CellMontage

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