トーゴーの日シンポジウム
2013年10月4日 時事通信ホール

PDBj と wwPDB における蛋白質構造データ統合化
代表研究者：中村 春木
分担研究者：藤原 敏道（大阪大学蛋白質研究所・教授）

http://pdbj.org/

http://wwpdb.org/

Institute for Protein Research
大阪大学蛋白質研究所©2013 中村 春木 (大阪大学蛋白質研究所) licensed under CC表示2.1日本

蛋白質の形と働き蛋白質の特異的な分子の認識
鍵と鍵穴モデル（Key and Lockmodel）
トリプシン（緑）と、 その阻害蛋
白質（オレンジ）との複合体構造(PDB-ID: 2ptc)

蛋白質の形から創薬へ
蛋白質の形に基づく創薬(SBDD: Structure Based Druｇ Design
SGDD: Structure Guided Drug Development)

Viracept: アグロン社，Agenerase: Vertex社 & USA-Kissei
AIDS
標的分子：HIV-1 プロテアーゼ

ﾀﾐﾌﾙ/ﾉｲﾗﾐﾆﾀﾞｰｾﾞ(2qwk)

Gleevec：ノバルティス ファーマ社
慢性骨髄性白血病
標的分子：BCA-Aｂl、Tyrキナーゼ

Iressa：アストラゼネカ社
肺がん
標的分子：EGFR、Tyrキナーゼ

Tamiflu：スイスF.Hoffmann-La Roche社、米国Gilead Sciences社
インフルエンザ
標的分子：糖分解酵素

2012年ノーベル化学賞
GPCR: G蛋白質共役型受容体の構造と機能

ブライアン・コビルカ

ロバート・レフコビッツ

Nature, August 2011

PDBID
3sn6

蛋白質の形のデータバンク：PDB• 生体高分子の構造（形）に関する全ての情報を集めた
国際的データベース:データバンク方式• 情報は、研究者・教育者・学生・企業を問わず無償で利用される• 運営は各国（米国、欧州、日本）の研究費用でまかなわれている

登録者

利用者
(2012年には3億8千万件のダウンロード)

蛋白質の形のデータバンク：PDB• X線結晶回折実験

結晶作成 → X線回折像 → 電子密度ﾏｯﾌﾟ → 原子モデル作成• 核磁気共鳴（NMR）法

SPring-8
放射光施設

15N (ppm)

超高磁場NMR装置

1HN (ppm)• 超低温電子顕微鏡

蛋白質の形のデータバンク：PDB
PDBの歴史
1960年代：蛋白質結晶学が始まる
ミオグロビン、ヘモグロビン、リゾチームなど

マックス ペルーツ &ジョン ケンドリュー（1962年ノーベル化学賞）

1970年代：PDB 開始 7件（1971年10月）
米国ブルックヘブン国立研究所
大阪大学蛋白質研究所においてもシトクロムCの構造を決定→登録磁気テープを配布

蛋白質の形のデータバンク：PDB
1980年代：データ登録の急増（国際結晶学会:データ登録が論文投稿の必須条件）
1990年代：RCSB-PDB（米国）が運営を開始
2000年代：wwPDBが設立され国際化
構造ゲノム科学による構造急増
X線・NMR実験情報(BMRB)の登録が必須に
2010年代：新規の手法が開発、EM-DBとの連携
94,000件ほどのデータ公開
ビッグ・データの時代へ蛋白質の形のデータバンク：PDB

Kleywegt, G

Markley, JL

Berman, HM

NMR実験情報DB

Nakamura, H

PDBj @ 大阪大学蛋白質研究所
Protein Data BankJapan

2001年度から、（独）科学技術振興機構（JST-NBDC：ﾊﾞｲｵ日本蛋白質構造データバンク ｻｲｴﾝｽﾃﾞｰﾀﾍﾞｰｽｾﾝﾀｰ）の支援を受けて活動中

http://pdbj.org/

PDBj トップページ（日英中韓）

PDBj スタッフ(2013年4月)

PDBjの活動

１）“Data-in” の活動：wwPDBの一員として・品質管理がなされた登録作業の実施
・新たな統一的登録システムの開発
・新たな共通フォーマットの開発(XML, RDF)

２）“Data-out” の活動：共通データの・ダウンロードサイト（毎週アプデート）の運営
・種々のサービスや二次データベースの提供
・データベース統合化環境の開発・提供
・上記環境での配列→構造→機能の同定・推定

PDBjのData-inの活動
10000090000

PDBj で処理された件数(21,532, 2013年9月18日)
PDB の総データ数 (93,970, 2013年9月18日)

PDB登録データ件数

80000
80000

70000
60000
60000

50000
40000
40000

30000
20000
20000
10000
00
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013

年
世界中で決定された構造の約１／４の登録処理をPDBjで実施

新しいデータ処理システムの開発
データ増大・高品質化に対処

Global PDB
systemfor multiple
experimental
methods••••

Enables workload balancing and increased productivity
Better quality assurance of ligand chemistry and polymer sequences
PDBx/mmCIF is the master file format
Validation suites based on recommendations from expert task
forces; X-ray validation pipeline is available as a stand-alone server• System will support all accepted experimental methods

PDBj-BMRBのData-inの活動
BMRB（化学シフト）, wwPDB（原子座標）の登録総数の年次推移
12000

wwPDBにおけるNMR構造登録件数
10000
8000
6000
4000
2000
01320122011201020092008
20072006
20052004
2003
2002
2001
2000
20

NMRデータ管理配布システムの高度化
STAR形式として表現

NMR研究が持つ複雑なデータ構造

解析用GUIの自動構築#_cyana_input.id 201110101_cyana_input.user 'Naohiro Kobayashi'_cyana_input.mag ?
#loop__hierachy_cyana_input.tag_hierachy_cyana_input.item_hierachy_cyana_input.type_hierachy_cyana_input.item_up
cyana_input_gui_mother_top item
top nonecyana_input_gui_mother_top widget norm item
cyana_input_gui_mother_top geom
end widget
cyana_input_gui_mother_top color end widget
cyana_input_gui_mother_frame item
top nonecyana_input_gui_mother_frame widget norm item
cyana_input_gui_mother_frame row
end widget
cyana_input_gui_mother_frame colend widget
cyana_input_gui_mother_frame anchor end widget
cyana_input_gui_mother_frame parent end widget#

実験データとの整合性評価ツール

RDB,
XML,
RDF化

一般登録データの品質

NMRデータの解析と登録準備の支援
支援システムによる登録データの品質

複雑なNMRデータ構造をオントロジーにより記述し、解析と登録作業を統合した支援システムを開発、配布することで高品質なデータベースを実現PDBj，PDBj-BMRBのData-out活動
http://pdbj.org/
PDBj-BMRBNBDC北海道
データセンター
大阪大学
蛋白質研究所

ポータルを二重化

PDBjへのアクセス
http://pdbj.org/

Amino acid sequence (FASTA)

Data viewer at PDBj
Molecular surface DB: eF-site
http://ef-site.hgc.jp/eF-site/
Graphic viewer: jV
http://pdbj.org/jV/
Kinjo et al. NAR 40, D453 (2012)

PDBjのサービス・ツール

EM Navi: 電子顕微鏡画像EMDB

ProMode:基準振動解析

Yorodumi: PDBとEMDBの統合化 GIRAF:類似リガンド結合部位

eF-site：分子表面DB

eF-seek：類似分子表面検索

PDBの新たなフォーマット: PDBx/mmCIF• 問題点: PDBフォーマットは 40 年前に開発されたものであり、現代科学の要求には適合できなくなっている• 記述における現実的な限界– 最大 62 の高分子鎖– 最大 99,999 の原子数
– 低分子リガンドにおける結合次数や光学活性を特定できない– NMR, EM（電子顕微鏡）, それらの融合法の記載が困難– メタデータの記載が厄介で柔軟性がない• backward compatibility をできるだけ保持• これまでの PDB フォーマット dataを作れるWeb site
• 2013年中にスタートの予定

ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM

12345678N
CAC
O
CB
NCAC

GLN A
GLN A
GLN A
GLN A
GLN A
VAL A
VAL A
VAL A

393939393940404024.690 -27.754
23.581 -26.768
23.990 -25.379
25.070 -25.209
23.136 -26.685
23.115 -24.395
23.342 -23.010
24.000 -22.152

24.27524.41623.90523.33025.87824.12223.69024.7781.00 60.76
1.00 60.98
1.00 59.98
1.00 60.25
1.00 60.69
1.00 59.58
1.00 57.26
1.00 56.00

NC
COC
N
CC

PDB
loop__atom_site.group_PDB_atom_site.id_atom_site.auth_atom_id_atom_site.type_symbol_atom_site.auth_comp_id_atom_site.auth_asym_id_atom_site.auth_seq_id_atom_site.Cartn_x_atom_site.Cartn_y_atom_site.Cartn_z_atom_site.pdbx_PDB_model_num_atom_site.occupancy_atom_site.pdbx_auth_alt_id_atom_site.B_iso_or_equiv
ATOM
1 N
N GLN AATOM
2 CA
C GLN AATOM
3 C
C GLN AATOM
4 O
O GLN AATOM
5 CB
C GLN AATOM
6 N
N VAL AATOM
7 CA
C VAL AATOM
8 C
C VAL APDBx/mmCIF

3939
39
39
39
40
40
40

24.69023.58123.99025.07023.13623.11523.34224.000-27.754-26.768-25.379-25.209-26.685-24.395-23.010-22.152

24.27524.41623.90523.33025.87824.12223.69024.7781111111
1

1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00

.
.
.
.
.
.
.
.

60.76
60.98
59.98
60.25
60.69
59.58
57.26
56.00

機能情報と構造情報との統合化システムの開発 (1)SFAS: Sequence to Function Annotation Service
http://sysimm.ifrec.osaka-u.ac.jp/sfas2/
Intrinsic Disorder (DISOPRED, IUPred)
Secondary Structure (PSIPred)
Domain boundaries (based on above)

Composition-based Function prediction:IDD Navigator (Teraguchi et al. 2010;
Patil et al. 2011)

Threading (HHPred, FFAS, Forte,
PSI-BLAST, BLAST)
3D Modeling: Spanner (Lis et al. 2011)
Structure-based function prediction:SeSAW (Standley et al. 2010)

SFAS Example: N4Bp1 Input

2D View
Intrinsic Disorder

Predicted Secondary Structure

Close-up view of selected region
Global view of selected region
Threading Methods

2D Alignment View
Select an alignment
to view or build

3D Alignment View
Build the model with Spanner

Query residues mapped on Template

3D Model View

Spanner model withelectrostatic potential
mapped on molecularsurface

Submit to SeSAWSeSaw Results機能情報と構造情報との統合化システムの開発 (2)蛋白質相互作用部位データベースの改良とPDBデータとの統合化：原子レベルでの蛋白質相互作用を記述するオントロジーを定義し、相互作用部位をRDFで記述する。
これにより、原子レベル→残基レベル→分子レベル→分子複合体レベルへつなげて、高次生命機能情報へ、原子レベルの情報を統合化できる環境を整える。

PLosONE (2012) 7 (2), e31437

Elementarymotifs

Subunits

Compositemotifs

Atom レベルでのstructural motifとして、低分子リガンド結合モチーフ（Ligand binding）と蛋白質間相互作用モチーフ(PPI)があり、それら複数のモチーフ(elementary motifs)の固有の組み合わせ(composite motif)によって、蛋白質の固有の高次生命機能が、より明確に整理される。

Compotif
http://ipproo.protein.osaka-u.ac.jp/compotif/

Compotif
http://ipproo.protein.osaka-u.ac.jp/compotif/ビッグデータ：データ主導の科学
・“セマンティック ウェブ” （マシンが自動的に読んで解釈できるウェブの仕組み）の技術を活用
・ウェブ上の情報間の関係性（オンントロジー）が記載
Linked Data: ネット中に分散しているデー
タを自動的に統合
http://linkeddata.org

PDBデータベースの統合化
PDB/RDF format for Semantic Web (wwPDBの標準仕様に採用）
Service from wwPDB by Akira R. Kinjo (PDBj) & Tom Oldfield (PDBe)

http://rdf.wwpdb.org/

In UniProt RDF:

Kinjo et al. (2012) Nucl. Acids Res. 40, D453-D460.

PDB/RDF example
By accessing http://rdf.wwpdb.org/pdb/1GOF, a list of category
holders for the PDB entry 1GOF canbe retrieved in the RDF/XML format.
Then, a list of category elements
can be retrieved (again in theRDF/XML format).
Finally, a particular category
element, the list of properties ofthat element is retrieved.

The network of RDF
resources for the PDB
entry 1GOF.
Kinjo et al. (2012) Nucl. Acids Res. 40, D453-D460.

BMRB: NMR-STARフォーマットからのXML化とRDF化

BMRBxTool

BMRBoToolRDF化されたPDBおよびBMRBエントリーとさまざまな外部データベースとのリンクリンク数の統計
BMRB/RDF

PDB/RDF
Database

Link Counts

Database
PDB/RDF

Link Counts
146668PDB/RDF341,737

BMRB/RDF

29650

chem_comp

2,040,958

GenBank28969

PDBML (all)93,970NCBI RefSeq

22052

PDBML (noatom)

93,970

DDBJ

13614

PDBML (extatom)

93,970

UniProt

12943

UniProt

120,634

EMBL

12401

PubMed83,469NCBI Taxonomy

11457

GenBank

2,710

BMRB/XML (sources)

10532

Enzyme50,156

PubMed7349

DOI

86,186

Chem_comp

4546

Taxonomy

207,433

PRF

2652

PIR

458

Enzyme

322

DOI

69

Total

303,682

Total

3,215,193

BMRB/RDFからPDB/RDFへのリンク例

アミノ酸配列から構造を通した機能推定
Input: Amino acid Sequence of Protein
UniProt/RDF:
No Structure
SFAS pipeline:
Build 3D structure(by Spanner)
Annotate Family(by SeSaw 2.0)
Function of Family

PDBID or
Homolog PDBID
with function

PDBID
without function
PDB/RDF
3D Structure

GIRAFeF-seek

Compotif:

eF-patch:

Similar Ligand
Binding Site

Similar MolecularSurface of LBS

Output: Function of Protein with Structurehttp://ef-patch.hgc.jp

低分子結合部の表面データベース•eF-site で利用可能な蛋白質表面から低分子結合分子表面 (パッチ) の抽出• パッチの類似性に基づくクラスタリング• PDB/RDF，UniProt, CATH，SCOP等の外部データベースへのリンク• eF-seek からのリンク
Patch ID による検索

PDB ID による検索
類似するパッチ

PDB/RDFSCOP
CATH

UniProt
Keywords
eF-siteSemantic Webによる機能推定
eF-patch
SeSaw 2.0 COMPOTIF

PDBj
CATH

PDB/RDFSCOP
UniProt / Keywords

eF-sitePDBjの社会的活動

アウトリーチ活動（2012年10月13日大阪梅田）

wwPDBAC meeting（2012年10月12日阪大蛋白研で開催）

wwPDB and wwPDBAC members
at IPR, Osaka U, on Oct. 12 201241

http://pdbj.org/eprots/index_ja.cgi

PDBjの社会的活動
eProtS: 日本語と英語による蛋白質構造の解説

http://pdbj.org/eprots/index_ja.cgi

PDBjの社会的活動
MoM (Molecule of the Month): 今月の分子
RCSB-PDBの記事を日本語で同時配信

PDBjの体制
NBDC
wwPDB
代表研究者
中村春木
（阪大蛋白研）

阪大蛋白研 共同利用共同研究委員会・蛋白質立体構造データベース専門部会（国内諮問委員会）
阪大蛋白研より３名（中村, 藤原, 栗栖）
X線結晶学の専門家（井上豪）
NMR構造解析学の専門家（白川昌宏）
構造ﾊﾞｲｵｲﾝﾌｫﾏﾃｨｸｽの専門家（由良敬）シンクロトロンの専門家（若槻壮市）
SPring-8の専門家（城宜嗣）

研究チーム事務員

PDBj DB登録・管理・運営・開発・統合化（*は重複）

PDBj-ＢＭＲＢDB登録・管理・運営・開発・統合化

統括：中村春木 （阪大蛋白研）

代表：藤原敏道（阪大蛋白研）

X線結晶構造DB登録・管理：中川敦史（教授)
アノテータ（4名）、プログラマ（1名）、研究者（1名）
電子顕微鏡DB登録・管理・開発：岩崎憲治（准教授）
研究者（1名）統合化に向けたDB高度化：金城玲（准教授）
プログラマ（3名）、研究者（1名）
機能情報と構造情報との統合化ｼｽﾃﾑの開発：金城玲（准教授）
プログラマ（2名*）
配列からの機能推定ﾊﾟｲﾌﾟﾗｲﾝの開発：Standley, DM(iFREC准教授）
プログラマ（2名）
人材養成：中村春木（教授）中川敦史、岩崎憲治、金城玲、研究者（3名）BMRB と外部DBとの統合化：藤原敏道（教授)児嶋長次郎（准教授）、アノテータ（1名）、プログラマ（1名）、研究者（2名）
BMRB DB登録・管理・開発：藤原敏道（教授)児嶋長次郎（准教授）、アノテータ（1名*）、プログラマ（1名*）、研究者（2名*）
生体系NMRの国際的な高度化：藤原敏道（教授)児嶋長次郎（准教授）、アノテータ（1名*）、プログラマ（1名*）、研究者（2名*）（*は重複）

結語
ビッグデータを活用した生命科学研究
・さまざまなデータ（さまざまな階層, 実験手段,生物種）を統合した研究→新たな知識発見へ
・品質管理されたデータの提供（専門家による国際的Annotation組織）
・安心して使えるデータベースの運営（Science Societyによる支援）