Cytoscape生物学的ネットワーク解析と可視化のためのオープンソースプラットフォーム

UC, San Diego Bioengineering Dept. Trey Ideker LabResearch Associate 大野 圭一朗

C

自己紹介• 大野　圭一朗• UC, San DiegoBioengineeringTrey Ideker Lab

• Research Associate

‣ とは言っても、基本的にはソフトウェア開発者

• Cytoscapeコアディベロッパー

概要•Cytoscapeとは？•基本的な機能の紹介•プラグインによる拡張•次期バージョンへのロードマップ

Cytoscapeとは？

ネットワークデータ解析と可視化のためのオープンソースプラットフォーム

•データ統合•可視化•解析

開発の動機

•ゲノムビューアなど、シーケンスやタンパク質の構造等の可視化技術は既に充実している

•しかし、タンパク質間相互作用、パスウェイ等を扱うソフトウェアには未だ定番がない

➡オープンな環境で皆が使えるソフトウェアを開発しよう

簡単な歴史 1• Institute for Systems BiologyのPaul Shannon博士が中心となり最初のバージョンがリリース

簡単な歴史 2

•その後UCSD等の研究機関が開発に参加•現在は非営利団体のCytoscapeコンソーシアムがコア部分を開発。

•多数の研究機関がその機能を使って独自のプラグイン（後述）を開発中

Cytoscape Consortium

研究開発資金の流れ

コンソーシアムのメンバー資格

•最低一人のフルタイム開発者を雇用•もしくはそれに匹敵する費用を負担➡日本からの参加もお待ちしています

（研究資金の配分の仕組みの違いから難しいかもしれませんが・・・）

基本的な機能

1. データ統合

データ統合

•ネットワークと各種アノテーション、実験データ等を統合

•公共データベースのウェブサービスクライアントとして機能

•標準的なファイルフォーマットをサポート

データ構造

•ネットワーク（グラフ）•頂点（ノード）•辺（エッジ）•属性値（アトリビュート）

属性値とネットワーク

データ統合

→ネットワークと属性値の結合

データ統合の重要性 (1)　

•生物学的ネットワークのデータベースが徐々に充実

• STRING• HPRD• IntAct• BioGRID

データ統合の重要性 (2)　

• ネットワークのみの情報では解析に限界がある

• 機能情報等との統合の必要性• 遺伝子の機能アノテーション• 三次元構造へのリンク• 既知のパスウェイへのマッピング

データ統合の重要性 (3)　

•しかし、その公共データベースの情報を、ユーザー自身がその都度加工して統合するのは面倒

➡標準ファイルフォーマットのサポート

➡Webサービスの活用

Cytoscapeで扱う生物学的なデータ

•ネットワーク• Protein-Protein Interactions

• Protein-DNA Interactions

• Pathway

• 属性• 機能アノテーション

• 発現データ

• 元データのページへのリンク

• エッジの重み

サポートされているフォーマット

• SIF• GML• XGMML• GPML (GenMAPP

Pathway XML)

• BioPAX

• SBML• PSI-MI1.0/2.5• Excelスプレッドシート

•テキスト形式（タブ区切り等）

BioPAXに対する自動的なVisual Styleの適用

サポートされているWebサービス

•BioMart• NCBI Entrez Gene• PathwayCommons• IntAct• KEGG (WikiPathwaysを通じて)

• Reactome• PICR

サポートを予定しているWebサービス

• インタラクション系➡STRING

➡DAS (Interaction)

• マイクロアレイ➡ArrayExpress

➡GEO

• その他➡EBIの各種Webサービス

➡Bio2RDF

Web Service Client Manager

• Webサービスクライアントをまとめて管理

• 一つのウインドウから様々なサービスへアクセス可能

Advanced Network Merge

データ統合機能のまとめ

•ローカル／リモートの区別が無いデータのインポート

•多様な標準的データフォーマットのサポート

•公共Webサービスのクライアント•ユーザーの手間の最小化

2. 可視化

可視化•ノードを見やすく配置• ネットワークデータを属性値に基づいて可視化

• 各種画像データとしてそれを出力

• PDF/JPG/PNG/PS/SVG

レイアウト

•直感的に理解しやすい形へネットワークのノードを自動配置

•手動による微調整もサポート

初期状態

Organic

Circular

Tree

VizMapper

•属性値を視覚効果へマッピングする機能➡ノードの色、形、大きさ等

Visual Style無し

Visual Style適用後

よくある可視化の例

アレイの発現データをノードの色へ

大規模なネットワークにモジュールを表示

3. 解析

解析•各種統計値の取得• 属性値によるフィルタリング• 最短経路の表示• トポロジ／属性値による機能モジュールの発見

解析機能

•コア部分には最低限の解析機能のみを含む•フィルタリング•検索•解析はプラグインにて行う

プラグインによる拡張

プラグインとは？

•コア部分の機能を使い、ユーザーが独自の機能を作成

• Javaにより実装• 次期バージョンではスクリプト言語もサポート

プラグインの種類•世界各地の大学や研究機関が開発•公開されているものだけで数十種類•様々な用途向けにカスタマイズ• ネットワーク／属性値インポート

• 解析

• 可視化機能の拡張

プラグインの公開•基本的に誰でも公式サイトで公開可能• 公開されれば、ユーザーはプラグインマネージャから簡単にインストールできる

•公式サイトのプラグインページから投稿

2.6向けプラグインの紹介

データインポート

BioMart Client

PathwayCommons Client

解析

BiNGO

jActiveModules

MCODE

可視化機能の拡張

StructureViz

Cerebral (Cell Region-Based Rendering And Layout)

CyOog

Bubble Router

その他

RDFScape

RubyScriptingEngine

Gaggle

ここまでのまとめ

•プラグインの組み合わせでかなりのデータ統合や可視化が可能

•プログラミングの出来る人は、複雑ネットワーク可視化のツールボックスとして利用できる

現在の最新バージョン: 2.6.1

現在の機能のデモ

C ３

現在の問題点•未整理なレガシーコード- ViewとModelがきれいに分離していない

- 理解し辛いAPI• プラグインの衝突• Javaであるが故のプラグイン作成の敷居の高さ

Cytoscape 3•OSGiベース•データモデルの変更•大規模なリファクタリング• Spring Frameworkの採用•動的言語のサポート•サーバーサイドでの活用

Cytoscape 3

•来年初頭ベータリリース予定•暫くは2.6.xと3.0が共存

モジュール化

モジュール化によるメリット•再利用可能性のアップ•標準的なテクノロジの利用による疎結合の実現

➡他のプロジェクトとの連携

➡Taverna

➡BioJava

➡デスクトップ以外への展開

モジュール化に用いられるテクノロジ

•OSGi• Spring Framework• Spring Dynamic Modules• インターフェイス指向の設計

OSGiとは？

•動的なモジュールのロード•ライブラリやプラグインの衝突の回避• Eclipseでの実績• Java 7でのサポート

Cytoscape 2.x

Hardware

Operating System

Java Virtual Machine

Cytoscape Application

Plugin 1 Plugin 2 Plugin 3

Cytoscape 2.x

User Interface

Data Model(Networks & Attributes)

Views and Other Components

C3 ArchitectureModel

Command

Presentation

I/O

View Model

Application

OSGi

デスクトップ以外への展開 (1)

• 現状では、Cytoscapeは一デスクトップアプリケーション

• モジュール化により部品単位での利用が可能

デスクトップ以外への展開 (2)

• サーバーサイドでの利用• データモデルと画像出力部分を利用し、オンザフライでネットワーク図をブラウザに返す

• コマンドラインアプリ• バッチ処理 - 数百のネットワークと属性ファイルを読み込み、一連の解析を行い、結果をXHTMLファイルとして出力

動的言語のサポート

2.6でのサポート

•実験的• RubyとJavaScript

Cytoscape 3でのサポート

•コア部分でのスクリプト言語サポート• Ruby, JavaScript, Groovy, Python•スクリプト言語によるプラグイン実装

JVM Scripting Languages

• JRuby (Ruby)

• Jython (Python)

• Rhino (JavaScript)

• BeanShell

• Groovy

• and a lot more languages

一般的なスクリプト言語

Hardware

Operating System

Scripting Language Interpreter (Written in C/C++)

Scripts

JVM上でのスクリプト言語

Hardware

Operating System

Scripting Language Interpreter (Written in Java)

Scripts

Java Virtual Machine

OSGi + Spring Framework + Scripting Engines

User Scripts

現在利用可能な言語

解析手法やワークフローを実装する

プラットフォームとして

•モジュール化によるメンテナンス性の向上•プラグイン開発者が理解しやすいすっきりしたAPI

更なる情報

具体的な利用法解説•Nature Protocolsにチュートリアル的なペーパーを昨年発表

公式サイトwww.cytoscape.org

日本語サイト

http://cytoscape.seesaa.net/

http://cydoc.sourceforge.jp/

Thank You!