[논문 리뷰] ReconMap: An interactive visualisation of human metabolism

Alberto Noronha, Anna Dröfn Daníelsdóttir외 9명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 31.

Microbial Metabolic Engineering and BioproductionBiochemistry, Genetics and Molecular Biology참고 문헌 5인용 수 21

한 줄 요약

ReconMap는 유전체 규모 대사 재구성인 Recon 2에서 유도된 상호작용형 웹 기반 인간 대사 시각화도로, 실시간 쿼리, 옴믹스 데이터 및 유량 시뮬레이션 결과의 오버레이, 커뮤니티 기반 쿠레이션을 가능하게 한다. Google Maps API와 MINERVA 플랫폼을 기반으로 구축되었으며, COBRA Toolbox와 통합되어 동적 유량 시각화를 지원하고 파킨슨병 전용 네트워크인 PDMap과 연결되어 시스템 수준의 분석을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• Recon 2와 같은 유전체 규모 인간 대사 재구성에 대해 직관적이고 상호작용 가능하며 생화학적으로 정확한 시각화 도구의 부족을 해결하기 위해.
• 연구자들이 세부적인 대사 지도 위에 옴믹스 데이터셋과 제약 기반 시뮬레이션 결과(예: 유량 분포)를 직접 시각화할 수 있도록 하기 위해.
• 사용자가 대사물질과 반응에 대해 피드백과 제안을 제출할 수 있도록 하여, 대사물질과 반응에 직접 연결된 커뮤니티 기반 쿠레이션 플랫폼을 구축하기 위해.
• PDMap과 같은 질병 특이적 분자 네트워크와의 통합을 통해 복잡한 질병의 시스템 수준 조사에 기여하기 위해.
• Recon 2 기반에서 조직 및 기관 특이적 대사 지도를 생성하기 위한 재사용 가능하고 확장 가능한 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 생화학적 정확성을 확보하고 네트워크 교차를 최소화하기 위해 CellDesigner를 사용하여 대사 반응과 대사물질의 수동 레이아웃을 수행.
• Google Maps API와 MINERVA 시각화 플랫폼을 활용하여 반응적이고 상호작용 가능한 탐색이 가능한 웹 인터페이스를 구현.
• 각 대사물질과 반응을 CHEMBL 등의 정제된 외부 자원과 연결하기 위해 가상 대사 인간(Virtual Metabolic Human, VMH) 데이터베이스와 통합.
• COBRA Toolbox 확장 기능을 개발하여 유량 값을 색상과 두께로 변환해 ReconMap에 시각적 오버레이를 구현.
• 사용자가 특정 대사물질이나 반응에 직접 연결된 피드백을 제출할 수 있도록 피드백 시스템을 구현.
• 표준 식별자를 사용해 168개의 공통 대사물질을 통해 ReconMap과 PDMap 간의 교차 참조를 설정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통합적이고 수동으로 쿠레이션된 인간 대사 지도를 어떻게 상호작용 가능하고 연구에 활용 가능한 형태로 만들 수 있는가?
• RQ2 고해상도의 유전체 규모 대사 네트워크에 옴믹스 데이터와 유량 시뮬레이션 결과를 효과적으로 어떻게 시각화할 수 있는가?
• RQ3 커뮤니티 기반 피드백 메커니즘이 대규모 대사 재구성의 쿠레이션과 정확도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 PDMap과 같은 질병 특이적 네트워크와의 통합은 신경퇴행성 장애에서의 대사 조절 장애 조사에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 웹 기반 지도 기반 인터페이스를 사용해 복잡한 대사 시스템의 동적이고 맥락에 맞는 시각화를 지원하는 데에 실현 가능한가?

주요 결과

• ReconMap는 Recon 2와 일치하는 완전히 상호작용 가능한 고해상도 인간 대사 시각화도를 제공하며, 실시간 탐색 및 쿼리 기능을 지원한다.
• COBRA Toolbox 시뮬레이션 출력의 통합을 통해 유량 분포가 색상과 두께로 코딩된 선으로 지도에 표현되어 대사 활동을 직관적으로 해석할 수 있다.
• MINERVA 프레임워크를 통해 사용자가 다중 옴믹스 데이터셋을 ReconMap에 오버레이할 수 있으며, 실험 값에 따라 노드와 엣지의 색상과 두께를 사용자 정의할 수 있다.
• 사용자가 특정 대사 엔티티에 직접 연결된 피드백을 제출할 수 있도록 하여, 쿠레이터가 검토할 수 있도록 하는 커뮤니티 기반 쿠레이션 기능을 제공한다.
• ReconMap는 파킨슨병 지도(PDMap)와 168개의 공통 대사물질을 공유하여 대사 및 질병 관련 경로의 교차 네트워크 분석을 가능하게 한다.
• 시스템은 확장 가능하며, Recon 2 재구성 기반으로 세포, 조직 및 기관 특이적 대사 지도를 생성하기 위한 기반을 제공한다.