[論文レビュー] The Karyotype Ontology: a computational representation for human cytogenetic patterns

Jennifer D. Warrender, Phillip Lord|arXiv (Cornell University)|May 16, 2013

Biomedical Text Mining and Ontologies参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

Karyotype Ontology は、Clojure の tawny ライブラリを介した半プログラム的アプローチにより、OWL を用いた計算的に厳密な人間の核型の表現を提供する。これにより、形式的で機械処理可能な核型データが可能となり、ISCN2009 の文字列ベースのシステムの主な制限を克服する。染色体異常やバンドングパターンの意味的クエリ、検証、解像度に依存する拡張可能なモデリングが可能である。

ABSTRACT

The karyotype ontology describes the human chromosome complement as determined cytogenetically, and is designed as an initial step toward the goal of replacing the current system which is based on semantically meaningful strings. This ontology uses a novel, semi-programmatic methodology based around the tawny library to construct many classes rapidly. Here, we describe our use case, methodology and the event-based approach that we use to represent karyotypes. The ontology is available at http://www.purl.org/ontolink/karyotype/. The clojure code is available at http://code.google.com/p/karyotype-clj/.

研究の動機と目的

• ISCN2009 の文字列ベースの核型命名法に計算的表現力が欠如していること、特に機械読取不可でクエリ不能である点を是正すること。
• 意味的推論、検証、知識ベース統合を可能にする、形式的でオントロジーに裏打ちされた核型表現を構築すること。
• 欠損、重複、倒置、モザイク性といった複雑な核型特徴を、正確な空間的および解像度に依存する意味論を備えて構造的に表現できること。
• 体系的なオントロジー作成を通じて、ISCN2009 の仕様における一貫性の欠如を同定・是正すること。
• プログラム的オントロジー生成を用いたスケーラブルで保守可能かつ拡張可能な核型表現のフレームワークを構築すること。

提案手法

• Clojure の tawny ライブラリを用いて、1,466 個のクラス（染色体バンドおよび領域のうち 1,293 個を含む）をプログラム的に一貫して迅速に生成した。
• イベントベースのモデリングを用い、構造的変化（例：欠損、倒置）を特定の染色体領域および解像度に関連付ける第一級のエンティティとして表現した。
• 繰り返し利用可能な Clojure 関数（例：倒置、重複用）を定義し、共通する核型パターンの一貫性を保証した。
• 特殊文字を避ける安全な命名規則を用いて、ISCN2009 の文字列表現を正式な OWL クラスにマッピングし、URL および構文互換性を確保した。
• OWL のオープンワールド仮定を適用し、解像度制限のあるバンドングなど、部分的または不確実な核型知識を扱えるようにした。
• 71 個の ISCN2009 の例示核型を用いてオントロジーを検証し、表現力の適切さと正しさを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 形式的で機械処理可能なオントロジーは、ISCN2009 の文字列ベースの核型命名法に置き換え可能であり、意味的推論と機械処理を可能にするか？
• RQ2 倒置、欠損、モザイク性といった複雑な核型特徴は、正確な空間的および解像度に依存する意味論を備えてどのようにモデリングできるか？
• RQ3 Clojure と tawny を用いたプログラム的オントロジー生成は、核型表現の保守性およびスケーラビリティをどの程度向上させるか？
• RQ4 オントロジー開発の過程で、ISCN2009 の仕様にどのような一貫性の欠如や誤りが明らかになるか？
• RQ5 得られたオントロジーは、特定の染色体バンドに影響を及ぼす核型やコピー数を変更する核型を同定するような高度なクエリをサポートできるか？

主な発見

• Karyotype Ontology は、ISCN2009 の 71 個の核型を成功裏に表現し、一般的な異常およびバンドングパターンの完全な表現力を示した。
• オントロジーは、ISCN2009 における二つの欠落を同定した：バンド図における Xq12 の欠落、および 300 バンド解像度で Yq11.2 が使用されているにもかかわらずその記載がないこと。
• tawny の使用により、1,466 個の OWL クラス（染色体バンドおよび領域のうち 1,293 個を含む）が、最小限の手作業でプログラム的抽象化により生成された。
• イベントベースのモデリングアプローチにより、境界点と解像度コンテキストが明確に定義された構造的変化（例：倒置）の正確な表現が可能となった。
• 形式的表現により、コピー数変化や特定のバンドに異常をきたす核型を同定するような、計算的に厳密なクエリが可能となった。
• オントロジーは、検索可能で拡張可能かつ相互運用可能な核型データの知識ベースの基盤を提供し、現在の文字列ベースのシステムの制限を克服した。