Sample to Insight
株式会社キアゲンアプライドアドバンストゲノミクス
宮本真理, PhD
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QIAGEN Bioinformatics
疾患ゲノム解析セミナー ~変異検出から解釈まで~
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アジェンダ
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Biomedical Genomics Workbench
ケーススタディ
Ingenuity Variant Analysis
ケーススタディ
まとめ
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NGSデータ解析の3つの注意点
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• 解析ツールの使い方が分からない、難しい。多くの学習時間を必要とする。
• 解析ツールを正しく使っているか分からない。もっと検討しないといけないのでは?
• 解析結果を解釈できない。それらしいバリアントのリストは出来たけど・・・
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Ingenuity Variant Analysis
QIAGEN® Clinical Insight
Ingenuity Pathway Analysis
GenomeTrax™
HGMD®
PGMD™
Inova Genomes
Biomedical
Genomics
Workbench
&
Biomedical
Genomics Server
Solution
GeneRead Library
Prep Kits
GeneRead Size
Selection Kit
GeneRead
DNAseq Library
Quant Array
GeneRead
DNAseq PanelGeneRead DNA FFPE Kit
QIAamp Circulating NA Kit
exoRNeasy Kits
REPLI-g® Single Cell Kits
GeneRead DNA
QuantiMIZE Kit
RNeasy Kits
Any Sequencer
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NGSデータ解析の3つの注意点
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• 解析ツールの使い方が分からない、難しい。多くの学習時間を必要とする。
• 解析結果を解釈できない。それらしいバリアントのリストは出来たけど・・・
• 解析ツールを正しく使っているか分からない。もっと検討しないといけないのでは?
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CLC Genomics Workbench vs. Biomedical Genomics Workbench
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Biomedical Genomics Workbench は疾患解析専用
GWB BxWB
疾患専用解析パイプライン
Ingenuity Variant Analysisプラグイン
解析基本ツール(マッピングなど)
ヒト・マウス・ラットゲノムダウンロード
植物・バクテリアゲノムダウンロード
De novoアセンブリ
これからヒト疾患解析ソフトウェアを購入される場合は、Biomedical Genomics Workbench!
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Biomedical Genomics Workbench 2.5
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NGSデータ解析の3つの注意点
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• 解析ツールの使い方が分からない、難しい。多くの学習時間を必要とする。
• 解析結果を解釈できない。それらしいバリアントのリストは出来たけど・・・
• 解析ツールを正しく使っているか分からない。もっと検討しないといけないのでは?
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変異解析フロー
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全体の流れ
インポート
QC、トリミング
マッピング
マッピング補正
変異検出
アノテーション
フィルタリング
実はとても煩雑
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煩雑な解析をより簡単に実行できるように
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お客様からの要望の反映
バッチツール ワークフローツール
• 各解析ツールをバッチで処理可能に• マッピングを一度に10検体などの処理が可能に
• フローチャート形式で解析ワークフローを作成できるツール搭載
ワークフロー組み込み型
• 疾患解析に特化した解析ワークフローを多数搭載• 雛形としても利用できるため、すぐに解析が始められる
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カバレッジが200以上の際の検出感度は98%以上。特異度は99.99%以上
詳細は
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体細胞癌解析ワークフロー
体細胞癌
https://www.qiagenbioinformatics.com
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体細胞癌
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Introduction- Rare & Hereditary Diseases
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希少疾患 遺伝性疾患
de novo 変異や compound heterozygous
を検出遺伝性疾患の原因遺伝子の検出
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遺伝性疾患
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End-to-end workflows for hereditary diseases
検出感度は97.7%以上。特異度は99.99%以上
https://www.qiagenbioinformatics.com/
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遺伝性疾患
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BxWBワークフローの実施と結果の閲覧
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バリアント特定
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カスタマイズも容易に可能
ワークフロー
• ドラッグアンドドロップでツールを追加• 不要な解析は削除• アウトプットも選択可能
• デフォルトのパラメータを変更したり、実行時にはデフォルトでのみ実行できるようにロックする事も可能。
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ワークフロー以外のツール群
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バリアントへの情報付加
• エクソン番号の付加• アミノ酸置換の情報を付加• 様々なデータベースの変異情報を付加• 立体構造での変化を調べる
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ワークフロー以外のツール群
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立体構造で薬のターゲット領域など機能作用部位にバリアントが見つかったかどうかを調べる
Chr Region Type Ref. Allele
PROTEIN
change GENE IMPACT
Link to 3D protein
structure Effect on drug binding site
4 55594258 SNV T C p.V654A KIT missense KIT Val654Ala 242 drug hits (Val654Ala)
6 32632645..32632646 MNV GG CC p.T103R HLA-DQB1 in-frame HLA-DQB1 Thr103Arg 12 drug hits (Thr103Arg)
6 32632649..32632650 MNV CC TG p.G102Q HLA-DQB1 in-frame HLA-DQB1 Gly102Gln 9 drug hits (Gly102Gln)
KIT KIT(Val654Ala)
BxWBのみで、ここまで解析できます。
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ケーススタディ
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急性骨髄性白血病解析
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• 高齢者(60歳~)で急性骨髄性白血病(AML)の治療に導入療法を用いる
と、癌の複雑さから症状の悪化や寛解率の低下が見られ慎重な対応が必要であった。
• 細胞診による染色体の核型を調べる方法が有効な方法であるが、数週間の時間を要する。AMLでは10%においてTP53の変異が細胞診の結果と
関連があり、細胞診の結果が悪い場合にTP53に変異が入っている場合がある。
• そこで60歳~のAML患者においてTP53のバリアントをNGSで解析し、変異の状況を調べている。
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急性骨髄性白血病解析
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結果
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Biomedical Genomics Workbench 2.5(BxWB 2.5)
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1. 参照配列管理がより容易に。hg38にも対応
Mouse and rat reference data can be used for transcriptomics analysis
Tutorial data is part of the supplied reference data
The concept “Reference Data Set” has been introduced (consisting of “Reference Data
Elements”)
Reference data soon to come: UCSC, RefSeq release 70, ensembl v81
2. 新しくhereditary disease (遺伝性疾患)ワークフローを搭載
3. Ingenuity Variant Analysis Plugin が機能拡張。BxWBとIngenuity Variant Analysisの連携もより強化。
4. エピゲノミクス分野も更にツールを強化:
Bisulfite Sequencing Plugin
Histone ChIP-Seq Plugin
新しい機能
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NGSデータ解析の3つの注意点
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• 解析ツールの使い方が分からない、難しい。多くの学習時間を必要とする。
• 解析結果を解釈できない。それらしいバリアントのリストは出来たけど・・・
• 解析ツールを正しく使っているか分からない。もっと検討しないといけないのでは?
• インターフェース付きの解析ソフトに解析ワークフローがあらかじめ搭載されている事で、容易に解析を始める事ができる。
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NGSデータ解析の3つの注意点
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• 解析ツールの使い方が分からない、難しい。多くの学習時間を必要とする。
• 解析結果を解釈できない。それらしいバリアントのリストは出来たけど・・・
• 解析ツールを正しく使っているか分からない。もっと検討しないといけないのでは?
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Ingenuity Variant Analysis
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Ingenuity Variant Analysis Knowledge Base Fact
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IVAを使って解析されたヒトサンプル数
エキスパートによりキュレーションされた表現型が関連付けられているFindings 数
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Comprehensive Curation of the Scientific Literature
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15年以上にわたりメンテナンスされているナレッジベース
ナレッジベースに登録されているもの
• 既知の biological processes/pathways
• 既知のバリアントと遺伝子
• 既知の表現型と遺伝子の関係
• 既知の薬物とターゲット、パスウェイの関係
THE QIAGEN KNOWLEDGE BASE
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コンテンツにコンテキスト(文脈=背景)を紐付け
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整理された情報を分かりやすく意味ある情報にして提供。
パスウェイやネットワークで視覚化されているため直感的に理解できる。
THE QIAGEN KNOWLEDGE BASE
CURATION
Unified Ontology
Disease models
Pathways
Biomarkers
Causal Networks
Regulatory
Hereditary
Experimental
Somatic
Mouse Ortholog Models
Associations
Copy number
PGx & Clinically Validated
Bio
log
ica
l M
od
els
Mu
tatio
n C
on
ten
t
LITERATURE & DATABASES
FDA LABELS, GUIDELINES
PRIVATE VARIANT DB
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論文情報に加え様々なデータベースの情報を搭載
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Mouse Genome Database
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Ingenuity Variant Analysis
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データをクラウドへアップロード。インタラクティブなフィルタリングにより様々な設定、順番で視覚的に分かりやすく絞り込みが行えます。
• 塩基のクオリティのフィルター
• ACMG(American Collage of Medical Genetics)の基準に基づいたバリアントの影響予測
• ShiftやPolyphenといったツールによる機能へのダメージの予測
• 1000人ゲノムなどの変異情報のフィルタリング
• バリアント型(Homoe, Hetero, Hemi etc. )
• がんに関連する様々な表現形との関連が論文やデータベースなどで知られているかどうか
※フィルタリングの一例です。
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Ingenuity Variant Analysis
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パスウェイによる意味づけ
• 絞り込まれたバリアントを持つ遺伝子はどういったパスウェイで多く見られるのか、統計的に解析し順位付け。
• パスウェイ上にバリアントを持つ遺伝子がハイライトされ、瞬時に影響が出る箇所を見つけることが可能です。
• さらに薬のターゲットとなる遺伝子かどうかを重ねがきすることも可能です。
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Ingenuity Variant Analysis
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Biological Context Filter
• 興味の対象となるキーワードを入れ、関連するバリアントを絞り込む。
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Ingenuity Variant Analysis
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Biological Context Filter
• キーワードは患者に見られる症状なども入力可能。
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Ingenuity Variant Analysis
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バリアントリストから、機能への影響を調べる、Path to Phenotype 機能
• バリアントが表現型とどのように関係しているか、中間の分子も含めて関係を表示。
• これらの関係はすべて博士号を保有するエキスパートにより急レーションされた論文の実験結果から得られた知見をまとめたデータベース(ナレッジベース)に基づき、決定されています。
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Ingenuity Variant Analysis
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HGMD情報も既に搭載済み
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QIAGEN Bioinformatics ソリューション
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Biomedical Genomics Workbench + Ingenuity Variant Analysis = a strong team!
Biomedical Genomics
Workbench & Server
よりシームレスな解析を
Prepare
Sequence
Data Analysis
] Interpretation
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Biomedical Genomics Workbench & Ingenuity Variant Analysis Plugin
Ingenuity Variant Analysis (IVA)はBiomedical Genomics Workbenchからプラグイン経由で利用できます。
あらかじめ設定したフィルタリングでBxWBからIVA へフィルタリングをかけることも可
能です。
プラグインを使う事で、自動でデータがアップロードされ、結果も自動でインポー
トされます。
絞り込んだバリアントを再度マッピング結果で確認するステップが非常に簡単になり
ます。
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ケーススタディ
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ユーザー事例
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すでに様々な論文が発表されています。
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論文紹介
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Whole Exomeによる疾患原因バリアントの特定
• 気管支拡張や末梢神経障害が見られた患者にWhole Exome を実施し、IVAを使った解析により原因と見られるバリアントを特定。
• バリアントのVCFデータをIVAでフィルタリングした結果
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お客様の声
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Case Study
• 難聴のコホートの患者サンプルからExomeシークエンスデータとコピー数バリアントのデータを用い、難聴に関連した新規LociをIngenuity Variant Analysisを使って発見。
• “You only have to upload your data once, and Variant Analysis allows you to manipulate it, query all of the external databases,and run all the algorithm you want to use– all at the click of a button”
“データを1度Variant Analysisへアップロードするだけで、データをうまくコントロールできるようになり、外部のデータベースや実行したいアルゴリズムを使えるようになりました。-すべてボタンをクリックするだけで。”
• “It allows people who aren’t experts in genomics to quickly ask questions about the data without having to worry aboutputting all the components together to make the best informatics pipelines”
“ゲノミクスのエキスパートでなくとも、最高のインフォマティクスの結果を得るために、解析に不安を覚えることもなく、データについて迅速に調べることが出来ました。”
スタンフォード大学Rajini Haraksingh
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お客様の声
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Case Study
• イギリスのオックスフォードメディカルリサーチセンターでは脳の機能不全を持つ家系データに対してWhole Exomeシークエンスを実施。病気により流産した胎児のデータから、原因となるバリアントの候補を特定。
• 原因となるバリアントは、劣性遺伝によるものと考えられたが、生殖系細胞のモザイシズムによる可能性もあった。
• “Having this software was quite useful because you can changethe order that all the filtering is performed and you can
very quickly switch from the recessive mechanism to this de novo parental mosaicism model.”
“このソフトウェアは、とても便利でした。フィルターの順番を変えて実行でき劣性遺伝によるメカニズムなのか、de novo のモザイシズムによるものなのかをすばやく変更できました。”
その他のユーザー事例は、以下よりご覧いただけます。
https://www.qiagenbioinformatics.com/insights/featured-researchers/
オックスフォードバイオメディカルリサーチセンターDr. Alistair Pagnamenta
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希少疾患の原因遺伝子の特定
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The Rienhoff story
2003年にベアトリスが生まれた時、長く細い足と、曲がった指、そして成長するにつれて体重が増えず、何か問題があるに違いないと考えたReinhoffは様々なデータを集め研究を開始。
詳細を調べるために家族全員(両親とベアトリス、もう二人の子供)のExomeをNGSでシークエンス。
* Rienhoff Jr HY, Yeo CY, Morissette R, Khrebtukova I, Melnick J, et al. (2013) A mutation in
TGF-ß3 associated with a syndrome of low muscle mass, growth retardation, distal
arthrogryposis and clinical features overlapping with Marfan and Loeys-Dietz syndromes.
Am J Med Genet A 161: 2040–2046.
* Personal genomics: His daughter's DNA.(2007) Nature 449, 773-776
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The Rienhoff story
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Rienhoff Case Study – Comparison false positives
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Rienhoff Case Study
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BxWBでの再解析:トリオ解析
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Rienhoff Case Study
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BxWB + Ingenuity Variant Analysis including Biological Context フィルター
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結果
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NGSデータ解析の3つの注意点
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• 解析ツールの使い方が分からない、難しい。多くの学習時間を必要とする。
• 解析結果を解釈できない。それらしいバリアントのリストは出来たけど・・・
• 解析ツールを正しく使っているか分からない。もっと検討しないといけないのでは?
• Ingenuity Variant Analysis を使う事でバリアントのリスト同士の関連を
過去の論文を元に精査し、ストーリーを作る事ができ、新たな仮説を立てる事が容易になる。
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NGSデータ解析の3つの注意点
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• 解析ツールの使い方が分からない、難しい。多くの学習時間を必要とする。
• 解析結果を解釈できない。それらしいバリアントのリストは出来たけど・・・
• 解析ツールを正しく使っているか分からない。もっと検討しないといけないのでは?
• 商用ソフトウェアは製品だけでなくテクニカルサポートも含まれます。解析ツールを熟知したサポートが解析のトレーニングから疑問点まで質問に回答します。また開発を行っているディベロッパーが社内にいるため、製品への要望なども行えます。
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データ解析環境
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データ解析環境
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Genomics
WB
Genomics
Server
Genomics
WB
Genomics
WBGenomics
WBGenomics
WBGenomics
WBGenomics
WB
研究者1人で少数のサンプル解析
+
Sit
uati
on
Pro
du
ct
Genomics
Server
+Commercial
Add-ons
“Modules”
Commercial
Add-ons
“Modules”
Commercial
Add-ons
“Modules”
1つのソフトウェアでいくつかの解析
計算ノードを使って効率的に解析
保存ディスクを大きくし、大量なデータ管理とユーザー管理
Pro
研究者1人で大量のサンプル解析
共同利用研究施設など、複数の人が多くの解析を実行
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CLC Genomics Server
+ CLC Genomics Workbench (Network license)
・・・・・・
・・・
2TB memory
事例: Osaka University
1TB memory
500GB memory
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まとめ
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• 疾患患者に対するゲノム解析への期待は非常に高く、これから益々行われていくものと思われます。正確な解析が求められる一方、解析者不足も指摘されています。しっかりと使いこなせ、相談できる解析環境を見つける事がとても大切です。
• Biomedical Genomics WorkbenchとIngenuity Variant Analysisは解析結果の作成から解釈までをスムーズにサポートする製品です。
• テクニカルサポートを利用する事で解析の初歩から論文作成に辿り着けるようサポートしています。
• キアゲンバイオインフォマティクスの解析環境は小規模から大規模まで対応しているため、小規模で開始してから長い間拡張しつつご利用いただけます。
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ご清聴ありがとうございました。
Question?
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