Transcript In Silico - Cell System Markup Language (CSML)

医科学のための情報生命学 I
システム生物学入門
東京大学医科学研究所ヒトゲノム解析センター
長崎 正朗
[email protected]
２０10年4月23日（金） １６：３０－１８：００
Copyright 2010 Masao Nagasaki
今世紀の課題
21st Century is Life Science Century
Emergence of New Science for
Understanding Life as
System
Fusion of Biology, Computer Science,
Artificial Intelligence, Physics, Chemistry,
Mathematics, etc.
Copyright 2010 Masao Nagasaki
システム生物学とは？
System Component Identification
System Prediction
System Control
System Design
Copyright 2010 Masao Nagasaki
システム生物学とは？
System Component Identification
System Prediction
System Control
System Design
Copyright 2010 Masao Nagasaki
生体内の制御関係（パス
ウェイ）を理解する。
パスウェイとは？
• パスウェイ (Pathway)
– 代謝系 (Metabolic Pathway)
– 遺伝子制御ネットワーク (Gene Regulatory Network)
– シグナル伝達経路 (Signal Transduction Pathway)
を指す。
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Pathway (1/3)
Metabolic Pathway
おおまかには細胞内での
化学物質の反応のパス
ウェイ
Copyright 2010 Masao Nagasaki
Pathway (2/3)
Signaling Pathway
Fas ligand
Apoptosis induced by Fas
Fas receptor
complex
Cytoplasm
caspase
Signal
cascade
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おおまかには細胞内での
たんぱく質の反応のパス
ウェイ
Pathway (3/3)
Gene Regulatory Network
Nucleus
PER
TIM
activate
おおまかに、細胞内の、
遺伝子の転写や、翻訳
activate
が関係する反応のパス
ウェイ
activate
ｄCLK CYC
tim
TIM
pｅｒ
PER
dｂｔ
dClk
DBT
PER
DBT
PER
Rapid
degradation
ｄCLK
cyc
CYC
Drosophila Circadian Feedback Loop Cytoplasm
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PER
TIM
ｄCLK CYC
パスウェイがわかると具体的に何がう
れしいの？
– 例えば、創薬の場合、、
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パスウェイと創薬
- ゲノム創薬のプロセス
1. 薬のターゲットになる分子を探す。
•
人の遺伝子は約2万種。そのうち薬のターゲットになる
のは3000種～4000種。
2. ターゲットに作用する分子を精製する。
•
•
タンパクの立体構造、タンパクの機能、遺伝子の配列な
どから薬になりそうな化学物質を探す。
インシリコスクリーニング（タンパク質の立体構造や配
列情報のデータベースを利用して予め効果がありそう
な物質とそうでない物質にわける）
3. 薬の効果を確認する。
–
臨床的なテストなど。
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パスウェイと創薬
-パスウェイ創薬のプロセス
薬のターゲットになる分子を探す。
1.
•
パスウェイの理解が深まると、、、
２．原因遺伝子と薬とその周辺のパスウェイが正しくモデル化されていれば
副作用が論理的に予想できる。
（現在）原因遺伝子の周りのパスウェイを考慮できないために、抗ウイ
ルス（ソリブジン）と抗ガン剤（５－ＦＵ）を組み合わせ、考慮にはいって
いなかった相互作用のため死者がでるケースも。(後述）
3. （逆に）マルチターゲッティング創薬が可能。複数の経路に影響を与えて
いる分子を使って効果の高い薬を作成しようという試み。
現在3000種から4000種といわれている薬のターゲットを、間接的に働く
ターゲットも利用できるので、増やすことができる。
2.
3.
ターゲットに作用する分子を精製する。
薬の効果を確認する。
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Why important ?
Case Study: Combinations of Drugs
1. Anticancer Drug
- Fluorouracil (5-FU)
2. Antiviral Drug
- Sorivudine
zzzzzzzza
z
By combining the above two drugs, in
1993, 15 peoples died in Japan.
Copyright 2010 Masao Nagasaki
→Main Effects
→Side Effects
sorivudine
monophosphate
sorivudine
diphosphate
sorivudine
triphosphate
Antiviral Drug
dTMP kinase
thymidine kinase
Enzymes only in Virus
nucleoside-phosphate
kinase
Degradation of sugar chain
virus DNA polymerase
inhibition
If we know thebymore
exact pathway level understandings of
intestinal bacteria
two drugs….
Pathway level
sorivudine
bromovinyluracil
understanding
is very
④ Depletion of
leukocytopenia
important!!
and platelet
③ Elevate the
blood
concentration
Death
① binding
Anticancer Drug
dihydrouracil
dehydrogenase
②
fluorouracil
antitumor effect
fluorodihydrouracil
→Main Effects
sorivudine
monophosphate
sorivudine
diphosphate
sorivudine
triphosphate
→Side Effects
Antiviral Drug
dTMP kinase
thymidine kinase
Enzymes only in Virus
nucleoside-phosphate
kinase
Degradation of sugar chain
by intestinal bacteria
sorivudine
virus DNA polymerase
inhibition
bromovinyluracil
Someone: We can do simulation in my
the
④ Depletion of
③ Elevatebrain
by combining
the regulations of
blood
leukocytopenia
them!
concentration
Death
and platelet
① binding
Anticancer Drug
dihydrouracil
dehydrogenase
②
fluorouracil
antitumor effect
fluorodihydrouracil
Can you do them?
Endothelial cell (Angiogenesis) models on Cell Illustrator
Pathway Database
- Basic -
Copyright 2010 Masao Nagasaki
パスウェイデータベース
有名なデータベース
• KEGG
• BioCyc
• Transpath
• Ingenuity Pathway Knowledge Base
• Resnet Pathway Database
• STKE
• Reactome
Copyright 2010 Masao Nagasaki
KEGG
•
•
•
•
•
URL: http://www.kegg.org/
Developer: 金久教授ら＠京都大学
代謝系の情報が強い
シグナル伝達系のデータも充実の予定？
License: Academicは無償 商用は有料
Pathways
Reactions
Drugs(+Enzyme)
Compound
Genes
Copyright 2010 Masao Nagasaki
362
7,546
6,850
15,072
1,498,697
http://www.genome.ad.jp/ja/info_kegg_ja.html
2008年4月現在
KEGG
MAP
Copyright 2010 Masao Nagasaki
BioCyc
•
•
•
•
URL: http://www.biocyc.org/
Developer: Peter Karpら(U.S.)
EcoCyc(E.coliのデータベース)
代謝系(MetaCyc 600種以上の代謝系データ
を収集)
2008年4月現在
• License: AcademicはFree,商用は有償
EcoCyc
http://biocyc.org/ecocyc/release-notes.shtml
Copyright 2010 Masao Nagasaki
Pathways
224
Reactions
1658
Enzymes
1361
Transporters
227
Genes
4464
Transcription Units
3277
Citations
16297
EcoCyc: http://biocyc.org/
MAP
Copyright 2010 Masao Nagasaki
Copyright 2010 Masao Nagasaki
Ingenuity Pathway KnowledgeBase
• URL: http://www.ingenuity.com/
• Developer: Ingenuity Systems Inc. (Boston,
U.S.)
• License: 商用
Copyright 2010 Masao Nagasaki
Ingenuity Pathway KnowlegeBase
• ３２種のJournalから１件１件人が読んでデータを抽
出
American J. Pathology
Arteriosclerosis, Thrombosis and Vascular
Biology
Biochemistry
Blood
Cancer Research
Cell
Current Biology
Development
EMBO
European J. of Immunology
FASEB Journal
Genes and Development
Hypertension
Immunity
J. Biological Chemistry
Copyright 2010 Masao Nagasaki
J. Cell Biology
J. Experimental Medicine
J. Immunology
J. Lipid Research
J. National Cancer Institute
J. Neuroscience
Molecular and Cellular Biology
Molecular Biology of the Cell
Molecular Cell
Nature
Nature Cell Biology
Nature Genetics
Nature Medicine
Neuron
Oncogene
Proc. National Acad. Sciences USA
Science
Ingenuity Pathway KnowlegeBase
• 登録されている遺伝子数(2008年5月現在)
•
ヒト遺伝子
13,600個
マウス遺伝子
11,100個
ラット遺伝子
6,600個
対応している遺伝子データ
Affymetrix
UniGene
GenBank
Copyright 2010 Masao Nagasaki
Entrez Gene
SwissProt Protein Accession Number
GenPERT
Ingenuity Pathway KnowlegeBase
DEMO
Copyright 2010 Masao Nagasaki
Transpath
• URL: http://www.biobase-international.com/
• Developer: BIOBASE Corp. @Germany
• License: 商用
Copyright 2010 Masao Nagasaki
TRANSPATH
• さまざまなJournalから１件１件人が読んでデータを
抽出
American J. Pathology
Arteriosclerosis, Thrombosis and Vascular
Biology
Biochemistry
Blood
Cancer Research
Cell
Current Biology
Development
EMBO
European J. of Immunology
FASEB Journal
Genes and Development
Hypertension
Immunity
J. Biological Chemistry
Copyright 2010 Masao Nagasaki
J. Cell Biology
J. Experimental Medicine
J. Immunology
J. Lipid Research
J. National Cancer Institute
J. Neuroscience
Molecular and Cellular Biology
Molecular Biology of the Cell
Molecular Cell
Nature
Nature Cell Biology
Nature Genetics
Nature Medicine
Neuron
Oncogene
Proc. National Acad. Sciences USA
Science
TRANSPATH
• 登録されている遺伝子数/タンパク数(2008年4月現在)
主にHuman,
Mouse, Rat
•
対応している遺伝子データ(2006年3月現在)
Affymetrix
UniGene
GenBank
RefSeq
Copyright 2010 Masao Nagasaki
Entrez Gene
HGNC
OMIM
Ensemble
BIOBASE
Copyright 2010 Masao Nagasaki
TRANSPATH
DEMO
Copyright 2010 Masao Nagasaki
Resnet
• URL: http://www.ariadnegenomics.com/products/resnet/
• Developer: Ariadone Genomics Inc. (Corolado,
U.S.)
• License: 商用
•
パスウェイデータベース
– PubMedに登録されている14,000,000件のabstract(注)と47のjournal全文から
NLP(自然言語処理）の技術を用いて(MedScanというソフトを独自開発＆使用)生体内
の反応を抽出。
– 現在の最新はVer. 5.0
– Yeastのデータも扱っている。
ResnetにはResnet Coreがあって、Human
Curationもしているらしいがその数はあまり
多くない。
Copyright 2010 Masao Nagasaki
Signal Transduction Knowledge
Environment (STKE)
• URL: http://stke.sciencemag.org/
• Developer: 1996年スタンフォード大学High Wire Press等の協力を得て、
世界中のシグナル伝達の科学者たちのためのwebジャーナルとして創
刊。
• STKEはシグナル伝達に関する知識と情報の管理ツールとしての機能を
持つ高度なオンラインジャーナル。
• 主要な生体内パスウェイ毎に、その道で著名な人が割り当てられており
その人がデータを管理。
Copyright 2010 Masao Nagasaki
Reactome
• URL: http://www.reactome.org/
• Developer: Reactome Team – Cold Spring
Harbor lab., EBI, GO
• Curated database of biological processes in
humans
– Basically using experiments performed on human
systems
– Using indirect evidence, by inferring in humans based
on the finding of putative human orthologs for the
proteins
Copyright 2010 Masao Nagasaki
Reactome: history
•
•
•
•
•
Sep. 2002: Genome Knowledgebase started
Jan. 2003: ver. 1
June 2004: Reactome launched, ver. 10
Jan, 2006: ver. 16
Mar, 2008: ver. 24
Date
March, 2008: Version 24
(Human)
Copyright 2010 Masao Nagasaki
# of
proteins
2499
# of
complexes
2016
# of
reactions
2530
# of
pathways
818
Reactome
Reaction map
-Clustered
-Navigator
Copyright 2010 Masao Nagasaki
パスウェイ表示ソフトウェア
Copyright 2010 Masao Nagasaki
パスウェイ表示ソフトウェア
有名なソフトウェア
• Pathway Builder
• Pathway Studio
• Cytoscape
• Ingenuity Pathway Analysis
• Connection Maps in STKE
Copyright 2010 Masao Nagasaki
PathwayBuilder
• 商用：Transpath Databaseとセット販売
Copyright 2010 Masao Nagasaki
PathwayStudio
• URL: http://www.ariadnegenomics.com/products/pathway/
• Developer: Ariadne Genomics Inc. (Colorado, U.S.)
• License: 商用 旧PathwayAssist
(特徴)
1.
Resnet Databaseを
表示できる。
Copyright 2010 Masao Nagasaki
Cytoscape
• URL: http://www.cytoscape.org/
• Developer: Institute for Systems Biology, the University
of California San Diego, Memorial Sloan-Kettering
Cancer Center and Institut Pasteur
• License: 無償 LGPL
– 生体内パスウェイデータを統合して表示することができる
ソフトウェア
Copyright 2010 Masao Nagasaki
Cytoscape
• History
–
–
–
–
•
Apr 11 2008: version 2.6
Dec 17 2005: version 2.2
Apr 16 2005: version 2.1
Around 2003: version 1.1
Publication
–
Paul Shannon1, Andrew Markiel1, Owen Ozier2, Nitin S. Baliga1, Jonathan T. Wang2, Daniel Ramage2, Nada Amin2, Benno
Schwikowski1,5 and Trey Ideker2,3,4,5, Cytoscape: A Software Environment for Integrated Models of Biomolecular Interaction
Networks, Genome Research 13:2498-2504, 2003
• 1 Institute for Systems Biology, Seattle, Washington 98103, USA , 2 Whitehead Institute for Biomedical Research,
Cambridge, Massachusetts 02142, USA , 3 Department of Bioengineering, University of California-San Diego, La Jolla,
California 92093, USA
Copyright 2010 Masao Nagasaki
Ingenuity Pathway Analysis(IPA)
• Developer: Ingenuity Systems Inc. (Boston,
U.S.)
• URL: http://www.ingenuity.com
• Ingenuity Pathway Knowledge Baseの情報を表
示できる
Copyright 2010 Masao Nagasaki
Connections Map - STKE
•
•
•
•
URL: http://stke.sciencemag.org/
オンライン
STKEで管理されているパスウェイ情報を見るソフトウェア
東京大学はScienceのオンラインジャーナルにアクセスできるのでみれ
たはず？
Copyright 2010 Masao Nagasaki
High Osmolarity Glycerol(HOG)
Pathway in Yeast
• 視覚化だけでは不十分。
• さきほどのパスウェイ創薬を行うには生体内
の時系列変化（ダイナミクス）を解析できる環
境が必要
以下ではパスウェイのモデル化とシミュレーション全般の
状況、分類方法について話をする
Copyright 2010 Masao Nagasaki
生体内パスウェイシミュレーション
Copyright 2010 Masao Nagasaki
シミュレーション可能な
パスウェイソフト
• パスウェイソフト全般について重要な事項
– Architecture (Simulation Engine)
– Modeling Method (ＧＵＩ Interface)
Copyright 2010 Masao Nagasaki
Architecture: 決定的？確率的？ハイ
ブリッド？
• パスウェイのシミュレーションをする場合以下
の3つの分類が可能である。
– 決定的
– 確率的
– ハイブリッド（両方可能）
Copyright 2010 Masao Nagasaki
決定的？
主にODE(微分方程式系）で記述。
（利点）
計算が速い。
解析がしやすい（パラメータフィッティングなど）
（欠点）
次の確率的なモデル化が苦手。
Copyright 2010 Masao Nagasaki
確率的？
• GD(Gillespie’s Direct Method)
• GB(the Gibson-Bruck Next Reaction Method)
• FB(the Firth-Bray multi-state stochastic method)
• SPN(a stochastic Petri net method)
などの方法がある。
（利点）
• 確率的なモデル化が可能。
（欠点）
• 遅い。
• 反応パラメータがさほど細かくわかっていないモデル化では
わざわざやる必要があるのか？
• 解析が難しい。
Copyright 2010 Masao Nagasaki
ハイブリッド(決定的＆確率的）
• TL (the Gillespie Tau-Leap method)
• VB (the Vasudeva-Bhalla method)
• HR (the Haseltine-Rawlings method)
• Hybrid Functional Petri net
(利点）
• 決定的、確率的を組み合わせたモデル化が可能。
（欠点）
• ますますもって解析が難しい。
Copyright 2010 Masao Nagasaki
パスウェイのモデル化の手法
1. プログラム言語を直接用いる
–
C++,Ｊａｖａなど
2. 指定されたテキストフォーマットで直接書く。
–
xml,ｔｅｘｔなど
3. ＧＵＩベースで書く。
–
–
–
ソフトウェアで選択したアーキテクチャにある程度依存
ＧＵＩでもリスト形式でかくだけのものもあればお絵かき
ツールのように使えるものものあってレベルはピンきり。
２のサポート。
Copyright 2010 Masao Nagasaki
有名なソフトウェア
•
•
•
•
•
•
•
Cell Illustrator
E-Cell
JDesigner
CellDesigner
Virtual Cell
Dizzy
COPASI
などなどその他大勢（９０種以上）
Copyright 2010 Masao Nagasaki
Cell Designer
•
•
•
•
•
•
•
URL: http://systems-biology.org/
Developer: 北野教授らによって開発
Architecture: なし(SBWを利用)
OS: Windows/Unix/Mac OS X
GUI: 高い
Latest: Ver4.0.0
License: Free License
Copyright 2010 Masao Nagasaki
JDesigner
•
•
•
•
•
•
URL: http://sbw.kgi.edu/software/jdesigner.htm
Developer: Keck Graduate Institute (U.S.)
GUI: 高
Architecture: なし(SBWを利用)
OS: Windows版
License: LGPL
Copyright 2010 Masao Nagasaki
E-Cell
•
•
•
•
•
•
•
URL: http://www.e-cell.org/
Developer: 慶応の富田研究室
Latest: Ver. 3.1
Architecture: ハイブリッド(HR)
ＧＵＩ: 結果のみ
OS: Windows, Linux, Mac OS X
License: 無償:GPL (例外付)
Copyright 2010 Masao Nagasaki
Dizzy
• URL: http://magnet.systemsbiology.net/software/Dizzy/
• Developer: Prof. Hamid Bolouri at Institute for Systems
Biology (Seattle, Washington, U.S.)
• Latest: Ver1.11.4
• Architecture: 確率的(Gillespie,Gibson-Bruck,Tau-Leap)
• GUI: 結果のみ
• OS: Windows, Linux, Mac OS X
• License: LGPL
Copyright 2010 Masao Nagasaki
COPASI - Complex Pathway Simulator
• URL: http://www.copasi.org/
• Developer: Collaboration project between Mendes
group@Virginia Bioinformatics Institute and Kummer
group@European Media Lab Research
• Latest: Release 4.3 (Build 25)
• Architecture: 決定的(DE)
• GUI: 結果のみ
• License: 非商用は無償
Copyright 2010 Masao Nagasaki
COPASI
Copyright 2010 Masao Nagasaki
Cell Illustrator
•
•
•
•
•
•
URL: http://www.cellillustrator.com/ http://cionline.hgc.jp/
Developer: Institute of Medical Science, the University of Tokyo
Latest: Ver. 4.0
Architecture: ハイブリッド(HFPNe)
GUI: 高度
License: 商用（共同研究の場合 無償）
Copyright 2010 Masao Nagasaki
有名なソフトウェア
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Cell Illustrator – ハイブリッド(HFPNe)、ＧＵＩあり（高）
E-Cell – ハイブリッド(HR)、ＧＵＩあり（結果のみ）
Jarnac – 決定的(ODE)、ＧＵＩはJDesignerを利用
JDesigner – ＧＵＩ（高）
SBW – ハイブリッド(GD,GB)、ＧＵＩはＣｅｌｌＤｅｓｉｇｎｅｒを（通
常）利用
CellDesigner – なし、Cellware – 確率的(GD)、ＧＵＩあり
（高）
Virtual Cell – 決定的(ODE)、GUI(中）
Dizzy – ハイブリッド(GD,DB,TL)、ＧＵＩあり（中）
COPASI – 決定的(ODE)、ＧＵＩあり（低）、解析機能有
Copyright 2010 Masao Nagasaki
たくさんパスウェイ関連のソフトウェアやデータ
ベースがあって、ソフトウェア間のデータのや
り取りが大変。
データフォーマットを統一していきませんか？
(Solution) ＸＭＬをベースに用いる。
異なるフォーマットでもみなXMLで記述してもらえれ
ば、フォーマット間の変換が容易になる。
Copyright 2010 Masao Nagasaki
XML Format
Copyright 2010 Masao Nagasaki
ＸＭＬとは？
• eXtensible Markup LanguageをXMLと呼ぶ
• データ形式の1つ
• コンピュータでも読めるし、人も(一応)理解できる
(例)
<?xml version=“1.0” encoding=“UTF-8” ?>
<lecture id=“7”>
Attribute
<date>2010-04-23</date>
<name>システム生物学入門</name>
<person>masao nagasaki</person>
Element
</lecture>
Copyright 2010 Masao Nagasaki
XMLとは
• 文書フォーマットの定義：
– Document Type Definition (DTD)
– XML Schema
– Relax NG
• 文書の変換:
– XSL Transformations (XSLT)
Copyright 2010 Masao Nagasaki
XML Format for Pathway Simulation and
(or?) Pathway Modeling
Copyright 2010 Masao Nagasaki
Systems Biology Markup Language
(SBML)
•
•
•
•
URL: http://www.sbml.org/
生体内の反応を記述するためのXMLフォーマット
Latest: Ver. 2.4
定義: XML Schema
Copyright 2010 Masao Nagasaki
Cell Markup Language (CellML)
•
•
•
•
URL: http://www.cellml.org/
Developer: University of Auckland (NZ)
Latest: Ver1.1
文書定義: DTD
Copyright 2010 Masao Nagasaki
Cell System Markup Language
(CSML)
• URL: http://www.csml.org/
• Developer: Institute of Medical Science, the University of
Tokyo (UT)
• Latest: Ver. 3.0
• 文書定義: Relax NG
Copyright 2010 Masao Nagasaki
BioPAX
• URL: http://www.biopax.org/
• Developer: Prof. Chris Sanderらによって推進。BioPAX is
community project with open participation.
• Ontologyを表現するためのXML形式の言語(OWL)でフォー
マットを定義
Copyright 2010 Masao Nagasaki
BioPAX
• The goal
– the integration of diverse pathway resources by defining an open file
format specification for the exchange of biological pathway data
• BioPAX level 1 for representation of metabolic pathways
• BioPAX level 2 for representation of molecular interactions
– molecular binding interactions
• sequence features: a phosphorylation site or other post-translational
modification
– protein post-translational modifications,
– basic experimental descriptions,
• evidence: detailed descriptions of experiments
– hierarchical pathways
• the pathway class to allow participation of pathways as well as interactions.
– now, include PSI-MI Level 2 format for better support of signal
transduction and molecular states
• For future level, coverage for additional types of pathway data, such
as signal transduction pathways and genetic regulatory networks
Copyright 2010 Masao Nagasaki
BioPAX Roadmap
Cited from: http://www.biopax.org/Docs/BioPAX_Roadmap.html
Copyright 2010 Masao Nagasaki
Pathway Database
-Simulatable Pathway-
Copyright 2010 Masao Nagasaki
BioModels
• -URL: http://www.ebi.ac.uk/biomodels/
• Developer: EMBL-EBI & SBML Team Launched at 4/2005.
• ダイナミックパスウェイデータベースを共有するためのウェブサイト
• SBMLフォーマットのXMLファイルを保存
-登録数は335個(Apr/2009現在）
Copyright 2010 Masao Nagasaki
CellML Repository
•
•
•
URL: http://www.cellml.org/examples/repository/index.html
Developer: Bioenginnering Instiutute, The University of Auckland
380程度のシミュレーション可能なパスウェイが登録されている。
Copyright 2010 Masao Nagasaki
CSML Repository
•
•
•
URL: http://www.csml.org/models/csml-models/
Developer: Institute of Medical Science, the University of Tokyo
他形式からの変換モデルも含め300程度のシミュレーション可能なパスウェイを登録。
Copyright 2010 Masao Nagasaki
DNA情報解析分野でやってること
Copyright 2010 Masao Nagasaki
DNA情報解析分野でやってること
- システム生物学のアプローチ • （１）生物実験ででてきた大量のデータを情報科学、統計
学の知識を用いて解析し、生物をより高度に理解するこ
と。さらに、（２）生物をシステムとして理解するためのインフ
ラの整備とその上での研究を行うこと。
ー（１）網羅的な遺伝子セットの発現プロファイルを解析し、遺伝
子制御ネットワークを推定する。
ー（２）大量の生物文献情報と生物実験データをもとに遺伝子
制御ネットワークを再構成しインシリコ上でリモデリングし解
析する。（長崎:←私）
Copyright 2010 Masao Nagasaki
あともう１つやっていること
Copyright 2010 Masao Nagasaki
医科研ヒトゲノム解析センターのスパコンを
使まくること….
落とすこと（主に学生）
Copyright 2010 Masao Nagasaki
東京大学医科学研
究所ヒトゲノム解析
センタースーパーコ
ンピュータシステム
Super-computer system in HGC
http://www.hgc.jp/japanese/
User
SunGridEngine
Sun Blade X6250 × 800 位 (分散メモリ型サーバ)
Sun Fire X4440 × 少し (分散メモリ型サーバ)
SGI Altix 4700 (共有メモリ型サーバ)
高速・大容量ディスクアレイ装置 【1PBytes】
Copyright 2010 Masao Nagasaki
DNA情報解析分野でやってること
- システム生物学のアプローチ • （１）生物実験ででてきた大量のデータを情報科学、統計
学の知識を用いて解析し、生物をより高度に理解するこ
と。さらに、（２）生物をシステムとして理解するためのインフ
ラの整備とその上での研究を行うこと。
ー（１）網羅的な遺伝子セットの発現プロファイルを解析し、遺伝
子制御ネットワークを推定する。（井元）
ー（２）大量の生物文献情報と生物実験データをもとに遺伝子
制御ネットワークを再構成しインシリコ上でリモデリングし解
析する。（長崎:←私）
Copyright 2010 Masao Nagasaki
生体内モデル化と
シミュレーションソフトウェアの開発
• URL: http://cionline.hgc.jp/ http://www.cellillustartor.com/
• Architecture: ハイブリッド(HFPNe)、ＧＵＩあり（高）
(特徴)
• Petri ｎｅｔというアーキテクチャを独自拡張。簡単に使える。
(History)
• 1999年から本研究室（東京大学）と松野研究室（山口大学）で開発ス
タート
• 2002年4月 Genomic Object Net 1.0 リリース （本研究室で開発継続）
• 2003年8月 Cell Illustrator 1.0 リリース(GNIから商用化)
• 2004年9月 Cell Illustrator 1.5 リリース
• 2005年2月 Cell Illustrator 1.6 リリース
• 2005年8月 Cell Illustrator 2.0 リリース
• 2007年3月 Cell Illustrator 3.0 リリース
• 2008年3月 Cell Illustrator Online 4.0 リリース
（和光純薬、BIOBASE(ドイツ、EU,インド）などの販売代理店）
Copyright 2010 Masao Nagasaki
セルイラストレータで作成した
パスウェイモデル（１）
1. Gene regulatory
mechanism in l phage
2. Pathway of Fas induced
apotosis
4. Regulation mechanism of
lac operon
•遺伝子制御ネット
遺伝子制御ネットワーク
シグナル伝達経路
3. Pathway of lateral
regulation by Notch-Delta
遺伝子制御ネットワーク
Copyright 2010 Masao Nagasaki
細胞間ネットワーク
ワーク＋代謝経路
5. Hem metabolic pathway
代謝経路
セルイラストレータで作成した
パスウェイモデル（２）
6. CDK related pathway of
p53
•シグナル伝達経
路
9. ARF Stabilization
pathway of p53
シグナル伝達経路
Copyright 2010 Masao Nagasaki
7. Circadian Clock in
Drosophila
シグナル伝達経路＋遺
伝子制御ネットワーク
10. EGFR Signal pathway
シグナル伝達経路
8. Circadian clock in Mouse
シグナル伝達経路＋遺
伝子制御ネットワーク
•11.
Micro RNA
microRNAの制御
ネットワーク
セルイラストレータ関連の文献
Li C*, Nagasaki M*, Saito A and Miyano S, Time-dependent structural transformation analysis to high-level Petri net model with active state transition diagram, BMC Syst Biol., 4:39, 2010 Apr. (*Equal contributor).
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ペトリネットとは
• ペトリ皿とは関係ありません。
• ドイツのC.A.Ｐｅｔｒｉによって提案(1962)
(特徴)
- 並行的、非同期的、分散的、非決定的、確率的な動
作のモデル化に適した言語。
- 可視化を前提とした言語。
- システムの並列的でダイナミックな事象をシミュレー
ト可能。
- 数学モデルをたてることが可能でありモデルの解析
が可能。
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• ダイナミックモデルを作成すると有利な点。
• In vitro, In vivoでの系では時間的なコストがかかり
過ぎる
• In vitro, In vivoでは金額的なコストがかかり過ぎる
• さまざまな仮説をたてて、その仮説が正しいかを時
系列変化を追うことで検証できる（in vitro,in vito実
験の前準備）
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In Silico によるモデルが役に立つ例
事例１
p53
A. Doi, H. Matsuno, M. Nagasaki, S. Miyano, Simulation
Based Validation of p53 Transcriptional Activity with Hybrid
Functional Petri Net, In Silico Biology, 2006; 6(1-2): 0001.
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p53 遺伝子
•
•
•
•
腫瘍抑制遺伝子。(tumor suppressor gene)
細胞周期の停止または、アポトーシスを誘導するこ
とで腫瘍の形成を抑制。
p53タンパクは、MDM2タンパクの働きによりユビキ
チン化されたのち、プロテアソームで分解される。
（MDM2はp53を抑制する。）
p19ARFタンパクによってp53タンパクは安定化する
（p19ARFはMDM2の働きを抑制する。）
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他のパスウェイ表現
KEGG データベース
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Kohnによるマップ
(Kohn, 1999.)
本当にこれだけの情報しか論文に書かれてい
ないのか？
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文献に記述された生物学的な事実
1
2
3
4
5
...
biological phenomena on the literature
(obtained by experiments)
#1
#2
p53(N) is bound to MDM2(N), forming
complex p53_MDM2(N).
T1
m1*m2*0.01
binding
[3, 7]
MDM2(N) is bound to p19ARF(N),
forming complex MDM2_p19ARF.
T2
m2*m4*0.01
binding
[3, 5, 7]
T3
m4*m5*0.01
binding
[3, 7]
T4
m1*m6*0.01
binding
[3, 7]
T5
1
transcription
-
p53_MDM2(N) is bound to p19ARF(N),
forming complex
p53_MDM2(N)_p19ARF.
MDM2_p19ARF is bound to p53(N),
forming complex
p53_MDM2(N)_p19ARF.
Transcription of injected gene p53,
producing p53 mRNA.
type of biological
literature
process
...以下省略（計21個）
#1トランジションの番号
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#2トランジションの速度
生物文献の情報（7本）を元にペトリネット（HFPN）を用いて21個
の制御関係を追加することで作成したパスウェイ
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実を言うとパスウェイのモデル化に使える情報
は沢山含まれている！
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２つの仮説
問題）MDM2を間にp53とp19ARFが結合し
た三量体が存在する場合、これは転写活性
を持つのか？
p53_MDM2_p19ARF
?
仮説 a) 複合体(p53_MDM2_p19ARF)が転写活性を持たない。
仮説 b) 複合体(p53_MDM2_p19ARF)が転写活性を持つ。
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仮説 a) 複合体(p53_MDM2_p19ARF)が転写活性
を持たない。
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仮説 b) 複合体(p53_MDM2_p19ARF)が転写活性
を持つ。
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In Silico
In Vitro
Pomerantz et al., 1998.
In Vitroの実験からし
て、仮説bのモデル
が正しそうだ。
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仮説 a)
仮説 b)
事例１のまとめ
•
•
•
文献から確認できる21の生物学的な事実をもと
にシミュレーション可能なパスウェイを作成。
作成したパスウェイをシミュレーションすることで、
p53とMDM2とp19ARFタンパクから形成される
三量体の転写活性のあるなしにおいてどちらが
妥当であるかを議論。
Pomerantz et al., 1998. の実験結果をすべて満
たすのは、仮説 b) の場合である。つまり、複合
体p53_MDM2_p19ARFは転写活性を持つこと
が示唆。
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In Silico によるモデルが役に立つ例
事例2
概日リズム
Hiroshi Matsuno, Shin-Ichi T. Inouye, Yasuki Okitsu, Yasushi
Fujii, Satoru Miyano, A new regulatory interactions suggested
by simulations for circadian genetic control mechanism in
mammals, APBC, 171-180, Imperial College Press (2005)
Copyright 2010 Masao Nagasaki
マウス概日リズム遺伝子制御機構
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マウス概日リズム遺伝子制御機構のIn Silicoモデル
Cryをノックアウトすると．．．
Bmal1mRNAのピークはPermRNAの
ピークの間に来て欲しい
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Bmal1mRNAは振動しないで欲しい
一方、ショウジョウバエでは？
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ショウジョウバエ概日リズム遺伝子制御機構
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ショウジョウバエ概日リズム遺伝子制御機構（In
Silicoモデル)
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同じ制御関係を仮定するとどうなるか？
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マウス概日リズム遺伝子制御機構
※PER/CRYがPER/TIMに該当
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「PER/CRY→Bmal1」があると予想される
Cryをノックアウトすると．．．
Bmal1mRNAのピークがPermRNAの
ピークのほぼ中間に位置
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Bmal1mRNAの振動が止まった
実際には
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(In Vivo/Vitro)
Sato, T.K., et al., A functional genomics strategy reveals Rora as a
component of the mammalian circadian clock, Neuron, 43, pp.527-537,
2004.
(In Silico)
Hiroshi Matsuno, Shin-Ichi T. Inouye, Yasuki Okitsu, Yasushi Fujii, Satoru
Miyano, A new regulatory interactions suggested by simulations for
circadian genetic control mechanism in mammals, APBC, 171-180,
Imperial College Press January 2005.
(In Vivo/Vitro)
Akashi, M., Takumi, T., The orphan nuclear receptor RORα regulates
circadian transcription of the mammalian core-clock Bmal1, Nature
Structural Molecular Biology, Published online: 10 April 2005,
http://www.nature.com/nsmb/journal /vaop/ncurrent/abs/nsmb925.html.
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まとめ（事例2）
• ゲノムのシーケンスのホモロジーサーチのよ
うに、シミュレーションモデルでも他の生物で
知られている制御関係を流用して、対象とす
る生物のunknownな制御関係を推定するこ
とが可能。
•
今回、モデルの妥当性はシミュレーションによるIn
Silico解析を用いることで議論。
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http://cionline.hgc.jp/
これらの事例はどちらも
Cell Illustratorを用いて
モデル化と解析
実際にどのようにしてモ
デル化を行うのかを次
からデモンストレーショ
ン
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デモ
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データ同化
いい塩梅に観測データに対して適切そうなパラメータ
推定をしたりよりよいモデルを提案してくれる枠組み
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今日の話の内容は
書籍 「システム生物学がわかる！ セルイラストレー
タを使ってみよう」
土井・長崎・斎藤・宮野編 共立出版
2007年７月発売
書籍「Foundations of Systems Biology」 Using Cell
Illustrator and Pathway Databases」
Masao Nagasaki, Ayumu Saito, Atsushi Doi,
Hiroshi Matsuno, Satoru Miyano
2009年5月発売
東京大学医科学研究所 総合研究棟８F
DNA情報解析分野 助教
長崎 [email protected]
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もっと知りたい人は
• 2010年7月 Webサービス利用講習会(ヒトゲ
ノム解析センター)
1時間程度のセルイラストレータの概要の講習会
• 2011年1月 GCOE演習 計算システム生物学
演習(ヒトゲノム解析センター)
半日の実戦形式でのセルイラストレータの利用
方法の講習会
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おしまい
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• Modeling and Simulation with Hybrid Functional Petri Nets of the
Role of Interleukin-6 in Human Early Haematopoiesis, Troncale et
al., Pac. Symp. Biocompt., (2006).
• Sato Y, Hashiguchi Y, Nishida M. Evolution of multiple
phosphodiesterase isoforms in stickleback involved in cAMP signal
transduction pathway. BMC Systems Biology 2009; 3:23
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