JP2007207113A - 系統樹表示システム - Google Patents

Abstract

【課題】遺伝子又はタンパク質の配列類似度と機能を一つの系統樹上で視覚的に把握することができる系統樹表示システムを提供することにある。
【解決手段】本発明によると、遺伝子又はタンパク質の配列類似度と機能を同時に表示する系統樹を作成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、塩基配列及びアミノ酸配列の配列類似度を視覚的に表示する系統樹表示システムに関する。

近年、コンピュータの性能向上が著しく、あらゆる産業で大きな恩恵を受けている。バイオテクノロジーの分野では、シーケンサ技術における貢献が著しい。シーケンサ技術とは、ヒト及びマウスなどあらゆる生物のゲノム配列の情報を、コンピュータを使って解読する技術のことである。コンピュータを使ったシーケンサ技術の代表的なプロジェクトとして、ヒトゲノム計画が挙げられる。ヒトゲノム計画は１９８６年にアメリカで提案され、日本も１９９１年から東大及び理化学研究所等が参加した。開始当初ヒトゲノム計画の完了は２００５年を予定していたが、高速シーケンサの開発によって２００３年に解読完了の宣言がされた。その後、高速シーケンサによって、マウスゲノム及びイネゲノムなどについて塩基配列の情報が解読されている。

このようにして得られた膨大な量の塩基配列及び塩基配列を翻訳して得られるアミノ酸配列の情報から、新たな知見を発見するためには、配列情報の整理が必須である。例えば、タンパク質の立体構造を予測するためには、予め立体構造既知のタンパク質のアミノ酸配列をデータベース化しておき、そのデータベースからホモロジー検索を行い、配列相同性の高いタンパク質の立体構造を基にモデリングを行っている。また、配列情報の整理を行う際、膨大な量の配列類似度を計算し、その結果を視覚的に系統樹表示する手法もある。これは、配列類似性の高いグループごとに重要な塩基及びアミノ酸を見出す際に有効である。

例えば、特許文献１には、系統樹表示を実現する技術が記載されている。これは、系統樹表示の結果を見易く且つ比較し易くすることを目的としている。特許文献１に記載された例では、類似度行列から最大の類似度の２つの配列を新たな１つの配列にした系統樹情報を生成し、この系統樹情報をもとに各ノードの最大類似度を求め、この最大類似度の順に系統樹を生成し、類似度が徐々に増加するように揃えて配置する。

さらにコンピュータの解析技術は、遺伝子及びタンパク質の配列解析に限らず、遺伝子及びタンパク質の機能解明に関する研究にも大きく寄与している。例えば、生体分子間相互作用解析装置は、タンパク質間の結合力、化合物とタンパク質との結合力、遺伝子とタンパク質との結合力を定量的に測定することができる。生体分子間相互作用による結合力は結合定数として求めることが出来る。このように、解析装置の発展によって遺伝子及びタンパク質の機能に関する情報が定量的に扱えるようになってきた。

特開平9-44523号公報

ヒト及びマウスなど生物の生命情報に関する情報は主に、（１）配列、（２）構造、（３）機能の３つがある。一般に、（１）配列とは、遺伝子の塩基配列及びタンパク質のアミノ酸配列を指す。（２）構造とは、アミノ酸配列から作られるタンパク質の立体構造を指す。（３）機能とは、タンパク質とタンパク質の結合、タンパク質とＤＮＡの結合、タンパク質と化合物の結合を指す。

ある遺伝子が存在する場合、遺伝子の塩基配列からmRNAを経てアミノ酸配列に翻訳される。アミノ酸配列の並びに応じて、立体構造が決定され、タンパク質の立体構造の違いはタンパク質特有の機能に反映される。このように配列、構造、及び、機能は密接に関連しており、網羅的に研究することが望ましい。

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、塩基配列及びアミノ酸配列の配列を基に配列類似度を計算し系統樹表示する。この場合、（１）遺伝子の塩基配列及びタンパク質のアミノ酸配列の情報を平面上の系統樹で表示することによって配列情報を整理し配列類似性の高いグループごとで重要な塩基及びアミノ酸をユーザに提供できる。しかしながら、（２）タンパク質の立体構造及び（３）遺伝子及びタンパク質の機能に関する情報は系統樹画面には含まれていない。

このため、系統樹表示の結果から機能を直接検討することができない。そのため、遺伝子、タンパク質あるいは配列類似性の高い配列グループの機能を実験ノート及び文献中から確認していく作業が必要であり、非常に手間がかかっていた。

本発明の目的は、遺伝子又はタンパク質の配列類似度と機能を一つの系統樹上で視覚的に把握することができる系統樹表示システムを提供することにある。

本発明によると、遺伝子又はタンパク質の配列類似度と機能を同時に表示する系統樹を作成する。

本発明によると、遺伝子又はタンパク質の配列類似度と機能を一つの系統樹上で視覚的に把握することができる。

以下、本発明の一実施形態について図面により詳しく説明する。本例の系統樹表示システムは、系統樹作成サーバ１０とクライアント端末２０を有し、両者は通信ネットワーク３０経由で接続されている。即ち、クライアントサーバ型のシステムである。

クライアント端末２０は、制御部２１、配列類似度及び機能に関するデータの入力処理を行う配列類似度及び機能データ入力処理部２２、名称及び配列の入力処理を行う名称及び配列入力処理部２３、機能付き系統樹を表示処理する機能付き系統樹表示処理部２４、入力部２５、及び、表示部２６を有する。

系統樹作成サーバ１０は、制御部１１、認証部１２、配列類似度を計算する配列類似度計算部１３、機能付き系統樹ファイルを作成する機能付き系統樹ファイル作成部１４、配列類似度及び機能を格納する配列類似度及び機能データベース１５、及び、機能付き系統樹ファイルを格納する系統樹ファイルデータベース１６を有する。

本例の系統樹表示システムによると、クライアント端末２０から、既知の遺伝子又はタンパク質の名称が入力された場合には、入力された遺伝子又はタンパク質の機能が強調表示された機能付き系統樹を作成し、表示する。

強調表示の方法には、その名称を太字、斜体、色彩が異なる文字等によって表わす方法がある。機能の表示方法には、系統を表わす水平な線に対して垂直な線を描き、その垂直な線の長さが機能の強さに比例するように描く。それによって平面的な系統樹に対して、立体的な機能表示が得られる。

クライアント端末２０から、機能が未知の配列が入力された場合には、入力された配列の配列類似度を表わす機能付き系統樹を作成し、それを表示する。従って、入力された配列の配列類似度から、その配列の機能を推定することができる。

本例の系統樹表示システムによると、配列類似度のみを表示する既存の系統樹表示システムとは異なり、配列類似度に機能を加えて系統樹表示するから、配列類似度と機能を視覚的に把握することができる。

図２を参照して、配列類似度及び機能データベース１５のデータの作成方法を説明する。ステップＳ１０１にて、クライアント端末２０のWebブラウザ(図示しない)は、表示部２６に配列類似度及び機能の入力画面を表示する。図４は、配列類似度及び機能の入力画面の例を示す。クライアントは入力部２５を介して配列類似度及び機能を入力する。ステップＳ１０２にて、クライアント端末２０の配列類似度及び機能データ入力処理部２２は、配列類似度及び機能を、系統樹作成サーバ１０に送信する。ステップＳ１０３にて、系統樹作成サーバ１０の認証部１２は、ユーザＩＤとパスワードを確認する。ステップＳ１０４にて、系統樹作成サーバ１０の制御部１１は、クライアント端末２０からの配列類似度及び機能を配列類似度及び機能データベース１５に格納する。

図３を参照して、機能付き系統樹ファイルを作成しそれを系統樹データベースに格納する方法を説明する。ステップＳ２０１にて、クライアント端末２０のWebブラウザは、表示部２６に名称及び配列の入力画面を表示する。図５は、名称及び配列の入力画面の例を示す。クライアントは、入力部２５を介して名称及び配列を入力する。既知の遺伝子又はタンパク質の機能が強調表示された機能付き系統樹ファイルを作成する場合には、既知の遺伝子又はタンパク質の名称を入力する。機能が未知の配列について機能付き系統樹ファイルを作成する場合には、塩基配列又はアミノ酸配列を入力する。

ステップＳ２０２にて、クライアント端末２０の名称及び配列入力処理部２３は名称及び配列を、系統樹作成サーバ１０に送信する。ステップＳ２０３にて、系統樹作成サーバ１０の認証部１２は、ユーザＩＤとパスワードを確認する。ステップＳ２０４にて、系統樹作成サーバ１０の制御部１１は、クライアント端末２０から送信された名称及び配列と同一の名称及び配列を配列類似度及び機能データベース１５から検索する。ステップＳ２０５にて、同一の名称及び配列が存在するか否かを判定する。同一の名称及び配列が存在しない場合には、ステップＳ２０１に戻る。同一の名称及び配列が存在する場合には、ステップＳ２０６に進む。ステップＳ２０６にて、系統樹作成サーバ１０の配列類似度計算部１３は、配列類似度を計算する。クライアント端末２０から名称が送信された場合には、配列類似度及び機能データベース１５から読み出した配列間の配列類似度を計算する。クライアント端末２０から配列が送信された場合には、その配列と配列類似度及び機能データベース１５から読み出した配列の間の配列類似度を計算する。配列類似度として、例えば、配列間距離の計算する。

ステップＳ２０７にて、系統樹ファイル作成部１４は、計算した配列類似度に基づいて系統樹ファイルを作成し、それに配列類似度及び機能データベース１５から読み出した機能を付加して、機能付き系統樹ファイルを作成する。ステップＳ２０１にて、クライアントが名称を入力した場合には、その名称の機能が強調表示された機能付き系統樹が作成される。ステップＳ２０１にて、クライアントが、機能が未知の配列を入力した場合には、その配列と同一の配列が配列類似度及び機能データベース１５に存在してもその配列の機能は、通常、配列類似度及び機能データベース１５に存在しない。従って、作成された機能付き系統樹では、その配列の機能は表示されない。

ステップＳ２０８にて、制御部１１は、機能付き系統樹ファイルを系統樹ファイルデータベース１６に格納する。

図４は、クライアントが配列類似度及び機能を配列類似度及び機能データベース１５に登録するための入力画面の例を示す。図２のステップＳ１０１の処理においてこの入力画面が用いられる。入力画面４０１は、系統樹作成サーバ１０からクライアント端末２０に送信され、クライアント端末２０のWebブラウザによって表示される。入力画面４０１は、登録切替ボタン４０２、系統樹切替ボタン４０３、ファイル読み込みボタン４０４、登録ボタン４０５、クリアボタン４０６、及び、６つのデータ入力フィールド４０７〜４１２を有する。

登録切替ボタン４０２は、配列類似度及び機能を登録するための入力画面４０１を表示するためのボタンである。図示の状態では、登録切替ボタン４０２がクリックされており、図４には入力画面４０１が表示されている。系統樹切替ボタン４０３は、入力画面を切り換えるためのボタンである。系統樹切替ボタン４０３をクリックすると図５に示す入力画面が表示される。

ファイル読み込みボタン４０４は、配列類似度及び機能データベース１５から配列類似度及び機能を取得するためのボタンである。登録ボタン４０５は、配列類似度及び機能を、配列類似度及び機能デーベース１５に登録する際に使用する。クリアボタン４０６は、表示しているデータを一括して消去することができる。

データ入力フィールドの第１列４０７は、各行を識別するＩＤを入力するフィールドである。ＩＤは通し番号である。第２列４０８は、各行の識別する名称を入力するフィールドである。名称は、各行を表わす遺伝子又はタンパク質の識別子である。第３列４０９は、塩基配列及びアミノ酸配列の配列類似度を入力するフィールドである。第４列４１０は、機能である結合力を入力するフィールドである。結合力は、実験で得た値及び文献中に記載された値を用いる。ここでは機能として結合力を用いるが、RT-PCR（Reverse Transcriptase-Polymerase Chain Reaction）を用いた実験結果であるｍＲＮＡの発現量を機能として用いてもよい。

第５列４１１は登録名を入力するフィールドである。例えば、配列類似度及び結合力などのデータを入力したユーザ名を入力する。第６列４１１は、配列類似度及び結合力などのデータを入力した年月日を入力するフィールドである。尚、ログインする際に使用したユーザＩＤとログイン時間を予め記憶しておき、クライアントが配列類似度及び機能を登録する際、自動的にユーザ名と年月日を入力することで、第５列４１０と第６列４１１の入力作業を省くことができる。

図５は、クライアントが機能付き系統樹ファイルを作成するときに用いる入力画面の例を示す。図３のステップＳ２０１の処理においてこの入力画面が用いられる。入力画面５０１は、系統樹作成サーバ１０からクライアント端末２０に送信され、クライアント端末２０のWebブラウザによって表示される。入力画面５０１は、登録切替ボタン５０２、系統樹切替ボタン５０３、実行ボタン５０４、クリアボタン５０５、名称入力欄５０６、及び、配列入力欄５０７を有する。登録切替ボタン５０２及び系統樹切替ボタン５０３の機能は、図４の入力画面４０１の登録切替ボタン４０２、系統樹切替ボタン４０３の機能と同一である。

名称入力欄５０６は、機能付き系統樹において強調表示する対象である遺伝子又はタンパク質を特定する名称を入力するフィールドである。ここに入力する名称の例は、図４の第２列４０８の名称の欄に記載されている。配列入力欄５０７は、機能が未知の配列を含む機能付き系統樹ファイルを作成するとき、機能が未知の配列である塩基配列又はアミノ酸配列を入力するフィールドである。機能が未知であっても、その配列の名称が既知である場合には、その名称も入力する。実行ボタン５０４は機能付き系統樹ファイルを作成するためのボタンであり、クリアボタン５０５は入力した名称入力欄５０６及び配列入力欄５０７の内容を一括で消去するためのボタンである。

図６は、ＸＭＬ形式の系統樹ファイルの例である。尚、他の形式のファイルであってもよい。図６（a）の系統樹ファイル６０１は、図５の入力画面５０１の配列入力欄５０７に、機能が未知の配列の名称Ｅ５を入力した場合の例である。タグ名をtagとしtagの属性として、名称を示すname属性、配列類似度を示すdistance、tagのテキスト中に、結合力の値を持っている。名称Ｅ５の機能が未知であるため、機能として結合力を示す<tag>のテキスト中には、nullが表示されている。

図６（b）の系統樹ファイル６０２は、図５の入力画面５０１の名称入力欄５０６に名称Ａ１を入力し、配列入力欄５０７に、名称Ｅ５を入力した場合の例である。名称入力欄５０６に入力した名称が配列類似度及び機能データベース１５に存在しているか否かは、系統樹ファイル６０２のtagの属性値flgで判断する。入力した名称が配列類似度及び機能データベース１５に含まれている場合にはflgの値を１とし、含まれていない場合にはflgの値を0とする。本例では、名称検索欄５０６に入力した名称Ａ１は配列類似度及び機能データベース１５に含まれているため、tagの属性flgが”１”となっている。

図７は、系統樹ファイルを画面に表示した例を示す。図７(a)は、図６（a）の系統樹ファイル６０１の系統樹を表示した画面である。この系統樹は、配列類似度、即ち、配列間の距離のみを表わし、機能を表示しない。このように、平面的な系統樹は配列類似性の高い各グループで重要な塩基及びアミノ酸を見出す際に有効であるが、機能に関する情報が含まれていないため、機能未知の塩基配列及びアミノ酸配列の機能を推定するには向いていない。このような系統樹を用いて機能を推定するにはグループごとあるいは、配列ごとに機能を推定する作業が必要となる。

図７(b)は、図６（b）の系統樹ファイル６０２の系統樹を表示した例である。この系統樹は、配列類似度と機能を表示する。平面上の系統樹に、機能として結合力が高さとして表示されている。こうして、機能を立体表示することによって、配列類似度と機能を一つの系統樹で表示することとができる。結合力の強い遺伝子及びタンパク質ほど高さが高くなる。

本例は、図５の入力画面５０１の名称入力欄５０６に名称Ａ１を入力し、配列入力欄５０７に、名称Ｅ５を入力した場合である。名称Ａ１が配列類似度及び機能データベース１５に存在する場合、系統樹表示画面７０２では、名称Ａ１が太字で表示される。

本例によると、配列類似度と機能が立体的に表示されるから、視覚的に把握することが容易である。そこで、機能未知の配列の機能を推定することができる。例えば、配列類似度を計算した結果、機能未知の名称Ｅ５は、名称Ａ１と名称Ｂ２のグループより名称Ｃ３と名称Ｄ４のグループとの配列類似度が高い。配列類似度と機能類似性との関係は例外があるものの一般的に相関関係を示すことが多い。従って、名称Ｅ５の機能は、名称Ｃ３と名称Ｄ４のグループの機能に近いことが推定することができる。

図８は、クライアント端末２０と系統樹作成サーバ１０の間の動作形態の推移を示す図である。クライアントは、先ず、Webブラウザ上でユーザＩＤとパスワードを入力し、ログインする。系統樹作成サーバ１０はユーザＩＤとパスワードを確認し、ログインの結果をWebブラウザ上に表示する。次に、クライアントは、配列類似度及び機能データの作成を行うか、機能付き系統樹ファイルを作成するために名称又は配列の入力を行うかを選択する。

配列類似度及び機能データを作成する場合には、クライアント端末２０から系統樹作成サーバ１０へ、配列類似度及び機能を送信する。系統樹作成サーバ１０は、配列類似度及び機能を配列類似度及び機能データベース１５に格納する。

機能付き系統樹ファイルを作成する場合には、クライアント端末２０から系統樹作成サーバ１０へ、名称及び配列を送信する。系統樹作成サーバ１０は、配列類似度及び機能データベース１６を検索し、同一の名称及び配列を読み出す。配列間の配列類似度を計算し、機能付き系統樹ファイルを作成し、それを系統樹ファイルデータベース１６に格納する。

クライアント端末２０は、系統樹ファイルデータベース１６に格納された機能付き系統樹ファイルをWebサーバから取得し、系統樹ファイルを解析し、系統樹を画面に表示する。

図９を参照して、機能付き系統樹の表示方法を説明する。ステップＳ３０１にて、クライアントは入力部２５を介して、系統樹ファイル名を入力する。ステップＳ３０２にて、クライアント端末２０は、系統樹ファイル名を、系統樹作成サーバ１０に送信する。ステップＳ３０３にて、系統樹作成サーバ１０の認証部１２は、ユーザＩＤとパスワードを確認する。ステップＳ３０４にて、系統樹作成サーバ１０の制御部１１は、系統樹ファイルデータベース１６から機能付き系統樹ファイルを読み出し、それをクライアント端末２０に送信する。ステップＳ３０５にて、機能付き系統樹表示処理部２４は機能付き系統樹の画像データを作成する。ステップＳ３０６にて、機能付き系統樹の画像を表示部２６に表示する。

以上、本発明の例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に容易に理解されよう。

本発明による系統樹表示システムの全体の構成を示す図である。 配列類似度及び機能を配列類似度及び機能データベースに格納する処理を示す図である。 機能付き系統樹ファイルを作成し、それを系統樹ファイルデータベースに格納する処理を示す図である。 配列類似度及び機能データを登録するための入力画面の例を示す図である。 名称及び配列を入力するための入力画面の例を示す図である。 ＸＭＬ形式の系統樹ファイルの例を示す画面を示す図である。 機能付き系統樹を表示する画面を示す図である。 動作形態の遷移を示す図である。 機能付き系統樹を表示する処理を示す図である。

符号の説明

１０…系統樹作成サーバ、１１…制御部、１２…認証部、１３…配列類似度計算部、１４…機能付き系統樹ファイル作成部、１５…配列類似度及び機能データベース、１６…系統樹ファイルデータベース、２０…クライアント端末、２２…配列類似度及び機能データ入力処理部、２３…名称及び配列入力処理部、２４…機能付き系統樹表示処理部、２５…入力部、２６…表示部、３０…通信ネットワーク

Claims (2)

1. 塩基配列及びアミノ酸配列の配列類似度と機能を格納したデータベースと、
   配列類似度を計算する配列類似度計算部と、
   配列類似度と機能を表わす系統樹ファイルを作成する系統樹ファイル作成部と、
   上記系統樹ファイルを入力して系統樹を表示する表示部と、
   を有し、
   上記系統樹作成部は、遺伝子又はタンパク質名と塩基配列又はアミノ酸配列が入力されたとき、上記遺伝子又はタンパク質名と上記塩基配列又はアミノ酸配列と同一物を上記データベースから検索し、上記配列類似度計算部によって計算された配列類似度と上記データベースから得られた機能を同時に表示する系統樹を作成することを特徴とする系統樹表示システム。
2. 入力装置を介して遺伝子又はタンパク質名と塩基配列又はアミノ酸配列を入力することと、
   上記遺伝子又はタンパク質名と上記塩基配列又はアミノ酸配列と同一物をデータベースから検索すること、
   配列間の類似度を計算することと、
   上記計算結果に基づいて系統樹を作成することと、
   該系統樹にて上記遺伝子又はタンパク質の機能を表示することと、
   上記遺伝子又はタンパク質名を強調して表示することと、
   を含む系統樹表示方法をコンピュータに実行させるためのコンピュータに読み取り可能なプログラム。

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