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4 POSTS

  1. 2010/12/27 식물 리그닌화(목질화)에 대한 후보 유전자 리스트 확인하기 by Quipu (11)
  2. 2010/06/28 약물 작용과 효과의 profiling을 위한 ChemEffect Database by Quipu (3)
  3. 2010/06/07 문헌정보를 활용한 유전자 네트워크 분석 by Quipu (3)
  4. 2010/03/03 [Quipu Issue Paper] Expression Study Ⅴ- Text-mining을 통한 대사회로 분석, Promoter 영역 분석을 통한 발현 조절 메카니즘 분석 by Quipu

식물 리그닌화(목질화)에 대한 후보 유전자 리스트 확인하기


How can I find literature supporting a list of candidate genes related to a specific plant trait?


식물 리그닌화(목질화)에 대한 후보 유전자 리스트를 확인할 수 있는 있는가?
리그닌은 목질소라고도 하며 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스와 더불어 식물골격 구성성분의 하나로 목재 20~30%에 달한다. 식물의 리그닌화(목질화)는 식물이 자라는 과정에서 세포막이나 중간층에 리그닌이 생겨 흡착되거나 화학적으로 결합하여 강하고 단단해지는 현상을 말한다. 일반적으로 세포의 성장에 따라 서서히 일어나지만 병태 또는 상해 조직에서는 유조직세포벽에 급속히 일어나는 경우도 있다. 목질화된 세포벽은 병원균에 의해 잘 침범되지 않기 때문에 병태조직 또는 상해조직에서의 목질화는 일종의 방어반응이라고 할 수 있다.

Step to follow


Step 1. Gene list 검색

검색하고자 하는 유전자의 TAIR ID를 검색한다. Import > Gene List > 복사해 놓은 TAIR ID 리스트 Paste from Clipboard > Lookup in the Database 클릭

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Step 2. Lignification과 관련있는 Cell Process 검색


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Step 3. Pathway 옵션 설정

Protein과 Cell Process의 Relation 사이의 관계를 나타내기 위해 Protein을 선택한 상태에서 Add 메뉴를 선택하고 "Relations between Selected and Unselected" 클릭

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Step 4. Pathway 확인

"Relations between Selected and Unselected"를 하면 서로 연관이 있는 Relation만 표시가 되고 연관이 없는 Entity는 Relation이 되지 않고 남아있다.

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Step 5. 엔티티 추가하기

"lignin" small molecule을 검색하여 4번 pathway에 추가하고 Protein과 "lignin" 사이의 Relation을 확인하기 위해 "lingin"을 선택한 다음 Step 3을 반복한다.

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아래 동영상보기를 하시면 4개의 Step을 한 번에 보실 수 있습니다.


Posted by Quipu

2010/12/27 09:01 2010/12/27 09:01
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약물 작용과 효과의 profiling을 위한 ChemEffect Database


연재 순서

 1. PathwayStudio 소개
 2. 문헌정보를 활용한 유전자 네트워크 분석
 3. Chip 실험 데이터에서의 유전자 네트워크 분석
 4. Drug 발굴을 위한 지식 데이터베이스 ChemEffect


약물 작용과 효과의 profiling을 위한 ChemEffect Database


 현재 지구상에는 약 800만 종의 화학물질이 존재하고 그 중에서 8만여 종이 상업적으로 생산, 판매되고 있다고 한다. 우리나라에서 사용되는 화학물질의 종류는 약 1만여종으로 매년 증가하고 있다. 이러한 화학물질 가운데 사람의 유전자에 영향을 미치는지 파악하기 위해서는 DNA chip실험을 통한 분석 및 다른 다양한 실험을 통해서 판별이 가능하다.

 약제로 개발되는 화학물질의 경우 인체에 부작용을 일으키는지 여부는 실험을 거치지 않고서는 판별할 수 없다. 최근 들어, 독성유전학이라는 분야가 새로운 연구로 각광을 받고 있으며, 산업 현장 및 일상생활속에서 접하고 있는 중금속이 인체의 유전자에 미치는 영향을 파악하고자 하고 있다.

 AriadneGenomics사 에서는 이러한 화학물질의 특성 및 유전자에 영향을 미치는 지 여부 등을 기존의 논문 정보와 실험 정보등을 통해서 “ChemEffect” 라는 데이터베이스를 구축하여 서비스를 제공하고 있다.

 ChemEffect 데이터베이스는 화학물질인 small molecular가 gene과의 연관관계 및 cellular processes에서의 역할들에 대한 다양한 정보를 담고 있다. 이 정보는 약물의 화학물질에 대해서 독성과 compound 타입에 의한 부작용을 프로파일링 하거나 효소정보를 찾을 때, 독성과 약물 메커니즘 사이의 관계를 결정 지을 때 그리고 대체 물질을 찾을 때 많은 도움이 된다.

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그림 1. ChemEffect 데이터베이스의 Small molecule과 protein의 다양한 관계 정보.

ChemEffect 데이터베이스를 이용하면 아래와 같은 문제들을 빠르게 해결할 수 있다.

  • 후보 약물과 관련된 pathway와 연결되어있는 질병을 확인할 때,
  • Target pathway 또는 Target protein에 영향을 미치는 compound를 발견하고자 할 때,
  • Compound에 의해 영향을 받는 Target protein을 찾을 때,
  • Compound와 관련 있는 부작용에 대한 연구를 할 때,
  • 약효, 독성, drug-drug 작용과 같은 잠재적인 결과와 compound 사이의 관계를 설계 할 때,

ChemEffect 데이터베이스의 구성


 ChemEffect는 NLP(Natural Language Processing) 기술을 응용하여 과학문헌 정보에서생물학적인 정보를 추출하는 MedScan과 추출된 정보를 이용하여 다양한 정보들 간의 네트워크를 그래픽적으로 표현할 수 있는 PathwayStudio로 구성되어 있다.

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그림 2. ChemEffect 데이터베이스 Component 구성. MedScan을 이용하여 Text 정보를 추출하고 추출된 데이터는 ChemEffect 데이터베이스에 저장된다. 이후 데이터베이스의 데이터들을 활용하여 PathwayStudio에서 는 데이터들 사이의 관계를 그래픽으로 표현하여 하나의 메커니즘으로 생성된다.


ChemEffect 데이터의 구성


 ChemEffect의 데이터는 앞서 말한 것과 같이 MedScan의 텍스트-마이닝 기법을 이용하여 추출된다. Pathway Studio의 기본 데이터베이스인 ResNet Mammalian 데이터베이스와 결합된 ChemEffect에는 NCBI PubMed에 투고된 논문 정보로부터 추출된 Entity, Relations 정보 이외에도 기존에 알려져 있는 Pathway, Ontologies, Annotation 정보들도 함께 포함하고 있어 보다 다양한 정보를 얻을 수 있다.

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Table 1. ChemEffect 데이터 구성 표(2.0 version).



ChemEffect 데이터베이스를 활용한 Workflow


 ChemEffect 데이터베이스를 활용해서 1차적으로 보고자 하는 drug 또는 small molecule에 대해 지식 기반의 프로파일링을 수행 할 수 있다. 예를 들어 Sorafenib라는 Small molecule의 1차 검색을 통해서 이 small molecule과 관련 있는(Metabolized by, Directly Inhibits, DownRegulates, UpRegulates) 단백질 정보와 Sorafenib에 의해 Inhibit되고 Activate하는 cell processes에는 어떤 것들이 있는지 프로파일링 정보를 얻을 수 있다. 모든 정보에 대해서는 이를 뒷받침하는 문헌 정보와 링크가 되어 있어 바로 확인이 가능하므로 분석된 데이터에 대한 신뢰성이 상당히 높다고 할 수 있다.

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그림 3. Small molecule(Sorafenib)에 대한 knowledge profile 정보.


 더 나아가서는 Drug Discovery를 할 때 다양한 Application에서 ChemEffect 데이터베이스를 사용할 수 있다. In silico 단계에서 Target을 validation 할 때, In vitro 단계의 Lead Optimization, In vivo 단계에서의 Candidate Nomination/Preclinical 이 세 가지 모든 과정을 통합하고 해석하고 마지막으로 최종 결정에 이르기까지 유용하게 응용 될 수 있다.

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그림 4. Drug discovery의 세 단계 Application. 각 단계를 통합, 해석, 결정하는 데 있어서 다양한 Application에 ChemEffect 데이터베이스를 사용하여 Drug discovery를 할 수 있다.

Posted by Quipu

2010/06/28 17:39 2010/06/28 17:39
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문헌정보를 활용한 유전자 네트워크 분석

연재 순서

 1. PathwayStudio 소개
 2. 문헌정보를 활용한 유전자 네트워크 분석
 3. Chip 실험 데이터에서의 유전자 네트워크 분석
 4. Drug 발굴을 위한 지식 데이터베이스 ChemEffect


MedScan의 필요성


 과학 문헌의 대표적인 데이터베이스인 NCBI의 PubMed는 시간이 지날수록 등록되는 문헌의 수가 급속도로 증가하고 있으며, 최근에는 약 1,900만건 이상의 문헌들을 서비스하고 있다. 즉, 증가의 추세로 볼 때 하루에 약 4,100여건의 문헌이 업데이트되고 있다. 문헌이 기하급수적으로 증가함에 따라 관련 연구에 대한 정보를 찾기 위해서 연구자들은 점점 더 많은 시간과 노력을 기울여야 한다. 이에 따라 문헌 속에서 생물학적인 정보를 자동으로 추출하는 시스템의 필요성이 증가하고 있다.

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그림 1. NCBI PubMed 문헌의 증가 속도.


MedScan의 특징


 이번 블로그에서는 PathwayStudio와 연계된 프로그램으로 PubMed, Google, 그리고 PDF, DOC 형식으로 된 문헌에서 텍스트 마이닝 기법으로 생물학적인 의미가 있는 데이터를 자동으로 추출하는 MedScan에 대해 소개하고자 한다. 데이터를 추출할 때 사용되는 텍스트 마이닝 기법은 복합 문서와 인터넷 페이지 등과 같은 비정형 데이터로부터 자연언어처리 기술과 문서처리 기술을 적용하여 유용한 정보를 추출하고 가공하는 기술을 말한다.

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그림 2. MedScan 시스템.

텍스트 마이닝 기법을 이용한 MedScan은 아래와 같은 특징들을 가지고 있다.

  • 생물학적인 문헌에서 정확하게 데이터를 추출할 수 있도록 과학적 언어에 Focusing
  • 생물학 전문가에 의한 정보의 수정 및 Dictionary라고 정의된 Mammalian, Plant에 특화된 텍스트 마이닝
  • 2분안에 918개의 abstract 다운로드, 7,700개 문장 리뷰, 7,300개 entity와 577개의 relation 관계 확인을 동시에 할 수 있을 정도의 빠른 속도
  • 동일한 주제의 연구 정보에 대한 중복성 제거
  • 생물학 전문가의 수정 및 지속적인 검증을 통한 10% 이하의 낮은 False positive 데이터
  • Dictionary 및 검색 패턴을 연구자 의도에 따른 customization 가능

Tutorial


 MedScan은 Pathway Sutido를 통해 실행시킬 수 있다. 실행된 화면은 그림 3에서 보는 것과 같이 사용자가 친숙하게 사용할 수 있도록 인터페이스가 구성되어 있다. MedScan에 서 문헌을 검색하기에 앞서 먼저 Catridge를 선택한다. Human, Mouse, Rat과 같은 mammal에 대한 검색을 할 때에는 Standard catridge를 선택하고, Plant와 관련된 검색을 할 때에는 Plant catridge를 선택한다. 간단하게 설정을 마치고 나면 검색을 수행할 수 있다.

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그림 3. MedScan 인터페이스.



문헌 검색

 
 검색은 Popular Destinations과 Quick Import 두 가지 검색 방법을 이용한다. Popular Destinations에서는 Search PubMed, Search BioMed Central, Search HighWire Press, Search Google Scholar, Search Google 다섯 가지의 검색 할 수 있는 destination(그림 4)이 제공된다. 각각을 클릭하면 MedScan에서 바로 웹 사이트로 연결이 되어 인터넷 창을 따로 띄우지 않고도 검색을 수행 할 수 있도록 되어 있다. Quick Import 검색은 웹 사이트로 직접 연결하여 데이터를 검색하는 것보다 조금 더 빠르고 편리한 방법이다. 웹사이트에 연결하지 않고 바로 쿼리를 입력할 수 있도록 되어 있어서 Import PubMed Dataset에 쿼리를 입력하고 Query and Import 버튼을 클릭하면 기본적으로 PubMed abstract에서 1000개까지의 abstract을 추출해 준다.

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그림 4. MedScan 검색 방법. 1) Popular Destinations 2) Quick Import

 Popular Destination 검색 가운데 “Search PubMed”를 선택하면, NCBI의 PubMed와 동일한 화면을 볼 수 있다. NCBI의 PubMed에서 문헌을 검색할 때와 동일한 방법으로 알고자하는 쿼리를 입력하고 검색을 수행한다. PubMed에서 문헌을 검색할 때 Display Setting을 Abstract로 변환하고, 페이지당 보여지는 문헌의 개수를 200개로 변환하면 더욱 더 많은 정보를 추출할 수 있다는 것을 염두해두자. 검색된 Abstract에서 검색하고자 했던 쿼리와 관련이 있는 정보들이 있는 문장은 노란색 배경처리되어 표시되고 생물학적인 의미를 지니고 있는 단어는 초록색으로 표시가 된다. 표시가 된 부분은 자동으로 Entity와 Relation으로 추출되어 우측 상단의 테이블 형태로 정리가 된다.

검색 결과


 검색 결과가 정리된 우측의 테이블은 Relation tab과 Entities tab 두 가지 tab으로 결과가 정리되어 있다. Relation tab을 보면 첫 번째 컬럼은 Reference 문헌의 개수를 의미하고 두 번째 컬럼은 Entity 1, 세 번째 컬럼은 Relation 관계 정보를 마지막 네 번째 컬럼은 Entity 2를 나타낸다. 상단 도구모음의 View를 클릭하면 데이터를 컬럼별로 정렬하여 볼 수 있도록 되어 있다. 각각의 컬럼을 정렬해가면서 원하는 데이터만 키보드의 Shift 또는 Ctrl을 사용하여 선택한다. 그런 다음 선택된 데이터만 아래의 Known Relation 테이블로 이동시킨다. Known Relation 테이블에서도 다시 한 번 view를 통해 정렬을 하여 컬럼을 선택 할 수 있다.

 그렇게 해서 최종적으로 선택된 데이터들만 가지고 Pathway Studio로 이동시킨다. 선택된 데이터에서 마우스 오른쪽을 누른 뒤 send to pathway studio 클릭한다. Pathway Studio를 다시 실행 시켜 보면 MedScan에서 보낸 데이터를 Import 할 수 있는 창이 떠있고 여기에서 pathway를 저장 할 디렉토리를 선택해주고 Next를 클릭한다. Import가 완료되고 해당 디렉토리로 가면 MedScan에 서 보낸 데이터 정보를 이용하여 그려진 pathway 파일이 생성되어 있는 것을 확인 할 수 있다.


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그림 5. MedScan 검색 결과.

  이밖에도 MedScan에서는 직접 사용자가 가지고 있는 텍스트, 워드, pdf, XML 또는 HTML 포맷의 문서를 Import 하여 데이터를 추출 할 수도 있다. Import 할 문서가 한 개 이상일 때에는 문서를 하나의 폴더 안에 저장해 놓고 폴더 자체를 Import 할 수도 있다. 우리가 어떤 연구를 하기 전에는 보통 문헌에서 내가 하고자 하는 연구가 어느 정도 선행 연구가 이루어 졌는지 알아보는데 그 때마다 많은 문헌들을 하나 하나 살펴 보기에는 어려움이 있다. 그 때 MedScan을 사용하면 그런 점에서 많은 도움을 줄 뿐만 아니라 그 문헌들 사이에서 의미 있는 결과까지 도출해 줄 수 있으리라 생각된다.



Posted by Quipu

2010/06/07 17:38 2010/06/07 17:38
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[Quipu Issue Paper] Expression Study Ⅴ- Text-mining을 통한 대사회로 분석, Promoter 영역 분석을 통한 발현 조절 메카니즘 분석

연재 순서

   1. Assembly
   2. Variation study
   3. Expression study
   4. Epigenomics
   5. Genome Annotation
   6. Next Generation Bioinformatics
   7. Data Management for web 2.0 Era
   8. Semantic Network for Integrated Biology Data
   9. Gene Network Discovery by Text-mining
  10. Centralization for High-throughput Data Analysis

이번 연재에서는 어제에 이어 Next Generation Sequencing의 두 번째 Application인 Expression study에 대한 내용으로 Differentially Expressed Genes(DEGs) Functional annotation 중에 Text-mining을 통한 대사회로 분석과 Promoter 영역 분석을 통한 발현 조절 메카니즘 분석에 대해 알아보겠습니다.

B. Text-mining을 통한 대사회로 분석


 대사회로 분석은 세포내 유전자들이 생물학적으로 기능이 유사하거나 동일한 조절 기작을 통해 동일 시간상에서 유사한 발현 양상을 보일 것이라는 가정 하에 이루어진다. 선별된 유전자들(DEGs) 사이에서의 대사회로 분석을 통하여 대사회로 내에서 유전자들의 발현양상에 따라 up-regulation 혹은 down-regulation 되는지 분석할 수 있다. 또한 이들 간의 signal 관계가 upstream에 존재하는지 down- stream에 존재하는지 여부를 분석할 수 있다. 이러한 분석이 가능한 프로그램으로는 Ariadne사의 Pathway Studio가 있다[16].

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그림 7. DEG 유전자의 pathway 분석
DEGs를 이용한 pathway 분석으로 유전자간의 조절 관계와 upsteam, downstream 단백질을 GUI를 통한 그래픽으로 확인이 가능하다[16].

Pathway Studio는 차등발현유전자들을 조절하는 상위 조절인자를 분석하거나 차등발현유전자들이 공통적으로 작용하고 있는 질병, 세포내 프로세스 등을 분석할 수 있는 유용한 프로그램이다. 


C. Promoter 영역 분석을 통한 발현 조절 메카니즘 분석


 선별된 유전자에 대해서 유전자의 발현 양을 조절하고 세포내의 항상성 유지를 위해 여러 유전자들 간의 긴밀한 네트워크를 통해 이뤄지는 유전자 조절 메카니즘을 분석한다. 유전자의 구조 중에서 특히 유전자의 기능에 중요한 영향을 미치는 부분은 유전자의 발현을 조절하는 프로모터 영역이다. 프로모터를 포함한 유전자의 upstream에 존재하는 전사인자  binding site의 예측을 통해 유전자의 발현 조절이 어떠한 메카니즘을 통해 이뤄지는지를 분석한다.

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그림 8. Upstream regulation 분석.
TransFac을 활용한 DEGs의 upstream에 존재하는 공통된 transcription factor를 탐색

가장 대표적인 프로그램으로 BIOBASE사의 TRNASFAC을 꼽을 수 있다[15]. 실험적으로 검증된 전사인자들로 생물 전문가의 꼼꼼한 검증을 통해 구축된 데이터베이스는 현재 인간을 중심으로 식물, 효모R에 이르기까지 계속해서 확대 되고 있다. TRANSFAC의 서브 프로그램인 Patch와 Match를 활용하면 미지의 유전자 upstream 서열의 binding 가능한 전사인자를 검색할 수 있고, 이는 유전자 네트워크에서의 생물학적인 의미를 찾을 수 있는 기초 데이터가 된다.

다음 연재에서는 유전자와 엑손의 발현 및 발현된 유전자의 각종 변이 등을 한 번에 연구할 수 있는 RNA-Seq기술에 대해 알아보겠습니다.

많은 관심 부탁드립니다.

참고문헌

1. Mortazavi A, Williams BA, McCue K, Schaeffer L, Wold B. (2008) Mapping and quantifying mammalian transcriptomes by RNA-Seq. Nat Methods. 7, 621-628.
2. Fei Z, Tang X, Alba RM, White JA, Ronning CM, Martin GB, Tanksley SD, Giovannoni JJ. (2004) Comprehensive EST analysis of tomato and comparative genomics of fruit ripening. Plant J. 40, 47–59
3. Rensink WA, Lee Y, Liu J, Iobst S, Ouyang S, Buell CR. (2005) Comparative analyses of six solanaceous transcriptomes reveal a high degree of sequence conservation and species-specific transcripts. BMC Genomics. 6, 124
4. Ronning,C.M. et al. (2003) Comparative analyses of potato expressed sequence tag libraries. Plant Physiol. 131, 419–429
5. Guo J, Zhu P, Wu C, Yu L, Zhao S, Gu X. (2003) In silico analysis indicates a similar gene expression pattern between human brain and testis. Cytogenet Genome Res. 103, 58-62
6. Benjamini, Y., Daniel Yekutieli. (2001) The control of the false discovery rate in multiple hypotheses testing under dependency. Annal. Stat. 4(29), 1165–1188
7. Tsai CA, Hsueh HM, Chen JJ. (2003) Estimation of false discovery rates in multiple testing: application to gene microarray data. Biometrics. 59, 1071-81
8. Audic S, Claverie JM. (1997) The significance of digital gene expression profiles. Genome Res. 7, 986–995
9. Roche 454 : Products & Solutions - Multiplexing
(http://www.454.com/products-solutions/experimental-design-options/multiplexing.asp)
10. Tatusov RL, Koonin EV, Lipman DJ. (1997) A genomic perspective on protein families. Science. 278, 631-637
11. Kato T, Murata Y, Miura K, Asai K, Horton PB, Koji T, Fujibuchi W. (2006) Network-based de-noising improves prediction from microarray data, BMC Bioinformatics. 7, S4
12. Noh SJ, Lee K, Paik H, Hur CG. (2006) TISA: tissue-specific alternative splicing in human and mouse genes. DNA Res. 5, 229-243
13. Zeeberg BR, Feng W, Wang G, Wang MD, Fojo AT, Sunshine M, Narasimhan S, Kane DW, Reinhold WC, Lababidi S, Bussey KJ, Riss J, Barrett JC, Weinstein JN. (2003) GoMiner: a resource for biological interpretation of genomic and proteomic data, Genome Biol. 4, R28
14. GeneSpring GX : Products & Services - GeneSpring GX Software
(http://www.chem.agilent.com/en-US/products/software/lifesciencesinformatics/genespringgx/pages/default.aspx)
15. Wingender E, Chen X, Hehl R, Karas H, Liebich I, Matys V, Meinhardt T, Prüss M, Reuter I, Schacherer F. (2000) TRANSFAC: an integrated system for gene expression regulation. Nucleic Acids Research. 28, 316-319
16. PathwayStudio : Products-pathway Studio
(http://www.ariadnegenomics.com/products/pathwaystudio/)
17. Eveland AL, McCarty DR, Koch KE. (2007) Transcript profiling by 3'-untranslated region sequencing resolves expression of gene families. Plant Physiol. 146, 32-44.
18. Torres TT, Metta M, Ottenwälder B, Schlötterer C. (2008) Gene expression profiling by massively parallel sequencing. Genome Res. 1, 172-7.
19. Vega-Arreguín JC, Ibarra-Laclette E, Jiménez-Moraila B, Martínez O, Vielle-Calzada JP, Herrera-Estrella L, Herrera-Estrella A. (2009) Deep sampling of the Palomero maize transcriptome by a high throughput strategy of pyrosequencing. BMC Genomics. 10, 299.
20. Wang ET, Sandberg R, Luo S, Khrebtukova I, Zhang L, Mayr C, Kingsmore SF, Schroth GP, Burge CB. (2008) Alternative isoform regulation in human tissue transcriptomes. Nature. 2456, 70-76.
21. Johnson JM, Castle J, Garrett-Engele P, Kan Z, Loerch PM, Armour CD, Santos R, Schadt EE, Stoughton R, Shoemaker DD. (2003) Genome-wide survey of human alternative pre-mRNA splicing with exon junction microarrays. Science. 302, 2141-2144.
22. Ledford H. (2008) Human genes are multitaskers. Nature. 456, 9.
23. CLC Genomics Workbench: RNA-Seq analysis
(http://www.clcbio.com/index.php?id=1330&manual=RNA_Seq_analysis.html)

Posted by Quipu

2010/03/03 10:03 2010/03/03 10:03
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