1.3.0 をお使いのかたは、 v1.4.0 に更新を。

• CSML (Cell Systems Markup Language):• 遺伝子ネットワークやパスウェイモデルを記述する言語。XML形式。
• http://www.csml.org

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2使用するプログラムの紹介 (2)• CIO (Cell Illustrator Online):• 遺伝子ネットワークやパスウェイモデルを表示、編集、解析するためのソフトウェア。
• https://cionline.hgc.jp/cionlineserver/apps/usersman/main• XiP (eXtensible Integrative Pipeline):• バイオインフォマティクスの処理を自動化するプラットフ
ォーム。GUIを用いて、遺伝子ネットワークやNGSの解析を行える。
• http://nagasakilab.csml.org/ja/xip
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遺伝子ネットワークの3つの入手方法
A. すでに推定済みの遺伝子ネットワークを閲覧する。

• Gene Network Database (GNDB); http://gndb.cell-innovator.com より、CSMLファイルを取得。無料。

• 公開データ＋公開された遺伝子リスト。
B. GEOから公開データを取得して、独自の遺伝子リストで推定。

• ローコスト。
• 公開データ＋独自の遺伝子リスト。
C. 独自のマイクロアレイデータ、独自の遺伝子リストで推定。

• ハイコスト。
• 独自データ＋独自の遺伝子リスト。
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遺伝子ネットワーク解析の流れ#Namesample1

sample2...

sampleN

geneA

1.

1. 入力データの準備。

geneB
...

2. SiGN-BN のブートストラップを実行。

geneX

テキストデータ

2.

SiGN-BN (bootstrap)
テキストデータ

3.

SiGN-BN (proc)
CSMLファイル

4.

XiP
CIO

ネットワークのファイルを生成。
4. XiP による遺伝子ネットワークのレイアウト。
5. CIO Player による遺伝子ネットワークの表示。

CSMLファイル

5.

3. SiGN-BN の proc コマンドにより遺伝子2., 3. の処理は、リモート（SCLS）での作業。
4., 5. の処理は、ローカル（お手持ちのPC）での作業。

cell innovator51.1 入力データの準備（ファイルの整形）
数十から数百サンプル

数百から1000遺伝子

sample1

sample2...

sampleN$version

1

geneA

100

200

...

400

geneB

300300...

1000...

...

...

...

...

geneX

1000

5000...

20000• マイクロアレイデータを Expression Data Format (EDF) の形式で準備。（エクセルなどを利用）http://sign.hgc.jp/formats.html• 1行目に $version を記入。ここでは、「1」。
• サンプル名の行は必要ない。
• タブ区切りのテキスト形式で保存。
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1.2 入力データの Tips
• 遺伝子数が増加すると、計算時間とメモリの消費量が増大。
• さすがに全遺伝子での遺伝子ネットワーク推定は、まだ、できない。
• 遺伝子数は、1000個くらいをおすすめ。
• 遺伝子ネットワークの推定は、数十サンプルから行えるが、サンプル数が少ないと信頼性は低下する。
• 100サンプル程度は欲しい。
• 50サンプルくらいから使用した経験あり。
• 遺伝子名の重複は不可能。ProbeID を使用するか、同一遺伝子をターゲットしたプローブは、いずれか1個を選ぶ（平均値や中央値の高いものなど）。

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1.3 SiGN-BN の準備(1) 作業用ディレクトリを作成。

mkdir apoptosis(2) 作業用ディレクトリに移動。

cd apoptosis(3) 2つのファイルをコピーする。

cp /home/sign-doi/tmp/*.sh ./(4) ブートストラップ用ディレクトリを作成。 mkdir bs
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1.4 データを転送する• scp [オプション] [コピー元] [コピー先]• scp -Cp apoptosis.txt sign-doi@hpci-scls.riken.jp:~/＊実習用のデータをコピー
cp /home/sign-doi/tmp/apoptosis.txt ./cell innovator92.1 SiGN-BN (bootstrap)
cat でシェルスクリプトの中身を確認<-- node で、使用するノード数を指定。
<-- proc で、使用するプロセス数を指定。（プロセス数 -1）x スレッド数 > ブートストラップ数

スレッド数（今回は1）-N オプションでブートストラップの回数を指定。
通常は1000回以上が望ましい。
<-- 入力ファイルを指定。

• SiGN-BN のブートストラップを実行する。
• pjsub signhcbs.shcell innovator
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Tips

• 制限時間である elapase も考慮する必要がある。
• データサイズ（遺伝子数、サンプル数）が増えると、計算時間は増大する。1000遺伝子、50サンプルで、1時間程度かかる。
(elapse=60:00)• 一度に1000回行おうすれば、8スレッドで回して、126ノード必要。
• ノード数が足りないときは、繰り返し行う。
cell innovator112.2 ジョブの確認• pjstat で、ジョブの状況を確認できる。
• 終了したら、 cat bs/result.log で結果を確認。

cell innovator123.1 SiGN-BN (proc)--output type オプションで CSML 形式を指定。その他のフォーマットもあり。

• SiGN-BN の proc を実行して、ブートストラップの結果から、遺伝子ネットワークを csml の形式で出力する。
• pjsub signproc.shcell innovator13

3.2 結果のファイルを取得する• scp -Cp sign-doi@hpci-scls.riken.jp:~/apoptosis/apoptosis.csml ./＊実習用のCSMLファイルは、下記よりダウンロード可能。
https://www.dropbox.com/s/ipof4d0t5hs0iv2/apoptosis.csml

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4. XiP による遺伝子ネットワークのレイアウト• 遺伝子ネットワークは、標準状態では、円形に表示される。
• このままでは、見づらいため、グラフ理論のアルゴリズムを用いて、レイアウトを行う。
• レイアウトには、 XiP というソフトウェアを利用できる。

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4.1 XiP をダウンロード• ブラウザで http://xip.hgc.jp を開く。
• Online 版の launcher をダウンロードする。
• Oﬄine 版も利用可能。
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4.2 XiP の起動• XiP.jnlp を実行する。
• Mac の場合は、右クリックメニューから、 “Java Web Start” を選択。
cell innovator174.3 新規パイプラインの作成• アプリケーションのダウンロード後に、XiPが起動する。
• 左上のアイコンをクリックして、新規パイプラインを作成。
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4.4 input コンポーネントを配置• input と入力して、コンポーネントを検索。
• Input CSML コンポーネントを、ドラッグ＆ドロップで配置。
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194.5 display コンポーネントを配置• display と入力して、コンポーネントを検索。
• display on CSML viewer コンポーネントを、ドラッグ＆ドロップで配置。
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4.6 コンポーネントを接続• 各コンポーネントの中心から、コネクターをドラッグで引き出せる。
• input CSML コンポーネントから、コネクターを Display on CSML viewerコンポーネントに接続する。
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4.7 Input CSML コンポーネントに入力ファイル名を設定• Input CSML コンポーネントのパラメーターウィンドウの、CSML File Nameの部分に、読み込ませる CSML ファイルを設定する。
cell innovator224.8 作成したパイプラインを保存• Save as のアイコンをクリックして、ダイアログを表示する。
• ファイル名を入力して、作成したパイプラインを保存する。
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4.9 パイプラインの実行• 再生ボタンをクリックすると、パイプラインが実行される。
• ここでは、遺伝子ネットワークのCSML ファイルが読み込まれ、CSML viewer にネットワーク図が表示される。（レイアウトなしの場合、円形に表示される。）

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4.10 既存のパイプラインの読み込み• Open のアイコンをクリックして、ダイアログを表示する。
• ファイル名を選択して、既存のパイプラインを読み込む。
＊実習用のパイプラインは、下記よりダウンロード可能。
https://www.dropbox.com/s/gdqymcrbnja6d9w/layout_and_color.xml

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4.11 既存のパイプラインの実行• 必要に応じて、各コンポーネントのパラメーター（入力ファイル名など）を変更。
• 実行ボタンをクリックして、既存のパイプラインを実行。
• この例では、CCLアルゴリズムによって、ツリー上にレイアウトされた遺伝子ネットワークの CSML
ファイル (apoptosis.tree.csml) と画像ファイル (apoptosis.png) が出力される。
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4.12 ツリー状にレイアウトされた遺伝子ネットワーク• CCL アルゴリズムによりツリー状にレイアウトされた遺伝子ネットワー
クでは、子の数が多い遺伝子ほど、上部に配置される。
• また、CSML では、子の数が多い遺伝子ほど、大きいサイズのノードで表示させている。
• エッジは、推定されたスコアに応じて、 up, down, unknown の3タイプの制御関係を示す。（それぞれ、ピンク、水色、グレーで色づけ。）
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5. CIO による遺伝子ネットワークの表示と解析
ハブ？
Xを制御する遺伝子？

• 遺伝子ネットワークの表示と解析には、 Cell Illustrator Online (CIO) を利用。
• 閲覧だけであれば、無償の Cell Illustrator Player が利用できる。

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5.1 Cell Illustrator Player をダウンロード• ブラウザで https://cionline.hgc.jp/cionlineserver/apps/usersman/main を開く。
• XiP同様に launcher をダウンロードする。
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5.2 Cell Illustrator Player を起動• launchCIOPlayer.jnlp を実行する。
• Mac の場合は、右クリックメニューから、 “Java Web Start” を選択。
cell innovator305.3 CSMLファイルを読み込む• アプリケーションのダウンロードが終わると、CI Player が起動する。
• Open アイコンをクリックして、ダイアログを表示させ、レイアウト済みのCSMLファイルを選択して読み込む。
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5.4 CI Player で表示した遺伝子ネットワーク

全体図
ビュー

各種設定情報各種パラメーターのテーブル

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5.5 テーブルによるハブ遺伝子の選択（ソート）• 下部のテーブルの Entity タブのうち、 Children 列をクリックして、子の順にソートできる。クリックするたびに降順、昇順を切り替えられる。
• テーブルの遺伝子名をクリックして、直接、ノードを選択できる。
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5.5 下流の遺伝子の選択• 遺伝子を選択した状態で、メニューから、 Analyze --> Select -->DownStream をクリック。
• 下流の遺伝子が選択される。（CIO では、この部分だけの抽出が可能。）
cell innovator345.6 既存の遺伝子ネットワークの利用• GNDB (http://gndb.cellinnovator.com) などで、公開されている CSML ファイルを取得すれば、CI Playerで閲覧できる。
• ハブ遺伝子、上流、下流の遺伝子の探索などが可能。
• GNDB は、Cancer Cell Line
Encyclopedia (CCLE) で公開されたマイクロアレイデー
タを利用して推定。
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5.7 既存の遺伝子ネットワークの利用• TP53 を選択して、 Analyze--> Select --> UpStream を
TP53 regulating genes

クリック。
• TP53 の遺伝子発現に影響を与えているように見える遺伝子を選択できる。
• 左図は、CIO で、さらに、Extract Subnet を行ったもの。

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リソース
• データ
• CCLE; http://www.broadinstitute.org/ccle/home• GEO; http://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/• GNDB; http://gndb.cell-innovator.com• ソフトウェア• CIO; https://cionline.hgc.jp/cionlineserver/apps/usersman/main• SiGN; http://sign.hgc.jp/signbn/index.html• XiP; http://xip.hgc.jp

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