2016. 07. 06 DDBJ データ解析チャレンジ キックオフ講習会 DDBJ データ解析事例 「ChIP-Atlas データベース」の紹介 沖 真弥 九州大学大学院・医学研究院・発生再生医学分野 (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) 研究歴 マウスの初期発生 硫酸化多糖と左右軸 決定機構 Development 2007 左右軸が逆転する メカニズムの解明 Development 2009 胚発生における硫酸化 多糖と FGF シグナル Dev Dyn 2010 情報解析ツール SraTailor: ChIP-seq データ解析の ための簡易ソフトウェア Genes Cells 2014 網羅的かつ統合的な ChIP-seq データベース In preparation (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) 高血糖による左右軸 決定の異常 PNAS 2015 (2nd author) ChIP-Atlas: 何がどこに結合するかが丸わかり。 MACS2 score 1 Low 500 1000 High (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) Topics 1. 背景 転写因子とは？ ChIP-seq とは？ 問題点。 2. ChIP-Atlas の紹介 作成過程、使い方 3. 応用例 組織特異性を司る転写因子 遺伝性疾患に関わる転写因子 (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) 転写因子とは DNA に特異的に結合する一群のタンパク質。 ゲノム上の遺伝子発現制御領域に結合する。 → 遺伝子発現を ON / OFF する。 転写因子 ON! 遺伝子 エンハンサー (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) 転写因子と組織特異性 転写因子のポピュレーションにより、 組織の特異性が決められる。 心臓の 転写因子 ON! OFF! Heart genes Heart genes OFF! Liver genes (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) 肝臓の 転写因子 ON! Liver genes 転写因子はどこに結合するか？ 転写因子ごとに好きな配列がある。 しかし、例外が多い。 肝臓の 転写因子 ON! Liver genes FOXA2 の好きな配列 つまり、ゲノム配列からは予想できない。 (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) ChIP-seq: 転写因子の結合部位を同定できる ChIP-seq = Chromatin Immunoprecipitation with Sequencing 断片化 抗体で集める DNA 配列を読む (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) 次世代シーケンサ 数千万∼数億の DNA 断片の配列を、１日で読み取れる。 CTAACTTTAGAAGGACGGCT TAGCCTGAGCGACACTAATA ATTGGCAGACTATAGTCAAC TGTAGATCGGGTTGTCAAAT AGTTGGTTGCCCCGACTATC Licensed under CC-BY 4.0 ©Togo picture gallery by DBCLS (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) アライメント DNA 配列をゲノム座標に変換 chr1 (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) chr2 chr3… ピークコール 統計学的に有意な領域を特定。 chr1 (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) chr2 chr3… ピークコール 統計学的に有意な領域を特定。 chr1 (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) chr2 chr3… ゲノムブラウザで閲覧 HNF4A 遺伝子 ピークコール アライメント (Human FOXA2 in Hep G2 cells) ゲノムブラウザ (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) 小まとめ HNF4A 遺伝子 ピークコール アライメント ChIP-seq: - ある転写因子の結合部位を同定できる。 → どの遺伝子を制御しているかが推測できる。 しかし、 - 逆は不明。 ← ある遺伝子が何によって制御されているか？ - 情報解析技術が必要。 (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) ChIP-Atlas 「なにがどこに？」がすべてわかる。 (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) データソース SRA として登録された ChIP-seq と DNase-seq ChIP-seq 0 5000 10000 15000 20000 H. sapiens (hg19) M. musculus (mm9) D. melanogaster (dm3) C. elegans (ce10) S. cerevisiae (sacCer3) DNase-seq 0 1000 2000 H. sapiens (hg19) M. musculus (mm9) D. melanogaster (dm3) C. elegans (ce10) S. cerevisiae (sacCer3) (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) ENCODE RoadMap Others Processing 001010 010001 110110 1110 AAGAAT TCAGTC CGGACT GAAT SRA (= Sequenced Read Archive) アライメント (Bowtie2) ピークコール (MACS2) FastQ (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) アライメント (BigWig) ピークコール(BED) BigWig BED メタデータのアノテーション BEFORE ID Original sample metadata ERX200492 SRX1024932 SRX212431 SRX831872 SRX100477 SRX530184 SRX159094 SRX644410 ArrayExpress-Sex=male; ArrayExpress-CellType=B-Lymphocyte; ArrayExpress-Immunoprecipitate=CTCF; ArrayExpress-Species=Homo source_name=chronic myelogenous leukemia cell line; cell line=K562; antibody=AGO2 source_name=CD4+CD25+CD45RA+ expanded naive regulatory T cells; donor=S030b; cell type=CD4+CD25+CD45RA+ expanded naive regulatory source_name=Pre-activated CD8+ T cells; tissue=Peripheral blood; cell type=Pre-activated CD8+ T cells; chip antibody=STAT5B (Invitrogen, source_name=HepG2; biomaterial_provider=ATCC; datatype=ChipSeq; datatype description=Chromatin IP Sequencing; cell source_name=primary human hepatocytes; tissue=Liver; chip antibody=FXR (1:1 mixture of sc-1204x and sc-13063x, ChIP grade, source_name=HuH7 cells, mitotic block and release; cell type=HuH7; cycling state=mitotic; antibody=FoxA1; vendor/catalog/lot=Abcam source_name=PANC1 Pancreatic cancer cell line; antibody=ETS1 (Santa Cruz, sc-350, lot #F1312); cell line=PANC1 (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) メタデータのアノテーション AFTER ID Antigen Cell type Class Cell type ERX200492 CTCF Blood B-Lymphocytes SRX1024932 AGO2 Blood K-562 SRX212431 STAT5A Blood CD4-Positive T-Lymphocytes SRX831872 STAT5B Blood CD8-Positive T-Lymphocytes SRX100477 FOXA1 Liver Hep G2 SRX530184 NR1H4 Liver Hepatocytes SRX159094 FOXA1 Liver HuH-7 SRX644410 ETS1 Pancreas PANC-1 > 45,000 data + 毎月更新 (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) ChIP-Atlas: Top Page (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) chip-atlas ４つの機能 ① Peak Browser 何がどこに結合する？ ? ? ② Target Genes 転写因子の標的遺伝子を探す。 ? TF ? ? ? TF ? TF ChIP-Atlas ③ Colocalization 共局在する転写因子を探す。 ? ? ? TF ? (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) ④ in slico ChIP ユーザデータの Enrichment 解析 ? ? ? ? ListA vs ListB Peak Browser (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) Peak Browser MACS2 score 1 Low 1 Low 500score MACS2 500 1000 High 1000 High (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) in silico ChIP ① Peak Browser 何がどこに結合する？ ? ? ② Target Genes 転写因子の標的遺伝子を探す。 ? TF ? ? ? TF ? TF ChIP-Atlas ③ Colocalization 共局在する転写因子を探す。 ? ? ? TF ? (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) ④ in slico ChIP ユーザデータの Enrichment 解析 ? ? ? ? ListA vs ListB in silico ChIP 例：hepatocyte-specific enhancer に enrich する転写因子 Hepatocyte-specific enhancers (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) Other enhancers FANTOM5: 組織特異的エンハンサーの同定 CAGE 技術を応用し、組織特異的 enhancer を同定 (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) in silico ChIP で enrichment 解析 FANTOM5 enhancers Hepatocyte-specific enhancers 基本転写因子 Hepatocyte 形成に関わる転写因子 (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) in silico ChIP で enrichment 解析 例：hepatocyte-specific enhancer に enrich する転写因子 Hepatocyte-specific enhancers (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) Other enhancers in silico ChIP で enrichment 解析 例：hepatocyte-specific enhancer に enrich する転写因子 (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) 神経系 血管系 TBP SP1 JUND YAP1 RXRA HNF4G TCF12 NR2F2 HNF4A TAL1 NFIC HEY1 RELA MYBL2 HDAC2 MAX MAX FOXA2 JUN FOXA1 EP300 CD14+ Monocytes Macrophages Hematopoietic stem cells Dendritic cells U-937 血管内皮 エンハンサー 血管系 STAT1 血球系 GATA2 血球系 SPI1 血球系 FOS 血球系 SMAD1 血球系 ETS1 Macrophage エンハンサー IRF1 Hep G2 BRD4 肝臓系 CEBPB Hepatocyte エンハンサー CREB1 組織特異的エンハンサーに結合する転写因子 HUVEC SK-N-SH Primary endothelial cells (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) データ数 0 >5 その他のエンハンサー CL: T cell UBERON: Adipose tissue CL: Acinar cell UBERON: Blood CL: Amniotic epithelial cell UBERON: Blood vessel CL: Astrocyte UBERON: Brain CL: Basophil UBERON: Esophagus CL: Blood vessel endothelial cell UBERON: Eye CL: Bronchial smooth muscle cell UBERON: Female gonad CL: Cardiac fibroblast UBERON: Gallbladder CL: Cardiac muscle cell UBERON: Heart CL: Cell of skeletal muscle UBERON: Internal male genitalia CL: Chondrocyte UBERON: Kidney CL: Ciliated epithelial cell UBERON: Large intestine CL: Corneal epithelial cell UBERON: Liver CL: Dendritic cell UBERON: Lung CL: Endothelial cell of hepatic sinusoid UBERON: Lymph node CL: Endothelial cell of lymphatic vessel UBERON: Meninx CL: Enteric smooth muscle cell UBERON: Olfactory region CL: Epithelial cell of Malassez UBERON: Pancreas CL: Epithelial cell of esophagus UBERON: Parotid gland CL: Epithelial cell of prostate UBERON: Penis CL: Fat cell UBERON: Placenta CL: Fibroblast of choroid plexus UBERON: Prostate gland CL: Fibroblast of gingiva UBERON: Saliva-secreting gland ： (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) ： なにができるか？ in silico ChIP: ✔ 組織特異性を司る転写因子を探せる。 ✔ 遺伝性疾患に関わる転写因子を探せる。 GWAS = Genome Wide Association Study (患者特有の SNP を探すプロジェクト) 患者 A 非患者 G (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) 遺伝性疾患に関わる転写因子の探索 疾患関連 SNPs 乳がん特異的 SNPs 遺伝性疾患全般に関わる転写因子 乳がんに関わる転写因子 (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) in silico ChIP 例：乳がん SNPs にenrich する転写因子の探索 乳がん特異的 SNPs (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) その他の SNPs FOXA1 GATA3 STAT1 STAT5B MYB STAT1 TFAP2C ESRRA SPI1 EP300 TCF7L2 ESR1 SMAD1 EBF1 HIF1A ARNTL GATA3 乳がん BRD4 疾患関連 SNPs に結合する転写因子 乳がん系 T-47D 乳がん系 MCF-7 乳がん系 BT-474 Unknown Tumour tissues 炎症性腸疾患 血球系 血球系 血球系 血球系 CD8+ T-cells Macrophages CD14+ Monocytes U-937 Th2 cells 多発性硬化症 血球系 血球系 血球系 血球系 STAT5B 血球系 GM12878 CD14+ Monocytes Jurkat CD8+ T-cells 血球系 SUM 159PT (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) データ数 0 >5 自己免疫疾患 SNP には血球系転写因子が集積 多発性硬化症 disease 炎症性腸疾患 関節リウマチ ematosus全身性エリテマトーデス クローン病 川崎病 １型糖尿病 原発性胆汁性肝硬変 sis セリアック病 (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) Summary ① Peak Browser 何がどこに結合する？ ? ? ② Target Genes 転写因子の標的遺伝子を探す。 ? TF ? ? ? TF ? TF ChIP-Atlas ③ Colocalization 共局在する転写因子を探す。 ? ? ? TF ? (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) ④ in slico ChIP ユーザデータの Enrichment 解析 ? ? ? ? ListA vs ListB Summary in silico ChIP & FANTOM5 enhancers: ✔ 組織特異性を司る転写因子を同定した。 → Direct reprogramming 実験への応用 in silico ChIP & GWAS data: ✔ 遺伝性疾患に関わる転写因子を同定した。 → 難病メカニズムの解明、治療への応用 (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org) 謝辞 Web UI の作製, 様々な提言 大田 達郎 (DBCLS) 構想, 提案 塩井 剛 (RIKEN) CoLo の提供 仲木 竜 (東大) 計算機 NIG supercomputer WABI の作製 小笠原 理 奥田 喜広 (DDBJ) サーバ提供 畠中 秀樹 (NBDC) 統計解析 瀬々 潤 (産総研) データ考察 目野 主税 (九大) H27 年度 統合化推進プログラム (統合データ解析トライアル） (ShinyaOki)ChIP-Atlas(h4p://chip-atlas.org)
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