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メタボローム統合データベースMetaboBankの開発

トーゴーの日シンポジウム
2021〇長崎 英樹1)、〇荒 武1,2)、大澤祥子1)、福島 敦史3)、高橋 みき子3)、
小林 紀郎4)、藤澤 貴智5)、時松 敏明5)、櫻井 望5)、金谷 重彦6)、
平川 英樹1)、有田 正規3,5)
1) かずさDNA研究所ゲノム情報解析施設
2) 京都大学生存圏研究所
3) 理化学研究所環境資源科学研究センター
4) 理化学研究所情報統合本部
5) 国立遺伝学研究所生命情報・DDBJセンター
6) 奈良先端科学技術大学院大学情報科学領域
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要旨
多様な代謝物をより多く同定することを目指すメタボローム解析は実験データだけでなく、実験手法を記載したメタデータも複雑化しており、世界的にデータの標準化が遅れている。我々は、公共リポジトリ
MetaboBankにおけるメタボローム解析メタデータをResource Description Framework (RDF)というデータ形式でアーカイブ化を行っている。

現在かずさDNA研究所(KDRI)と理化学研究所(理研)にて測定された、植物の解析メタデータを対象にRDFのデータモデルを作成している。また他の生物種や実験条件にもデータモデルを拡張中である。
また、現在奈良先端大のKNApSAcKなど他のメタボローム関連データベースやKDRIのPlant GARDENなどゲノム情報関連のデータベースとのRDFを介した連携を進めているともに、KDRIと理研では生データの再解析を行っている。

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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/物質循環を考慮したメタボロミクス情報基盤
メタボローム 統合データベースMetaboBank
代謝マップ

国立遺伝学研究所 (NIG)

生物種-代謝物関係データベース(http://www.knapsackfamily.com)
KNApSAcK

標準マススペクトルデータベース
MetaboBank Wiki

解析で得られた代謝物のデータレポジトリ

メタデータ

かずさDNA研究所(KDRI)

実験生データとメタデータを提供

理科学研究所(理研)

データ連携協定によりKDRIのデータセットは理研にも提供される。
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Metabolonoteの特徴

KDRIのメタボローム解析時のサンプル情報や分析情報(メタデータ)を専門に取り扱う
データベースMetabolonoteの書式自由度が高く、データ間の紐付けが緩いリテラルのメタデータ

Wikiで作られていて作成や編集が容易
メタデータをXMLで一括出力可

http://metabolonote.kazusa.or.jp/
Ara et al. Front Bioeng Biotechnol. 2015 Apr 7;3:38.

MetaboBank は Resource Description
Framework (RDF)という形式で構築。

HidekiNAGASAKI

org:Organization

主語

述語

KDRI
目的語

MetaboBank用に、定義づけをやり直す。
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基本的にデータを手入力

Extruction
HPLC

植物等のかずさ独自

93スタディ

食品メタボローム

16スタディ

その他(東大など)

6スタディ

合計

115スタディMass

共通の項目(クラス:述語)でリンクされた50シートのRDF変換用エクセルファイル=>エクセルファイルに収めたデータをRDF化 (turtle ファイル作成)
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理研とのデータ連携協定に基づき理研のPlantMetabolomeMetaDatabase (PMM)
から植物のみで構成された88スタディが現在公開されている。

http://metabobank.riken.jp/pmm/db/plantMetabolomics
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PMM中の植物サンプルの内訳
MetaboBankにおいても同様のデータを格納中
Metabolonote (2021年8月)

RIKENの植物データ (2021年8月)
Total: 7,642

Total: 1,197

Yamazaki et al. (2013)

LC-MS中心GC-MS中心Licensed under a Creative Commons 表示4.0国際ライセンス©2021長崎英樹（かずさDNA研究所）

メタボローム データベース中の植物サンプルの内訳
MetaboLightsの植物データ (2021年7月)

PMM (2021年7月)
Total: 8,839(https://www.ebi.ac.uk/metabolights/)

Total: 49,496

Subbraj et al. (2019)

PMM(MetaboBank)は突出して多い植物種はなくバランスがよい。

今後MetaboBankは、植物以外のヒト、食品や一般ユーザーからのデータも格納する計画である。
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RDFスキーマを簡略化し、入力必須項目を削減した Ver. 2 を作成中
2021トーゴーの日にリリース予定。

MetaboLights等とほぼ同じ条件。
NMRなどKDRI、理研の実験で使用されなかった解析機器にも対応。
ユーザアカウントだけでなく、DDBJ BioProject、BioSampleデータベースと連携して、統合オミックス解析に対応。
配列データベースと共通する串刺し検索が可能。

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MetaboBankの構造

MetaboBankはKNApSAcK、MassBankといったメタボロー
ム関連のデータベースだけでな
く、KDRIのPlant GARDENなどのゲノム情報データベースとRDFによって連携している。詳細はポスター#49 平川らの発表を参照

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実験生データ再解析のためのPowerGetBatchの実行環境整備
京大・生存圏研 荒先生との共同研究
PowerGetBatch (http://www.kazusa.or.jp/komics/software/PowerGetBatch)
液体クロマトグラフィー(LC)-高分解能質量分析(MS)のデータから、ピーク抽出、アダクト判定、サンプル間のアラインメントを行い、化合物データベース検索による一次アノテーションを行う。
MetaboBankに移植するKNApSAcKなどのデータを用いて化合物の構造推定の向上が期待できる。
PowerGetBatchはβ版でパラメータ設定、マニュアルの整備や使いやすさの改善が必要。
スパコンへの実装

計算処理のワークフロー

・Linux上でqsubコマンドによる並列処理を実行した。
・テストデータとして、Jatropha crucus (Sano et al., 2012)の分析データ(http://metabolonote.kazusa.or.jp/SE15:/)を使用した。

ピーク抽出、アダクト判定
False positive/negativeに関する精査評価方法の効率化を検討中。

再解析結果（暫定版）
化合物分類情報あり

サンプル間のアラインメント
・化合物アノテーションされたピーク

組成式情報ありアノテーションなし
今回不検出
化合物分類情報候補あり
化合物DBヒット情報ありの94.3%を検出。

化合物データベース検索

・1万以上の新規ピーク候補を抽出

組成式情報候補あり

文献で報告
010000検出ピーク数・976個の新規化合物アノテーション

アノテーションなし

新規検出
20000

アノテーションとキュレーション

候補ピークを抽出。

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まとめ
メタボローム統合データベースMetaboBank Ver.2をリリースする。
現在KDRIや理研の植物由来のデータ中心だが、今後それ以外の他の生物種や実験条件にもRDFデータモデルを拡張中である。
DDBJ BioProject、BioSampleデータベースと連携して、統合オミックス解析に対応。
ユーザーの入力必須項目を削減し、広くデータ受け入れる体制を整備、公共リポジトリとして稼働を目指す(来年度)。
KNApSAcKなど他のメタボローム関連データベースやKDRIのPlant GARDENなどゲノム情報関連のデータベースとのRDFを介した連携を進めている。
現在生データ再解析を行なっておりPowerGetBatch結果とキュレーション結果とを比較し、パラメータ設定中である。これらの再解析結果もMetaboBankのプロジェクトとしてアーカイブ化の予定である。
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