平成23年度 第一回データベース講習会＠お台場 「創薬研究における統合データベースの活用」 ヒト細胞 細胞分化デ タベ ス ヒト細胞・細胞分化データベース CELLPEDIA/CellMontage CELLPEDIA/ CellMontageの活用 の活用 産業技術総合研究所 生命情報工学研究センター 生命情報工学研究 センター 細胞機能設計チーム 千葉啓和,, 幡野晶子, 千葉啓和 幡野晶子, 藤渕航 ヒト幹細胞研究の進展と その創薬応用に向けて 創薬応 向 多様なiPS細胞の作製 多様なiPS 細胞の作製 各組織細胞の分化誘導、創薬に応用 Muscle cell 細胞情報の多様化・大規模化 多様化・大規模化 iPS cells 細胞情報データベース・・ 細胞情報データベース 高速検索ツールの必要性 高速検索ツ ルの必要性 Pancreas cell Blood cell ヒト細胞・細胞分化デ タベ ス ヒト細胞・細胞分化データベース および検索ツールの紹介 CELLPEDIA 遺伝子発現プロファイル検索： CellMontage 遺伝子モジュール検索： SAMURAI ヒト細胞・細胞分化デ タベ ス ヒト細胞・細胞分化データベース および検索ツールの紹介 CELLPEDIA 遺伝子発現プロファイル検索： CellMontage 遺伝子モジュール検索： SAMURAI ヒト細胞統合データベース CELLPEDIA ヒト細胞統合データベース CELLPEDIA ヒト細胞の分類、 ヒト細胞の分類 、遺伝子発 現データ、 データ、形態 形態 正常細胞デ 正常細胞 正常細胞データ デ データ タ 2296細胞種分類、 2296 細胞種分類、365 365画 画 像、878 像、 878遺伝子発現データ、 遺伝子発現データ、 336論文 336 論文 幹細胞データ 36画像、 36 画像、92 92遺伝子発現 遺伝子発現 データ、86 データ、 86論文 論文 細胞分化データ 細 分 ユーザーからのサブミッション 可能 CELLPEDIAの細胞分化データ CELLPEDIA の細胞分化データ （文献から抽出） Pancreatic cell（膵細胞） cell（膵細胞）は何から分化するか？ は何から分化するか？ 親細胞は膵前駆細胞（さらにその親は膵幹細胞） 親細胞 は膵前駆細胞（さらにその親は膵幹細胞） Pancreatic <<- Pancreatic progenitor <- Pancreatic stem 分化転換する 分化転換するのは小腸幹細胞、肝前駆細胞 分化転換 する は小腸幹細胞 肝前駆細胞 するのは小腸幹細胞、肝前駆細胞 Pancreatic < <-- Small intestinal stem Pancreatic <<- Liver progenitor ヒト細胞・細胞分化デ タベ ス ヒト細胞・細胞分化データベース および検索ツールの紹介 CELLPEDIA 遺伝子発現プロファイル検索： CellMontage 遺伝子モジュール検索： SAMURAI 遺伝子発現プロファイル検索 CellMontage 遺伝子発現プロフ イル検索 CellMontage 遺伝子発現プロファイル検索 C llM CellMontageの遺伝子プロファイル比較法 CellMontage の遺伝子プロファイル比較法 (H16下期産総研優秀特許 (H16 下期産総研優秀特許158 158選 選) UniGeneIDにより８割以上のGEOアレイデータが検索可能 開発アルゴリズム(GIW ( 2006)により通常の５倍以上高速 ) 重み付き順位相関係数でクロスプラットフォームにも対応可能 ソフトウェア配布→ProfileMatcher-1.0.1.tar.gz High Expression Gene Rank Order Low Expression W. Fujibuchi, L. Kiseleva, T. Taniguchi, H. Harada, P. Horton, Bioinformatics (2007) n Gene Weighted Rank Correlation: CorrW x1, x 2 w r g r w r g r i 1 i 1w i 2 i 2w i n n w r g r w r g r 2 i 1 i i 1w 2 i 2 i i 2w , r1w w i r1 gi n w i i , r2w w i r2 gi n w i i CellMontage検索で得られる情報 CellMontage 検索で得られる情報 はっきりと知られていなかった細胞間の類似性(例：Pancreasで検索) pancreas(4)、stomach(1)、pancreas(2)、small intestine(1)、liver(1) Fetal Liver Adult Liver Skeletal Muscle 類似細胞と分化転換のしやすさ 肝臓、膵臓、小腸、胃などはお互いに変換可 能な細胞である Liver Pancreas Small Intestine Stomach http://www.aki.che.tohoku.ac.jp/soft-j.html 類似細胞ネットワーク表示 膵臓から深さ２の類似細胞ネットワーク 遺伝子発現プロファイル検索 GEO(138,832 UniGene / 119,474 Refseq) ArrayExpress(30 168 UniGene/ 30,065 ArrayExpress(30,168 30 065 Refseq) 例 embryonic 例： b i stem t sapiens i を入れて検索 遺伝子発現プロファイル検索 結果をそのままクエリーに してプロファイル比較可能 ヒト細胞・細胞分化デ タベ ス ヒト細胞・細胞分化データベース および検索ツールの紹介 CELLPEDIA 遺伝子発現プロファイル検索： CellMontage 遺伝子モジュール検索： SAMURAI 遺伝子モジュール検索 SAMURAI 遺伝子モジュール検索 SAMURAI 遺伝子モジュール高速検索システム トランザクションデータベース 飽和アイテム集合 Θ以上の消費者に同時に購 入される商品の最大集合 マイニング θ = 最少サポート値 高速アルゴリズムLCM 高速アル リ ((T. Uno et al.,, 2004)) 離散化された発現データ 遺伝子2 遺伝子3 遺伝子4 H…高発現 遺伝子5 Θ以上の実験で同じ発現パタン を持つ遺伝子の最大集合 バイクラスタリング 実 験 遺伝子1 飽和アイテム集合（=モジュール） L…低発現 O…その他 A H C H E H H H H B L D L L L SAMURAIによる発見モジュールの例 SAMURAI による発見モジュールの例 ヒトの組織細胞の発現デ タ 適用（ ヒトの組織細胞の発現データへ適用（20,703遺伝子×83細胞種） 遺伝子 細胞種） 脳細胞で発現し、心臓で抑制さ 脳細胞で発現し 心臓で抑制さ れる遺伝子のモジュール ポタシウム カルシウムチャネル ポタシウム・カルシウムチャネル グルタミン酸レセプター グ プ ホルモンレセプター 近年、脳で強く発現していることが報告された 遺伝子（GALNT9, MOBPなど） 他手法との性能比較（以前のバージョン） 人工的に埋め込まれたモジュールの抽出精度 本法（網羅探索）と他手法（Bi 本法（網羅探索）と他手法（Bimaxのみ網羅探索）によって抽出されたモジュール のみ網羅探索）によ て抽出されたモジ ル Implanted modules Bimax(分割で) (分割 ) OPSM ISA Samba 4500 計算時間 > 4436 sec テストデータ: S. Cerevisiae, 2993遺伝子 and 173 実験 Pentium4, 2,4GHz CPU, 1GB RAM, Linux上でテスト 896 sec 1000 800 600 400 378 sec 365 sec 142 sec 58 sec 200 0 SAMURAI OPSM ISA Okada, Y., Horton, P., and Fujibuchi, W. (2007), IAENG 34 Awarded “Certificate of merit” in Bioinformatics session SAMBA CC Bimax CC SAMURAIの高速・高性能化 SAMURAI の高速・高性能化 の高速 高性能化 ユーザーのクエリプロファイルと類似したモジュールを探索する⇒ データの大規模圧縮が可能（＝高速） デ タの大規模圧縮が可能（ 高速） SAMURAIモジュール機能の統計評価 SAMURAIモジュール機能の統計評価 圧倒的に有意な機能モジュールが含まれる 圧倒的に有意な機能 ジ ルが含まれる KEGG パスウェイ評価 Significancee of KEGG pathways (‐logg10P) ( ) Extracted (a) E t t d (raw) ( ) modules d l GO/KEGGとも P<10-10でも 多数存在 製薬ＩＴソリューションＥＸＰＯ(2008.7.3)で発表 製薬ＩＴソリューションＥＸＰＯ(2008.7.3) で発表 日刊工業新聞掲載 日刊工業新聞掲載(2008.7.3) (2008.7.3) ( ) 遺伝子データ高速探索ツール販売 日経 日経BP BPバイオテクノロジー バイオテクノロジーJNL JNL取材 取材(2008.7.4) (2008.7.4) DNAマイクロアレイやDNA DNAマイクロアレイや DNAシーケンサーのデータ解 シーケンサーのデータ解 析に用いるシステム (b) Gene‐shuffled modules 遺伝子シャッフル後 出版物 Significance of GO terms (‐log10P) 英文著書： Fujibuchi, W. et al, Methods in Mol. Biol., 2009. GO遺伝子機能グループ評価 22 次世代創薬に向けた CELLPEDIA利用法 CELLPEDIA 利用法 演習 23 1. CELLPEDIA CELLPEDIA細胞分化解析 細胞分化解析演習 演習 肝細胞（hepatocyte 肝細胞（ hepatocyte）に分化転換する細胞は？ ）に分化転換する細胞は？ 手順 http://cellpedia.cbrc.jp/ ① Hepatocyteの検索 Top → keyword search → “hepatocyte”を入力 → image ID 45 をクリックで表示 ② 親細胞のチェック Cell NeighborhoodでParent Cellを見る → H Hepatoblast, t bl t Liver Li progenitor it cell, ll Oval O l cellから llから 分化することが分かる ③ 分化転換細胞のチェック Cell NeighborhoodでTransdifferentiationを見る → Pancreatic progenitor cell, Acinar cell, B cell からも転換することが分かる ④ さらにこれらの細胞を作るには？ cell ID:902 → Pancreatic progenitor cell → Cell N i hb h d → Transdifferentiationを見る Neighborhood T diff ti ti を見る → 小腸や大腸から転換することが分かる 2. 遺伝子発現プロファイル比較 遺伝子発現プロファイル比較演習 演習 膵臓（pancreas 膵臓（ pancreas）はどんな組織に似ているか？ ）はどんな組織に似ているか？ 手順 http://cellpedia.cbrc.jp/ ① Pancreas遺伝子発現データの検索 P 遺伝子発現デ タの検索 Top → Cell Analysis Tools → CellMontage → Profile Retrieval → “sapiens pancreas” で表示 ② Profile Matcherへの取り込み 55番目 Affymetrix HG-U133A pancreasの左端 → CM Profile Matcherボタンをクリック → 取り込み ③ 検索実行 データベースの選択 Database settings → CMDB → CELLPEDIA → normal cell (673 samples) normal_cell 他はデフォルトのまま Subset → Unigene Specify Genes used to search → all genes Query settings → Specify query → Paste Query 実行 Begin Search * 胎児肺などの次に気管や腸や胃が近い 相関係数の確率の右のグラフィックス → 詳細表示 55番目の GSM18977 の左側 CM Profile Matcher をクリック Profile Matcher に取り込まれる データベースに CELLPEDIAを 選択して Begin Search 検索開始と終了 時刻 クエリーと同 一プロファイ プロファイ ル（相関係数 R=1.0） 膵臓と遺伝子発 現プロファイルが 類似した組織が 検索できる 相関係数 をt検定で 確率にし てソートし たリスト 3. 遺伝子発現モジュール解析 遺伝子発現モジュール解析演習 演習 膵臓（pancreas 膵臓（ pancreas）と共通のモジュール探索 pancreas）と共通のモジュ ）と共通のモジュール探索 ）と共通のモジュ ル探索 手順 ① S SAMURAIデモページへログイン U デ ジ グイン http://samurai.cbrc.jp/samurai-demo/ user “samurai”, password “samurai”でログイン ② データベースとマージ法の設定 データベースの選択 デ タベ スの選択 Database settings → cellpedia normal cell 673 – 0.01 クエリーの設定 Query settings → Specify query → Example Query: human pancreas (GPL96) マージ法の選択 Merge method → All combinatorial (display…) ノイズ許容率の選択 Parameter settings → Acceptable noize ratio → 0.25 ③ 検索実行 実行 Extract Module p → 詳細表示→ Enrichment 左のグラフィックスtop Analysis(KEGG) → 00561 Glycerolipid metabolism * 時間が余った方はES細胞データなどで実行してみて下さい データベースに normal cell User: samurai Pass: samurai クエリ に クエリーに Example マージ法を All combinatorial Extract Module 詳細表示 KEGG 評価で 00561を クリック ノイズを 0.25 KEGG でマッチしたマップ とその近郊マップが表示 これらの４つの遺伝子は、 れらの の遺伝子は、 •PNLIP pancreatic lipase •CEL carboxyl ester lipase •PNLIPRP1 pancreatic lipase-related protein 1 •PNLIPRP2 PNLIPRP2 pancreatic ti li lipase-related l t d protein t i 2 膵臓のリパーゼ関係遺伝子モジュールであることが分かる ＊注意 SAMURAIを購入された場合、この表示部 分は別途KEGGライセンスが必要です。 本演習は以上です
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