H23年度 統合化推進プログラム進捗報告会
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
平成23年度 進捗報告会

ゲノム・メタゲノム情報を基盤とした微生物DBの統合
東京工業大学大学院生命理工学研究科
黒川 顕©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

研究開発の目標・ねらい
ゲノム情報を核として様々な微生物学上の知識を統合し、幅広い分野での微生物学の発展に資することのできる「微生物エンサイクロペディア」の構築を目標とする。

微生物学分野のオミックス研究の発展に寄与
データ駆動型研究による新しい仮説の提唱©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

研究開発メンバー

東京工業大学黒川 顕：微生物DBにおける研究統括
小西史一：スパコンにおける解析システムの開発および実装
森 宙史：ゲノム、メタゲノムDB、メタデータの構築
吉野弘二，竹原潤一：メタデータDBの構築
国立遺伝学研究所
中村保一：微生物アノテーションリファレンスの整備と共用化
菅原秀明：微生物ゲノム基盤情報資源の共用化
神沼英里：KazusaAnnotationの拡張
藤澤貴智：モデル微生物情報の高度化
基礎生物学研究所内山郁夫：比較ゲノム解析に立脚した微生物ゲノム情報の統合化
千葉啓和：MBGDの統合化
統合データベースセンター（技術アドバイザー）
岡本忍，片山俊明，川島秀一，川本祥子，山本泰智：技術協力©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

研究開発内容（全体概要）• 日本をはじめ世界中に散在している細菌の各種オミックス情報を広く収集• 上記データをホモロジー、オーソロジーに基づいて整理し、遺伝子、ゲノム（生物種）、環境の３つの軸に沿って整理統合• ３つの軸に関わる、遺伝子機能、分類学的情報、菌株保存情報、表現型情報などの知識を整理し、ゲノム情報を核として統合• 広く研究者コミュニティからのフィードバックを得るための仕組みを開発• 研究者が活用しやすいインターフェース等を整備©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

目標とするデータベース
まず研究基盤となる６項目のDBを整備し、個々のDBをゲノム情報を核としてセマンティック技術でシームレスに連携する

1. 分類学的情報（16S rDNAを含む）
2. 菌株保存情報（培養条件含む）
3. モデル微生物（大腸菌、枯草菌、シアノバクテリア、放線菌）における高品質データ
4. 各種オミックスデータ
5. オーソログ遺伝子情報
6. メタゲノムデータ©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

H23年度開発計画• 分類学的情報および保存菌株情報の整理• モデル微生物ゲノムアノテーションの高度化• 各種オミックスデータの整理• オーソログ遺伝子情報の統合化検討• メタゲノムデータの整理©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

Strain data are partially interlinked in many ways.
User need the navigation that MicroTOGO will provide
FEMS‐J
FEMS‐J

JSCC
JSCC Strain
Strain DB
DB
IFM
IFM
NIAS
NIAS

NIES
NIES

DIAM
DIAM

ACM
ACM

RIMD
RIMD

USFCC
USFCC
USNCC
USNCC
(draft(draftproposal)
proposal)

Referred
Referredtoto
MEDALSMEDALS

database
database

StrainInfo
StrainInfo

ABRCN
ABRCN
NITE
NITE BRCBRC

NBRP
NBRP (SHIGEN)(SHIGEN)
協力スタートMycoBank
MycoBank

Refer
Refer toto

NEKKENNEKKEN
JCM
JCM

ECCO
ECCO

WDCM
WDCM
TogoDB
TogoDB

JSCC
JSCC

凡例

WFCC
WFCC

MSJ
MSJ

organization
organization

INSD
INSD
organization
organization
database
database

連携あり

GBIF
GBIF

NBRP: National BioResource Project
ABRCN: http://www.abrcn.net/
ACM: Asian Consortium for the Conservation and Sustainable
NEKKEN:長崎大学熱帯医学研究所
Use of Microbial Resources
NIAS: （独）農業生物資源研究所ジーンバンク微生物遺伝資源部門
DIAM: DataBiosafety for the Industrrial Applciation ofNIES: （独）国立環境研究所微生物系統保存施設
Microbes
ECCO: European Culture Collection Organization
NITE BRC: NITE Biological Resource Center
FEMS‐J: Federation of Microbiological Society of Japan
RIMD:阪大微研感染症国際研究センター病原微生物資源室
GBIF: Global Biodiversity Information Facility
StrainInfo: http://www.straininfo.net/
IFM: 千葉大学真菌医学研究センター
USCCN: US Culture Collection Network
INSD: DDBJ/EMBL/GenBank
USFCC: US Federation for Culture Collections
JCM: Japan Collection of Microorganisms
JSCC: Japan Society for Culture Collections
WDCM: WFCC‐MIRCEN World Data Center for Micoorganisms
MSJ: The Mycological Society for Japan
WFCC: World Federation for Culture Collections
MycoBank: http://www.mycobank.org/
菅原＠遺伝研©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

株数：約16,000株
単離元：1,627
培地情報：432種類

ゲノムデータおよびメタゲノムデータ等と統合を目標にRDF化
24年度はJCMも対象とする（約14,000株）©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

菅原＠遺伝研，市原＠NBRC

H23年度開発計画• 分類学的情報および保存菌株情報の整理• モデル微生物ゲノムアノテーションの高度化• 各種オミックスデータの整理• オーソログ遺伝子情報の統合化検討• メタゲノムデータの整理©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

文献情報に基づくモデル微生物
ゲノムデータベースの現状
モデル微生物
大腸菌リファレンス株

リファレンス株遺伝子の関連文献が参照可能なデータベース
EcoCycEcoliWikiE. coli MG1655
E. coli W3110
PortEco(EcoliHub)
SubtiPathways

枯草菌

放線菌

PEC
SubtiWiki

BsubCyc

B. subtilis 168

SubtiList

ラン藻

国内でゲノム解析された
病原性／産業有用株

BSORF

Synechocystis sp. PCC
6803

Arthrospira platensis
NIESNIES-39
CyanoBaseCYORFStreptomyces griseus IFO
13350

Streptomyces coelicolor
A3(2)StrepDB©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

藤澤&神沼&中村＠遺伝研

高度アノテーション情報集積データベース
Kazusa Annotation Suite
KazusaNavigation
KazusaNavigation
SNSeLGG

KazusaAnnotation
KazusaAnnotation

シングルログイン
シングルログイン
グループ形成グループ形成

SBM

Bookmarklet
Bookmarklet

Ro
R

KazusaWiki
KazusaWiki
Wiki

SBMアノテーション
SBMアノテーション

User

ブックマーク／ブックマーク／
URL発行
URL発行

MicrobeBase
MicrobeBase

InterPro
Ro

Ro
R

referenceの提referenceの提供
供Mediawiki
OpenID
対応サーバ

MicrobeBas
MicrobeBasee

ブックマーク／URL発行
ブックマーク／URL発行

SBMアノテーション
SBMアノテーション
業務
業務

CuratorR

DAS
GBrowse定期リリース・定期リリース・
公式アノテーション
公式アノテーション

Blast

RoR

Mart
BioMartKazusaMart
KazusaMart

コミュニティー
コミュニティー
ゲノムアノテーション
ゲノムアノテーション

Community

ソーシャルブックマークシステムを利用した KazusaAnnotation (http://a.kazusa.or.jp) をはじめとする情報集積データベースを運用し、キュレーターによるゲノムデータベース上への遺伝子に言及した論文情報の蓄積を継続している。また、微生物ゲノムプロジェクトにおいて本システムを利用したコミュニティゲノムアノテーションへの応用も実証した。
©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

「Kazusa Annotation Suite」系を拡張し微生物ゲノム基盤情報を拡充する

1. リファレンスとして重要な菌株あるいは現象について、信頼性の高いマニュアルキュレーションに基づいた既存の情報の高度化。放線菌のアノテーション・キュレーションを開始
2. 本システムで蓄積した信頼性の高い情報を元に、遺伝子の機能の記述などの固有表現を抽出するプログラムを開発、運用
3. コストと時間のかかる手動アノテーションの自動化を支援する系を開発、提供
4. 研究コミュニティに対しゲノムアノテーション支援を実施

来年度は、引続き放線菌ゲノムアノテーションの高度化を図る
とともに、大腸菌、枯草菌、シアノバクテリアにも着手する©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

藤澤&神沼&中村＠遺伝研

TogoAnnotationへの放線菌データの集積状況
AnnotationEntityProject

Database GenomeGeneAttribute(GA)gene

nih

Streptomyces griseus IFO
13350

22912166

gene cluster

nih

Streptomyces griseus IFO
13350

8165

Geneoperon
Group (GG)nihStreptomyces griseus IFO
13350

3114regulon

nihStreptomyces griseus IFO
13350

51

21

nih

Streptomyces griseus IFO
13350

14332

StrainInformation strain(SI)

Num ofNum ofNum of URLs
PubmedIDs
Bookmarks

2012年02月21日現在©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

藤澤&神沼&中村＠遺伝研

アノテーション・キュレーション実施体制
中村保一 (遺伝研)岡本忍 (DBCLS) -CyanoBase/RhizoBase
遠隔雇用キュレータ（青字は男性）
博士: 吉村（東京）山本（京都）矢野（川崎）
鐘ヶ江（東京）修士: 谷中（つくば） 笠井（つくば）藤沢貴智 (遺伝研) - 統合DB微生物、システム運用
遠隔雇用キュレータ
博士: 照井（銚子）桧原（東京）
修士: 加藤（名古屋）石井（奈良）©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

H23年度開発計画• 分類学的情報および保存菌株情報の整理• モデル微生物ゲノムアノテーションの高度化• 各種オミックスデータの整理• オーソログ遺伝子情報の統合化検討• メタゲノムデータの整理©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

GTPS概要と2011年度の統計
 GTPS概要
DDBJ / INSD の細菌・古細菌ゲノム配列を再アノテーションしたデータベース
 再アノテーション方法
Glimmer, BLAST, InterProScan など
 対象件数：

菌株数： 1,743、 DDBJエントリ数： 3,265

 ＯＲＦ数（総数） 約780万ORF©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

GTPSのRDF化による統合イメージ
細菌／古細菌の完全長ゲノム

～5M

1

1360K

1370K

Gene A

1380K

Gene B

organism

GTPSによる
アノテーション
Gene C

repeatTaxon:51145
統合

Genomehas_feature

start

Gene A
has_feature

repeatend

Gene B©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

1390K

1360K
1363K

分類情報のLinkedData

RDF

統合
メタ情報のLinkedData
菅原＠遺伝研GTPSのRDF（トリプル）例
 フィーチャにURI設定、シーケンスオントロジー付与
GenomeSO_000316

has_feature

Gene B

Gene A

type

フィーチャの外部参照が容易に

Sequence Ontology
000316 Coding sequence

http://gtps.ddbj.nig.ac.jp/feature/Ecol_K12_MG1655:ST1528

http://gtps.ddbj.nig.ac.jp/feature/Ecol_K12_MG1655:ST2749

 各フィーチャのゲノム位置（開始、終了）をトリプルに
start

Gene Aend

1360K

位置情報での統合が容易に

1363K

GTPSのRDF化により他のオミックス情報との統合が可能
来年度はメタゲノム情報との統合を開始する©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

菅原＠遺伝研H23年度開発計画• 分類学的情報および保存菌株情報の整理• モデル微生物ゲノムアノテーションの高度化• 各種オミックスデータの整理• オーソログ遺伝子情報の統合化検討• メタゲノムデータの整理©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

微生物比較ゲノムデータベースMBGD
微生物ゲノムＤＢ

オーソログ分類アルゴリズムDomClust

総当たり
ホモロジー
ＤＢ
オーソロググループ
オーソログテーブル©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

千葉＆内山＠基生研

対象ゲノムデータの拡大と効率的なオーソログ解析
標準オーソログテーブル

Complete genome
GTPS(RefSeq)
GenBank
データの統合標準生物種セット

手続きの精密化

その他の完全ゲノム
Optional

差分追加

Incomplete genome
wgs
metagenome

不完全ゲノム更新オーソログテーブル

ゲノムデータの充実
データ更新の迅速化
オーソログ分類の精密化©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

千葉＆内山＠基生研

GTPS/GenBank/RefSeqの対応付け• 染色体レベル、遺伝子レベルで3データベース間の対応付け手続きは作成済み。
• 実際のデータ更新については来年度の次期バージョンに合わせて行う。
• 今のところ、GTPSのGrade X以外を標準遺伝子セットとして採用し、GTPSにないゲノムについてはRefSeq, GenBankの順に取り込む方針。

©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

千葉＆内山＠基生研

オーソログ分類の精密化• DomClustによる分類結果を、マルチプルアライメントに基づく方法によって改善する• ドメイン分割の改善（今年度実施）– ドメイン境界の改善– 不必要なドメイン分割の取り消し• グルーピングの改善（来年度実施）– マルチプルアライメントに基づく系統樹を使って改善– 機能アノテーションの情報を使った改善©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

千葉＆内山＠基生研H23年度開発計画• 分類学的情報および保存菌株情報の整理• モデル微生物ゲノムアノテーションの高度化• 各種オミックスデータの整理• オーソログ遺伝子情報の統合化検討• メタゲノムデータの整理©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

メタゲノムメタデータの集計結果
サンプル数

メタデータのカテゴリー数

メタデータカテゴリーの例

ヒト共生細菌群集

69,96885

Age , Sex ,Disease stage , Country ,Body Habitat , Diet 等

環境共生細菌群集

4,054

627

pH , Temperature , Wind Speed ,Dissolved Oxygen 等（2011年7月7日時点）

Sample 1

AgeBodyHabitat

22

Feces

Body Site

Collection Date2008

Sample 2

DiseaseStageObeseJapan

Sample 3

Scalp

Sample 4

Skin

Sample 5

Country1years

GutUSA
2011/8/8

Healthy

登録されるカテゴリーや値の語彙は登録者によってバラバラ©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

東工大G

データを検索する際の問題点と解決策
ヒト腸内環境に関連した語彙•human gut (ヒト消化官)•human colon (ヒト大腸) ：gutの一部•human digestive tract (ヒト消化器官)•human stomach (ヒト胃)：gutの一部•human gastrointestinal tract (ヒト消化官)•human feces (ヒト糞便)：gutと関連•human intestine (ヒト腸)：gutの一部•human stool (ヒト糞便)：gutと関連•human intestinal lumen (ヒト腸管腔)：gutの一部
フリーワード検索の問題点•同義語や関連語が多数存在するため対象の選択的取得が不可能•文字の一致だけを調べるため不要な情報も取得してしまう

メタゲノムデータを網羅的に取得するためには単語の意味、単語間の意味的関係性、階層性を定義する必要がある＝オントロジー©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

東工大G

Metagenome/Microbes Environmental Ontology (MEO)
微生物の生息環境メタデータのオントロジー•ENVOを基礎とした構造•各種オントロジーと新規定義語を適切な部分に配置

Thing

biome
environmental feature environmental material(ENVO:00010483)(ENVO:00000428)(ENVO:00002297)
habitat(ENVO:00002036)

organism‐associated habitat(ENVO:00002032)

FMA

•oxic
•anoxic•aquaculture：NCBI Taxonomy•biochar•Flostflowers:places(MEO:#####)GAZETTEER

ENVO
ENVO以外のオントロジー
新規定義語彙

BioPortal
http://bioportal.bioontology.org/ 及びプロジェクトページ http://mdb.bio.titech.ac.jp/meo/ でMEOを公開©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

東工大&BioHackathon

Metagenome/Microbes
Environmental Ontology (MEO)
微生物の生息環境メタデータのオントロジー• MEOの統計情報– ターム数：1,318,245 ターム– 新規定義ターム数：10 ターム– Base URI: http://mdb.bio.titech.ac.jp/meo/meo.owl– ファイル形式：OWL– ファイルサイズ：1.5GB
BioPortalへ登録（2012.2.22）©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本東工大&BioHackathon

MEOをBioPortalへ登録

SRAメタゲノムデータへのマッピング済み©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

東工大&BioHackathon

実際の検索クエリと検索結果

QueryResult©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

推論によって関連する語も同時に検索される

東工大G

国際データ標準化グループとの連携
MIxS

ABCD

material
env_package

Gathering
event and sitecharacteristics

WFCC Global Catalog
Minimum Datasets

Darwin Core

Isolated from
Geographic
location

CMO

ENVO

Location
Habitat

MIxS (MIGS・MIMS・MIMARKS): GSC ゲノム・メタゲ
ノム
Darwin Core: GBIF 生物多様性標本・観測
ABCD: GBIF 生物多様性標本・観測
WFCC Global Catalog
Minimum Datasets: WFCC 微生物保存株

MEO

NCBI
GAZETTEER
Taxonomy

FMABodyParts3D©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

東工大&遺伝研http://microbedb.jp/MDB/©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

遺伝子名 or 系統名 or 環境メタデータ or 配列

例: rpoB

例: Escherichia coli

©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

例: soil©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

H24年度の計画• 保存菌株情報（NBRC，JCM）のRDF化• 培地情報オントロジーCMOの整備（w/ DBCLS）• GTPSのRDF化および各オミックスデータの統合• MBGDオーソログ情報のRDF化• 放線菌以外のモデル微生物ゲノムアノテーション高度化• メタゲノムデータのRDF化およびGTPSとの統合• 各種アプリケーション、結果表示要素「Stanza」の標準化および開発（w/ DBCLS）©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

直面している課題• 文献からの情報抽出– 細菌種名、菌株番号、遺伝子名などの文献からの自動抽出• データストアおよび検索技術（Triplestore）• URIの一元化、安定維持管理• 大規模データに耐えうるDBシステム– ヒトメタゲノムだけで現在約600億配列• 計算機資源の不足©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

現在保有しているDB• CyanoBase, RhizoBase,
KazusaAnnotation, KazusaMart• HumanMetaBodyMap• GIB‐M, GTPS
• MBGD©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

構築中または構築予定のDB• TogoAnnotation (モデル微生物群）+RDF• GTPS, Metagenome, MBGD 各RDF DB• NBRC, JCM 等の保存菌株 RDF DB• MEO, CMO 各オントロジー• 微生物統合DB：MicrobeDB©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

DB公開の状況• MicrobeDB.jpを立上げ、限定的なデータのみでMicrobeDBのプロトタイプを公開中（http://microbedb.jp/MDB/）• TogoAnnotationの公開（http://genome.microbedb.jp/）• GTPSのRDF化が完了した段階で、DBの拡充を図る©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本

H23年度 主な活動状況• 微生物統合DB全体会議（3回開催）• RDF会議（7回開催）• BioHackathon11.11 (11/21‐25@修善寺）• ゲノム微生物学会シンポジウム（8/20‐21@仙台）• 分子生物学会（12/13‐16@横浜）• 微生物生態学会・微生物多様性部会（1/24@東京）• DwC‐MIxS alignment workshop（2/27‐29@Oxford）• The 13th workshop of the GSC (3/4‐7@Shenzhen)©2012黒川 顕(東京工業大学) licensed under CC表示2.1日本