[논문 리뷰] Pathway Tools version 28.0: Integrated Software for Pathway/Genome Informatics and Systems Biology

Peter D. Karp, Suzanne Paley외 7명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 14.

Microbial Metabolic Engineering and Bioproduction인용 수 75

한 줄 요약

Pathway Tools 버전 28.0은 유전자, 대사 및 조절 데이터를 통합하는 유기체 특화 경로/Genome 데이터베이스(PGDB)를 구축하고 분석하며 시각화하는 종합적인 생정보학 플랫폼이다. 자동 대사 네트워크 재구성, MetaFlux를 통한 정량적 유속 모델링, 상호작용적 코어렉처, 웹 게시, 그리고 시각화 도구와 부족 분석을 통한 다오미크스 데이터 통합을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 유전체, 대사 및 조절 정보를 통합한 종합적이고 유기체 특화된 데이터베이스를 구축하고 관리하기 위한 통합 소프트웨어 환경을 제공하는 것.
• 유전자 애너테이션에서 자동으로 대사 네트워크, 오퍼론, 경로의 빈자리 메꾸기 요소를 추론할 수 있도록 하는 것.
• 유량 균형 분석 및 빈자리 메꾸기 기법을 사용하여 정량적 대사 모델 개발을 지원하는 것.
• 오미크스 데이터, 조절 네트워크 및 대사 지도에 대한 상호작용적 웹 액세스 가능 시각화 및 분석 도구를 제공하는 것.
• PGDB 레지스트리와 표준화된 데이터베이스 게시를 통해 비교 유전체학 및 데이터 공유를 촉진하는 것.

제안 방법

• 유전자, 단백질, 반응 및 예측된 경로를 포함한 애너테이션된 게놈 서열에서 자동으로 PGDB를 생성하기 위해 PathoLogic 컴포onent를 사용한다.
• PGDB의 질의, 시각화 및 상호작용적 편집을 위한 데스크톱 및 웹 기반 검색 도구인 Pathway/Genome Navigator를 활용한다. 이는 오미크스 데이터를 대사 및 조절 네트워크에 그림으로 칠하는 기능도 포함한다.
• 정적 상태 대사 유속 모델링을 위해 MetaFlux를 적용하며, 유전자 및 반응의 차단 실험 시뮬레이션과 함께 완전하지 않은 경로의 자동 빈자리 메꾸기를 포함한다.
• 복잡한 질의, 기호 계산 및 PGDB 내용 전반에 걸친 데이터 마이닝을 가능하게 하는 풍부한 온톨로지 및 데이터베이스 API를 통합한다.
• PGDB의 웹 게시를 지원하며, 공동 코어렉처 및 재사용을 위한 PGDB 레지스트리를 통한 피어 투 피어 공유를 가능하게 한다.
• 공통된 데이터 구조 및 시각화 프레임워크를 사용하여 다수의 PGDB 간 비교 분석을 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 소프트웨어 플랫폼이 게놈, 대사 및 조절 데이터를 하나의 질의 가능하고 분석 가능한 유기체 특화 데이터베이스로 통합할 수 있는가?
• RQ2 유전자 애너테이션에서 대사 경로, 오퍼론 및 운반 반응을 정확하게 추론할 수 있는 계산 방법은 무엇인가?
• RQ3 자동 빈자리 메꾸기 및 게놈 규모 재구성 기법을 사용하여 정량적 대사 유속 모델을 어떻게 신속하게 구축하고 검증할 수 있는가?
• RQ4 완전한 세포 네트워크 지도의 맥락에서 오미크스 데이터를 효과적으로 시각화하고 분석할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ5 확장 가능하고 상호작용적이며 웹 액세스 가능한 플랫폼이 생물학적 데이터베이스의 공동 코어렉처 및 배포를 어떻게 지원할 수 있는가?

주요 결과

• Pathway Tools를 사용해 35,000개 이상의 PGDB가 생성되었으며, *E. coli* 및 *Saccharomyces cerevisiae*와 같은 주요 모델 생물에 대한 코어렉처된 데이터베이스가 포함되어 있다.
• Pathway Tools는 MetaFlux를 통해 게놈 규모 대사 모델을 구축할 수 있으며, 유량 균형 분석 및 유전자 및 반응 차단 실험 시뮬레이션을 지원한다.
• 전용 데스크톱 편집기를 통해 대사 경로, 오퍼론 및 조절 네트워크의 상호작용적 코어렉처를 지원한다.
• 오미크스 데이터 페인팅 도구를 통해 전체 대사 및 조절 네트워크 다이어그램에 유전자 발현, 단백질체, 대사체 데이터를 시각화할 수 있다.
• Navigator 컴포넌트는 이제 웹 모드에서도 대부분의 데스크톱 수준의 시각화 및 분석 기능을 지원하여 접근성과 공유를 향상시켰다.
• PGDB 레지스트리는 분산형 피어 투 피어 방식의 공유를 가능하게 하여 연구 공동체 내에서의 재사용 및 공동 개발을 촉진한다.