KEGG

Το KEGG Εγκυκλοπαίδεια του Κιότο για τα γονίδια και τα γονιδιώματα (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) είναι μια συλλογή βάσεων δεδομένων που πραγματεύεται τα γονιδιώματα, τις βιολογικές οδούς, τις ασθένειες, τα φάρμακα και τις χημικές ουσίες. Το KEGG χρησιμοποιείται στην έρευνα και την εκπαίδευση της βιοπληροφορικής, περιλαμβανομένης της ανάλυσης δεδομένων στη γονιδιωματική, τη μεταγονιδιωματική, τη μεταβολομική και άλλα ωμικά πεδία, καθώς και των προτύπων και των προσομοιώσεων στη βιολογία συστημάτων και στη μεταγραφική έρευνα στην ανάπτυξη φαρμάκων.

Εισαγωγή

Το έργο της βάσης δεδομένων KEGG ξεκίνησε το 1995 από τον Minoru Kanehisa, καθηγητή στο Ίδρυμα Χημικής Έρευνας, στο Πανεπιστήμιο του Κιότο, κάτω από το συνεχιζόμενο τότε ιαπωνικό έργο του ανθρώπινου γονιδιώματος. Προβλέποντας την ανάγκη μιας υπολογιστικής πηγής που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για βιολογική ερμηνεία των δεδομένων της αλληλουχίας του γονιδιώματος, ξεκίνησε την ανάπτυξη της βάσης δεδομένων KEGG PATHWAY. Είναι μια συλλογή χειροκίνητα ληφθείσες χαρτογραφήσεις οδών KEGG που αντιπροσωπεύουν την πειραματική γνώση στον μεταβολισμό και διάφορες άλλες λειτουργίες του κυττάρου και του οργανισμού. Κάθε χαρτογράφηση οδού περιέχει ένα πλέγμα μοριακών αλληλεπιδράσεων και αντιδράσεων και είναι σχεδιασμένη να συνδέσει τα γονίδια του γονιδιώματος με γονιδιακά προϊόντα (κυρίως πρωτεΐνες) της οδού. Αυτό έχει ενεργοποιήσει την ανάλυση που λέγεται χαρτογράφηση οδού KEGG, όπου το περιεχόμενο του γονιδίου στο γονιδίωμα συγκρίνεται με τη βάση δεδομένων KEGG PATHWAY για να εξετάσει ποιες οδοί και συσχετισμένες λειτουργίες είναι πιθανόν να είναι κωδικοποιημένες στο γονιδίωμα.

Σύμφωνα με τους ερευνητές, το KEGG είναι μια "αναπαράσταση του υπολογιστή" για το βιολογικό σύστημα. Ενσωματώνει δομικές μονάδες και διαγράμματα συνδέσεων του συστήματος  — πιο συγκεκριμένα, γενετικές δομικές μονάδες από γονίδια και πρωτεΐνες, χημικές δομικές μονάδες μικρών μορίων και αντιδράσεων, καθώς και διαγράμματα σύνδεσης αλληλεπιδράσεων και αντιδράσεων πλεγμάτων. Αυτή η ιδέα πραγματοποιείται στις παρακάτω βάσεις δεδομένων του KEGG, που κατηγοριοποιούνται σε συστημικές, γονιδιωματικές, χημικές πληροφορίες καθώς και σε πληροφορίες υγείας.

 Συστημικές πληροφορίες
 PATHWAY — χάρτες οδών για κυτταρικές και  οργανισμικές λειτουργίες
 MODULE — δομικές και λειτουργικές μονάδες των γονιδίων
 BRITE — ιεραρχικές ταξινομήσεις των βιολογικών οντοτήτων
 Γονιδιωματικές πληροφορίες
 GENOME — πλήρη γονιδιώματα
 GENES — γονίδια και πρωτεΐνες στα πλήρη γονιδιώματα
 ORTHOLOGY — ορθόλογες ομάδες γονιδίων στα πλήρη γονιδιώματα
 Χημικές πληροφορίες
 COMPOUND, GLYCAN — χημικές ενώσεις και γλυκάνες
 REACTION, RPAIR, RCLASS — χημικές αντιδράσεις
 ENZYME — τύποι ενζύμων
 Πληροφορίες υγείας
 DISEASE — ανθρώπινες ασθένειες
 DRUG — εγκεκριμένα φάρμακα
 ENVIRON — ακατέργαστα φάρμακα και ουσίες σχετικές με την υγεία

Βάσεις δεδομένων

Πληροφορίες συστημάτων 

Η βάση δεδομένων KEGG PATHWAY, η βάση δεδομένων των διαγραμμάτων σύνδεσης, είναι ο πυρήνας της πηγής του KEGG. Είναι μια συλλογή χαρτών οδών που ενσωματώνει πολλές οντότητες που περιλαμβάνουν γονίδια, πρωτεΐνες, RNAs, χημικές ενώσεις, γλυκάνες και χημικές αντιδράσεις, καθώς και γονίδια ασθενειών και στοχευμένα φάρμακα, τα οποία αποθηκεύονται ως μεμονωμένες καταχωρίσεις στις άλλες βάσεις δεδομένων του KEGG. Οι χάρτες οδών ταξινομούνται στις παρακάτω ενότητες:

 Μεταβολισμός
 Επεξεργασία γενετικών πληροφοριών (μεταγραφή, μετάφραση, αντιγραφή και επιδιόρθωση DNA κλπ.)
 Επεξεργασία περιβαλλοντικών πληροφοριών (μεμβρανική μεταφορά (membrane transport), μεταγωγή σήματος (signal transduction), κλπ.)
 Κυτταρικές διεργασίες (κυτταρική αύξηση, κυτταρικός θάνατος, λειτουργίες κυτταρικής μεμβράνης, κλπ.)
 Συστήματα οργάνων (ανοσοποιητικό σύστημα, ενδοκρινικό σύστημα, νευρικό σύστημα, κλπ.)
 Ανθρώπινες ασθένειες
 Ανάπτυξη φαρμάκων

Η ενότητα μεταβολισμού περιέχει αισθητικά ληφθέντες γενικούς χάρτες που εμφανίζουν μια γενική εικόνα του μεταβολισμού, επιπρόσθετα από τους κανονικούς χάρτες μεταβολικών οδών. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν γενικοί χάρτες χαμηλής ανάλυσης, παραδείγματος χάρη, για να συγκριθούν οι μεταβολικές δυνατότητες διάφορων οργανισμών στις γονιδιωματικές μελέτες και σε διάφορα περιβαλλοντικά δείγματα σε μεταγονιδιωματικές μελέτες. Αντίθετα οι μονάδες KEGG στη βάση δεδομένων KEGG MODULE είναι μεγαλύτερης ανάλυσης, τοπικά διαγράμματα συνδέσεων, που παριστάνουν πιο στενές λειτουργικές μονάδες μέσα σε έναν χάρτη οδού, όπως οι διατηρούμενες υποοδοί μεταξύ ειδικών ομάδων οργανισμών και μοριακών συμπλόκων. Οι μονάδες KEGG ορίζονται ως χαρακτηριστικά σύνολα γονιδίων που μπορούν να συνδεθούν σε ειδικές μεταβολικές δυνατότητες και σε άλλα  φαινοτυπικά γνωρίσματα, έτσι ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για αυτόματη ερμηνεία των δεδομένων του γονιδιώματος και του μεταγονιδιώματος.

Μια άλλη βάση δεδομένων που συμπληρώνει το KEGG PATHWAY είναι η KEGG BRITE. Είναι μια βάση δεδομένων οντολογίας που περιέχει ιεραρχικές ταξινομήσεις διαφόρων οντοτήτων που περιλαμβάνουν γονίδια, πρωτεΐνες, οργανισμούς, ασθένειες και χημικές ενώσεις. Ενώ η KEGG PATHWAY περιορίζεται στις μοριακές αλληλεπιδράσεις και αντιδράσεις αυτών των οντοτήτων, η KEGG BRITE ενσωματώνει πολλούς διαφορετικούς τύπους σχέσεων.

Γονιδιωματικές πληροφορίες 

Αρκετούς μήνες μετά την έναρξη του έργου KEGG το 1995, δημοσιεύτηκε η πρώτη αναφορά για την πλήρη αλληλουχία γονιδιώματος βακτηρίων. Από τότε όλα τα δημοσιευμένα πλήρη γονιδιώματα συλλέγονται στο KEGG και για ευκαρυωτικά κύτταρα και για προκαρυωτικά κύτταρα. Η βάση δεδομένων KEGG GENES περιέχει πληροφορίες επιπέδου γονιδίου/πρωτεΐνης και η βάση δεδομένων KEGG GENOME περιέχει πληροφορίες επιπέδου οργανισμού για αυτά τα γονιδιώματα. Η βάση δεδομένων KEGG GENES αποτελείται από σύνολα γονιδίων για τα πλήρη γονιδιώματα και τα γονίδια σε κάθε σύνολο δίνονται ως σχόλιο με τη μορφή των αντιστοιχιών γνωστοποίησης προς τα διαγράμματα σύνδεσης των χαρτών οδών του KEGG, των μονάδων KEGG και των ιεραρχιών BRITE.

Αυτές οι αντιστοιχίες γίνονται χρησιμοποιώντας την έννοια των ορθολόγων. Οι χάρτες οδών του KEGG σχεδιάζονται με βάσει την πειραματικά στοιχεία σε συγκεκριμένους οργανισμούς, αλλά σχεδιάζονται ώστε να είναι εφαρμόσιμοι και σε άλλους οργανισμούς, επειδή διαφορετικοί οργανισμοί, όπως ο άνθρωπος και το ποντίκι, μοιράζονται συχνά ταυτόσημες οδούς που αποτελούνται από λειτουργικά ταυτόσημα γονίδια που λέγονται ορθολογικά γονίδια ή ορθόλογα. Όλα τα γονίδια στη βάση δεδομένων KEGG GENES ομαδοποιούνται σε τέτοια ορθόλογα στη βάση δεδομένων KEGG ORTHOLOGY (KO). Λόγω των κόμβων (γονιδιακών προϊόντων) των χαρτών οδού του KEGG, καθώς και των μονάδων KEGG και των ιεραρχιών BRITE, δίνονται αναγνωριστικά KO, οι αντιστοιχίες αναγνωρίζονται μόλις τα γονίδια στο γονιδίωμα σημειωθούν με αναγνωριστικά KO από τη διεργασία γονιδιωματικού σχολιασμού στο KEGG.

Χημικές πληροφορίες 

Οι χάρτες μεταβολικής οδού του KEGG σχεδιάζονται ώστε να αναπαριστάνουν τις διπλές όψεις του μεταβολικού πλέγματος: το γονιδιωματικό πλέγμα του τρόπου σύνδεσης των γονιδιωματικά κωδικοποιημένων ενζύμων ώστε να καταλύουν διαδοχικές αντιδράσεις και το χημικό πλέγμα των χημικών δομών του υποστρώματος και των προϊόντων που μετασχηματίζονται από αυτές τις αντιδράσεις. Ένα σύνολο ενζυμικών γονιδίων στο γονιδίωμα θα ταυτοποιήσει τα πλέγματα της ενζυμικής σχέσης όταν υπερτίθεται στους χάρτες οδού KEGG, που με τη σειρά τους χαρακτηρίζουν τα πλέγματα μετασχηματισμού της χημικής δομής επιτρέποντας την ερμηνεία των βιοσυνθετικών και των βιοαποσυνθετικών δυναμικών του οργανισμού. Εναλλακτικά, ένα σύνολο μεταβολιτών ταυτοποιημένων στο μεταβολίτωμα θα οδηγήσει στην κατανόηση των εμπλεκόμενων ενζυματικών οδών και γονιδίων.

Οι βάσεις δεδομένων στην κατηγορία χημικές πληροφορίες, που συνολικά ονομάζονται KEGG LIGAND, είναι οργανωμένοι παίρνοντας τη γνώση από το χημικό δίκτυο. Στην αρχή του έργου KEGG, το KEGG LIGAND αποτελείτο από τρεις βάσεις δεδομένων: KEGG COMPOUND για χημικές ενώσεις, KEGG REACTION για χημικές αντιδράσεις και KEGG ENZYME για αντιδράσεις στην ενζυμική ορολογία. Τώρα, υπάρχουν τρεις επιπλέον βάσεις δεδομένων: KEGG GLYCAN για τις γλυκάνες και δύο βοηθητικές βάσεις δεδομένων αντιδράσεων που ονομάζονται RPAIR (στοιχίσεις ζεύγους αντιδρώντων (reactant pair alignments)) και RCLASS (τάξη αντίδρασης). Το KEGG COMPOUND έχει επίσης επεκταθεί για να περιέχει διάφορες ενώσεις όπως ξενοβιοτικά (xenobiotics), εκτός από τους μεταβολίτες.

Πληροφορίες για την υγεία 

Στο KEGG, οι ασθένειες θεωρούνται ως διαταραγμένες καταστάσεις του βιολογικού συστήματος που προκαλούνται από διαταραχές γενετικών και περιβαλλοντικών παραγόντων και τα φάρμακα θεωρούνται ως διαφορετικοί τύποι διαταρακτών. Η βάση δεδομένωνKEGG PATHWAY περιλαμβάνει όχι μόνο τις κανονικές καταστάσεις, αλλά επίσης τις διαταραγμένες καταστάσεις των βιολογικών συστημάτων. Όμως, οι χάρτες οδών των ασθενειών δεν μπορούν να σχεδιαστούν για τις περισσότερες ασθένειες επειδή οι μοριακοί μηχανισμοί δεν είναι καλά κατανοητοί. Μια εναλλακτική προσέγγιση λαμβάνεται στη βάση δεδομένων KEGG DISEASE, που απλά καταλογοποιεί τους γνωστούς γενετικούς και περιβαλλοντικούς παράγοντες των ασθενειών. Αυτοί οι κατάλογοι μπορούν, ενδεχομένως, να οδηγήσουν σε πιο πλήρη διαγράμματα σύνδεσης των ασθενειών.

Η βάση δεδομένων KEGG DRUG περιέχει δραστικά συστατικά των εγκεκριμένων φαρμάκων στην Ιαπωνία, τις ΗΠΑ και την Ευρώπη. Διακρίνονται ανάλογα με τη χημική δομή και/ή τα χημικά συστατικά και συσχετίζονται με τα μόρια του στοχευόμενου φαρμάκου, τα μεταβολίζοντα ένζυμα και άλλες πληροφορίες του πλέγματος των μοριακών αλληλεπιδράσεων στους χάρτες οδών KEGG και τις ιεραρχίες BRITE. Αυτό ενεργοποιεί μια ολοκληρωμένη ανάλυση των φαρμακευτικών αλληλεπιδράσεων με τις γονιδιωματικές πληροφορίες. Τα ακατέργαστα φάρμακα και άλλες ουσίες σχετικές με την υγεία, που είναι εκτός της κατηγορίας των εγκεκριμένων φαρμάκων, αποθηκεύονται στη βάση δεδομένων KEGG ENVIRON. Οι βάσεις δεδομένων στην κατηγορία πληροφοριών υγείας ονομάζονται συλλογικά KEGG MEDICUS, οι οποίες περιλαμβάνουν επίσης οδηγίες χρήσης (package inserts) όλων των εμπορικών φαρμάκων στην Ιαπωνία.

Πρότυπο συνδρομής 

Τον Ιούλιο του 2011, το KEGG εισήγαγε ένα πρότυπο συνδρομής για την μεταφόρτωση FTP download λόγω των σημαντικών περικοπών της κρατικής χρηματοδότησης. Το KEGG συνεχίζει να είναι ελεύθερα διαθέσιμο μέσω της ιστοσελίδας του, αλλά αυτό το γεγονός έχει προκαλέσει συζητήσεις σχετικά με την βιωσιμότητα των βάσεων δεδομένων της βιοπληροφορικής.

Παραπομπές

Εξωτερικοί σύνδεσμοι 

 KEGG website
 GenomeNet mirror site
 The entry for KEGG in MetaBase

Βιολογικές βάσεις δεδομένων
Βιολογία συστημάτων