[論文レビュー] Pathway Tools version 28.0: Integrated Software for Pathway/Genome Informatics and Systems Biology

Peter D. Karp, Suzanne Paley+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2015

Microbial Metabolic Engineering and Bioproduction被引用数 75

ひとこと要約

Pathway Tools バージョン 28.0 は、ゲノム、代謝、および制御データを統合する、生物種特異的な経路/ゲノムデータベース（PGDB）の構築、分析、可視化を目的とした包括的なバイオインフォマティクスプラットフォームです。自動代謝ネットワーク再構築、MetaFlux を用いた定量的フラックスモデリング、インタラクティブなキュレート、ウェブ公開、可視化ツールおよび豊富な分析を通じたマルチオミクスデータ統合を可能にします。

ABSTRACT

Pathway Tools is a bioinformatics software environment with a broad set of capabilities. The software provides genome-informatics tools such as a genome browser, sequence alignments, a genome-variant analyzer, and comparative-genomics operations. It offers metabolic-informatics tools, such as metabolic reconstruction, quantitative metabolic modeling, prediction of reaction atom mappings, and metabolic route search. Pathway Tools also provides regulatory-informatics tools, such as the ability to represent and visualize a wide range of regulatory interactions. The software creates and manages a type of organism-specific database called a Pathway/Genome Database (PGDB), which the software enables database curators to interactively edit. It supports web publishing of PGDBs and provides a large number of query, visualization, and omics-data analysis tools. Scientists around the world have created more than 45,000 PGDBs by using Pathway Tools, many of which are curated databases for important model organisms. Those PGDBs can be exchanged using a peer-to-peer database-sharing system called the PGDB Registry.

研究の動機と目的

• ゲノム、代謝、制御を統合した包括的で生物種特異的なデータベースの作成と管理を可能にする統一されたソフトウェア環境を提供すること。
• ゲノムアノテーションから自動的に代謝ネットワーク、オペロン、経路の穴埋め要因を推論できるようにすること。
• フラックスバランス分析およびギャップフィリング技術を用いて、定量的代謝モデルの構築を支援すること。
• オミクスデータ、制御ネットワーク、代謝マップのためのインタラクティブでウェブアクセス可能な可視化および分析ツールを提供すること。
• PGDB レジストリおよび標準化されたデータベース公開を通じて、比較ゲノム解析とデータ共有を促進すること。

提案手法

• ゲノム配列のアノテーションから、遺伝子、タンパク質、反応、予測経路を含む PGDB を自動生成する PathoLogic コンponent を使用する。
• PGDB のクエリ、可視化、インタラクティブ編集（オミクスデータを代謝および制御ネットワークにペイントする機能を含む）を、デスクトップおよびウェブベースで行う Pathway/Genome Navigator を使用する。
• 定常状態の代謝フラックスモデリングに MetaFlux を適用し、遺伝子および反応ノックアウトのシミュレーション、不完全な経路の自動ギャップフィリングを実行する。
• 豊富なオントロジーとデータベース API を統合し、PGDB 内容を対象とした複雑なクエリ、記号的計算、データマイニングを可能にする。
• PGDB のウェブ公開をサポートし、PGDB レジストリを通じたピアツーピア共有を可能にし、共同キュレートと再利用を促進する。
• 共通のデータ構造と可視化フレームワークを用いて、複数の PGDB 間での比較分析を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ソフトウェアプラットフォームは、ゲノム、代謝、制御データを統合し、1 つの照会可能で分析可能な生物種特異的データベースとして統合する方法は何か？
• RQ2 ゲノムアノテーションから代謝経路、オペロン、輸送反応を正確に推論するための計算手法は何か？
• RQ3 自動ギャップフィリングおよびゲノムスケール再構築を用いて、定量的代謝フラックスモデルを迅速に構築し、妥当性を検証する方法は何か？
• RQ4 完全な細胞ネットワークマップの文脈で、オミクスデータを効果的に可視化および分析する方法は何か？
• RQ5 スケーラブルでインタラクティブでウェブアクセス可能なプラットフォームは、生物学的データベースの共同キュレートと配布をどのように支援できるか？

主な発見

• Pathway Tools を用いて 35,000 以上の PGDB が作成されており、*E. coli* や *Saccharomyces cerevisiae* といった主要モデル生物のキュレート済みデータベースも含まれる。
• Pathway Tools は MetaFlux を通じてゲノムスケール代謝モデルの構築を可能にし、フラックスバランス分析および遺伝子・反応ノックアウトのシミュレーションを支援する。
• 専用のデスクトップエディタを用いて、代謝経路、オペロン、制御ネットワークのインタラクティブキュレートをサポートする。
• オミクスデータペイントツールにより、遺伝子発現、プロテオミクス、メタボロミクスデータを完全な代謝および制御ネットワーク図に可視化できる。
• ナビゲーター コンponent は、ウェブモードでもほとんどすべてのデスクトップレベルの可視化および分析機能をサポートしており、アクセス性と共有性が向上した。
• PGDB レジストリにより、分散型でピアツーピアのデータベース共有が可能となり、研究コミュニティ全体における再利用と共同開発を促進する。