[論文レビュー] ReconMap: An interactive visualisation of human metabolism

Alberto Noronha, Anna Dröfn Daníelsdóttir+9 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2016

Microbial Metabolic Engineering and BioproductionBiochemistry, Genetics and Molecular Biology参考文献 5被引用数 21

ひとこと要約

ReconMap は、ゲノムスケール代謝再構成 Recon 2 を基盤としたインタラクティブでウェブベースの代謝可視化ツールであり、リアルタイムでのクエリ、オミックスデータおよびフラックスシミュレーション結果の重ね書き、コミュニティ主導のキュレーションを可能にする。Google Maps API および MINERVA プラットフォームを活用し、COBRA Toolbox と統合して動的フラックス可視化を実現。疾患特異的ネットワーク（例：パーキンソン病マップ PDMap）ともリンクされ、システムレベルの解析を支援する。

ABSTRACT

A genome-scale reconstruction of human metabolism, Recon 2, is available but no interface exists to interactively visualise its content integrated with omics data and simulation results. We manually drew a comprehensive map, ReconMap 2.0, that is consistent with the content of Recon 2. We present it within a web interface that allows content query, visualization of custom datasets and submission of feedback to manual curators. ReconMap can be accessed via http://vmh.uni.lu, with network export in a Systems Biology Graphical Notation compliant format. A Constraint-Based Reconstruction and Analysis (COBRA) Toolbox extension to interact with ReconMap is available via https://github.com/opencobra/cobratoolbox.

研究の動機と目的

• ゲノムスケールのヒト代謝再構成（例：Recon 2）に対して、直感的でインタラクティブかつ生化学的に正確な可視化ツールが不足しているという問題に対処すること。
• 研究者が、詳細な代謝マップ上にオミックスデータセットや制約に基づくシミュレーション結果（例：フラックス分布）を直接可視化できるようにすること。
• ユーザーが代謝物や反応についてフィードバックや提案を提出できる仕組みを設け、代謝物質のキュレーションをコミュニティ主導で行えるプラットフォームを構築すること。
• ReconMap をパーキンソン病マップ（PDMap）などの疾患特異的分子ネットワークと統合し、複雑な疾患におけるシステムレベルの代謝異常を調査する支援をすること。
• Recon 2 の基盤から、組織・臓器特異の代謝マップを生成するための再利用可能で拡張可能なフレームワークを提供すること。

提案手法

• CellDesigner を用いて代謝反応および代謝物を手動でレイアウトし、生化学的正確性を確保するとともに、ネットワークの交差を最小限に抑える。
• Google Maps API および MINERVA 可視化プラットフォームを活用して、応答性が高くインタラクティブなナビゲーションを実現するウェブインターフェースを実装。
• 各代謝物および反応が、CHEMBL などのキュレート済み外部リソースにリンクされるよう、仮想代謝ヒューマン（VMH）データベースと統合。
• COBRA Toolbox 拡張機能を開発し、フラックス値を色および太さに変換して ReconMap 上に視覚的に重ね書きする。
• ユーザーが特定の代謝物または反応に直接関連付けたフィードバックを提出できる仕組みを実装し、キュレーターによるレビューに送信。
• 標準識別子を用いて 168 個の共有代謝物を通じて ReconMap と PDMap の間でクロスリファレンスを確立。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 包括的で手作業によるキュレーションが施されたヒト代謝マップを、どのようにしてシステム生物学研究に有用なインタラクティブかつアクセス可能な形にできるか？
• RQ2 高解像度のゲノムスケール代謝ネットワーク上に、オミックスデータおよびフラックスシミュレーション結果をどの程度効果的に可視化できるか？
• RQ3 コミュニティ主導のフィードバックメカニズムが、大規模代謝再構成のキュレーションおよび正確性を向上させられるか？
• RQ4 PDMap などの疾患特異的ネットワークと統合することで、神経変性疾患における代謝不全の調査がどの程度向上するか？
• RQ5 ウェブベースで地図ベースのインターフェースを用いることで、複雑な代謝システムの動的かつ文脈に応じた可視化をどの程度実現できるか？

主な発見

• ReconMap は、Recon 2 と整合し、リアルタイムでのナビゲーションおよびクエリを可能にする完全にインタラクティブで高解像度のヒト代謝可視化を提供する。
• COBRA Toolbox のシミュレーション出力との統合により、フラックス分布が色および太さで符号されたエッジとして可視化され、代謝活性の直感的解釈が可能になる。
• MINERVA フレームワークを介して、ユーザーがオミックスデータセットを ReconMap 上に重ね書きでき、実験値に基づきノードおよびエッジの色と太さをカスタマイズ可能。
• ユーザーが特定の代謝的要因に直接関連付けたフィードバックを提出できる仕組みにより、コミュニティ主導のキュレーションが可能となり、キュレーターによるレビューに送信される。
• ReconMap は、パーキンソン病マップ（PDMap）と 168 個の共有代謝物を通じてリンクされており、代謝的および疾患関連経路のクロスネットワーク解析が可能になる。
• 本システムは拡張可能であり、Recon 2 の基盤から細胞・組織・臓器特異の代謝マップを生成する基盤として機能する。