ProtBench: Proteomics workbench 시스템

김형용, 김용욱, 김지협, 김진희, 정재은, 채수진, 정은미, 엄태진, 인용호

바이오인포메틱스(주) 연구소

ProtBench: Proteomics workbench system

Kim HY, YW Kim, JH Kim, JH Kim, JE Chung, SJ Chae, EM Jung, TJ Eom, YH In

R & D Institute, Bioinfomatix Inc.

서론

진정한 생명현상의 이해를 위해서는 개개의 유전자, 단백질만을 타겟으로 한 연구가 아니라, 이들 사이의 전체적인 상호작용, 네트워크를 이해해야만 한다.  이른바 대량분석(High-throughput)이라는 새로운 실험방법은 생명현상의 메커니즘을 밝히는데 커다란 역할을 할 것으로 기대되고 있으며, 이러한 대량분석 실험기법의 발달과 함께 대량분석실험에 맞는 데이터시스템이 필요하게 되고, 실험결과를 제대로 해석할 수 있는 생물정보학 시스템이 강하게 대두되고 있다.  대량실험방법중의 하나인 프로테오믹스(Proteomics)는 한 개체의 단백질 전체의 발현패턴, 상호작용을 연구하는 분야로서, 전체 유전자의 발현패턴을 연구하는 DNA chip에 비해서 생명현상의 직접적인 기능적 도구인 단백질을 이해한다는 측면에서, 그 효용성을 가늠할 수 있다. 이러한 연구를 위해서 실험결과 정리를 위한 일종의 데이터베이스가 요구되고, 데이터양이 너무 많고 데이터의 흐름이 복잡하며, 결과해석 역시 다량의 데이터를 처리해야 하는 만큼 수작업만으로는 곤란하며, 다양한 형태로 인터넷에 산재해 있는 분석툴을 이용해야 하는 등의 문제점등이 있다.  여기에 데이터베이스를 이용해야 할 이유가 있으며, 프로테오믹스 연구 작업공간(workbench) 역할을 할 통합된 형태의 시스템이 필요하다.  이러한 다양한 요구에 의해 바이오인포메틱스(주)에서는 생물정보학 방법론에 따라 ProtBench 시스템을 개발하였으며, 그 기능과 응용에 대해 언급하고자 한다.

본론

시스템의 전체적 구성과 개발환경

ProtBench는 통합된 형태의 프로테오믹스 연구 작업공간 (Proteomics Workbench System)을 목표로 개발되었는데, 기본적으로 실험자의 연구데이터를 저장하고 관리할 수 있는 실험정보 데이터베이스와, 이들 실험정보가 알려진 정보로 연결되기 위한 단백질 주석 데이터베이스 및 단백질 동정부를 포함하며, 이들 데이터베이스에서 유용정보를 추출하기 위한 검색부, 데이터입력, 수정 및 주석 데이터베이스 구축, 데이터교환을 위한 XML변환 등의 기능을 수행하는 데이터관리부, 실험정보 분석을 위한 프로테옴 분석부로 구성된다.  이 시스템을 이용하여 프로테오믹스 연구자는 통합된 형태의 프로테옴 데이터 관리 및 분석 작업을 용이하게 할 수 있고, 나아가 특정 질병의 메커니즘 이해에 도달 할 수 있는 종합적인 툴을 사용할 수 있다. 그림 1은 ProtBench 시스템 아키텍처를 보여주고 있다.

그림 1. Protbench 시스템 아키텍춰

본 시스템은 웹 인터페이스를 이용하고 있는데, 이 이유는 대량분석실험이라는 프로테오믹스 연구의 성격상 다수의 연구자가 참여해야하는 공동연구의 성격이 강하기 때문이기도 하며, 구축된 프로테옴 데이터베이스를 곧바로 웹을 통해 공개할 수 있다는 장점 때문이기도 하다.  물론 사용자는 웹을 통해 공개하고 싶은 데이터와  웹인터페이스를 따르는 시스템의 효율적인 개발을 위해 서버사이드 스크립트(Server Side Script)언어인 PHP가 주된 개발언어가 되었으며, 특정 복잡한 기능은 CGI로 구현되었다. 또한 관계형 데이터베이스 관리시스템(RDBMS)으로 프로테옴 데이터의 성격상 방대한 데이터의 신속한 처리 및 효율적인 구조유지를 위해 IBM DB2 UDB를 사용하여 속도 및 안정성에 대해 고려하였다.

데이터 관리부

본 시스템의 뼈대기능을 하는 두개의 데이터베이스를 쉽게 관리할 수 있는 기능을 가지는 부분이다. 프로테오믹스 연구자가 쉽게 실험결과물을 데이터베이스에 입력할 수 있는 기능을 지니며, 사용자관리기능을 통해 인증 받은 사용자만이 본 기능을 수행할 수 있다. 사용자는 특정 주제별로 자신의 데이터베이스를 구분하여 관리 할 수 있으며, 이 각각의 구분된 내용들은 공개/비공개의 선택을 통해서, 웹에 공개되거나 혹은 자신만이 관리할 수 있도록 설계되어 있다. 프로테오믹스연구에 있어서 입력되는 데이터는 만일 그 연구방법으로 2D-PAGE(2 Dimensional Polyacrylamide Gel Electrophoresis)를 사용한다고 하면, 그림 2처럼 표현되는 젤이미지와 젤내 단백질 스팟정보가 해당된다.  단백질 스팟정보는 젤내에서의 위치좌표뿐만 아니라, 차후 질량분석 실험결과, 발현분석을 위한 정량정보 등 다양한 정보들이 포함되며, 사용자는 입력할 이미지에 직접 마우스로 해당 스팟을 선택하는 과정을 통해서 이들 정보를 입력할 수 있다. 이러한 이미지 관리 및 이미지검색은 기본적으로 PHP와 GD Library가 연동되어 구현되었다. 또한 데이터관리기능으로 생성된 모든 정보들은 XML형태로 변경이 가능하도록

그림 2. 2D-PAGE 실험의 1차 결과에 해당하는 젤이미지 (예제)

설계되어, 데이터교환에 편리하도록 되어 있다. 사용자는 본 시스템에서 제공하는

XML parser와 XML 데이터만 가지고도 쉽게 다른 시스템에 데이터베이스를 구축할 수 있다.

다음으로, 단백질 주석 데이터베이스 (Protein Annotation Database)의 구축과 관련된 관리기능이 있다. 전 세계 생물학 연구자들에 의해 공동으로 만들어진 단백질 데이터베이스는 대부분 플랫화일(flat file) 형태로 제공된다.  본 시스템에서는 SWISS-PROT를 기본 단백질 주석데이터베이스로 활용하나, 사용자가 원할 경우, 이들 단백질 주석 데이터베이스는 추가로 설치될 수 있다. 단백질 주석 데이터베이스에는 지금까지 연구된 거의 모든 종의 거의 모든 단백질들의 상세정보가 수록되어 있다. 이들 단백질 상세정보에 해당하는 단백질 주석 데이터베이스와 실험정보 데이터베이스가 서로 연결됨으로써, 실험정보로부터, 단백질 상세정보를 획득 할 수 있다. 따라서 플랫화일 데이터베이스를 관계형 데이터베이스로 변환하는 단계가 필요하며, 이를 위해 Biopython 패키지를 활용하였다.

프로테옴 동정부

본 ProtBench시스템에서는 실험정보 데이터베이스에 입력된 정보들을 바탕으로 단백질 동정 의사결정을 지원하는 기능을 가지고 있다. 현재 ProtBench에서는 단백질의 등전점, 분자량, 펩타이드 매스 핑거프린팅(Peptide Mass Fingerprinting) 정보를 바탕으로 단백질 동정이 가능하도록 설계되어 있으며, 그 외의 정보에 대해서는 웹을 통해서 해당 툴을 링크하는 형식으로 만들어져 있다. 차후, 단백질 아미노산 조성비율, PSD에 의한 부분서열 (partial sequence)에 대해서도 단백질 동정 작업을 지원할 예정이다. 단백질 동정이 완료되면, 해당 실험정보 데이터베이스와, 해당 단백질 주석 데이터베이스가 서로 연결된다. 이 연결된 내용을 통해서, 향후 키워드 검색 등이 가능하게 된다.

프로테옴 검색부

프로테오믹스 연구자는 자신이 입력한 실험데이터를 통해 단백질 동정과정을 수행하고, 이로부터 특정기능과 관련된 내용을 검색하고자 할 것이다. 본 시스템은 젤이미지의 스팟을 클릭 하는 형태의 이미지검색, 단백질 상세정보와 관련된 키워드검색, 그 외 특정단백질과 유사한 단백질들을 검색하는 고급검색기능을 가지고 있다. 고급검색기능은 2D-PAGE의 젤이미지내에서 유사한 위치를 검색할 수 있는 유사 위치 검색, 팹타이드 매스 핑거프린팅이 유사한 단백질들을 검색하기 위한 유사 PMF 검색, 단백질 서열을 기준으로 유사한 서열을 검색할 수 있는 BLAST 검색기능을 자체 내장하고 있다.

그림 3. 고급검색 화면 인터페이스 중 유사위치 검색과 유사 PMF 검색화면

프로테옴 분석부

실제 연구자가 만들어낸 실험결과들을 통해서 유용정보를 유추하고자 분석하는 부분이다. 단백질 발현 비율검색, 유사 발현 패턴검색, 발현패턴을 바탕으로 계층적 클러스터링 수행, 단백질 번역후 변형 (Post-translational modification) 여부 분석, 젤이미지 비교분석 등의 기능을 가지고 있다. 계층적 클러스터링은 데이터베이스 내에 입력된 단백질들의 발현 패턴의 유사한 정도를 기준으로 단백질들을 구분하는 것을 의미하며, 이것은 최초 DNA chip의 결과 분석에 이용되는 기법이고, 본 시스템에서는 이 기법을 프로테오믹스에 도입하였다.

계층적 클러스터링을 수행한 후에 얻어질 수 있는 그림을 Dendrogram이라고 표현하는데, 본 시스템에서는 이 Dendrogram을 표현하기 위해, Python Image Library (PIL)을 사용하였다.

결론

생물정보학은 생명현상의 이해라는 인류사의 커다란 과제에 새로운 가능성을 제시하고 있으며, 현재 최신의 실험기술의 발달과 더불어, 방대한 실험결과의 해석 작업과 같이 발전하고 있다. 방대한(High-throughput)실험결과의 해석 작업은 생물학, 전산학, 통계학의 융합이며, 보다 더 많은 연구를 필요로 하고 있으며, 여전히 생물정보학연구자들로 하여금 많은 도전의 대상이 되고 있다. 특히, 프로테오믹스 연구 분야는 탐험의 여지가 충분한 미지의 분야이고, 게놈프로젝트와 더불어 생명현상의 이해, 질병의 정복, 인류복지의 향상에 기여할 것으로 예측되고 있다. 프로테오믹스 연구 분야에 있어서 ProtBench의 역할은 데이터의 관리 및 분석 등의 전체 프로테오믹스 업무를 하나의 시스템에 통합하여, 프로테오믹스 연구 데이터흐름의 중심에서 전체 연구를 관할하고, 보다 유용한 연구수단으로 자리매김하는 데 있다. 이상 소개된 것처럼, 연구 성과 데이터베이스, 관련 분석기능, 검색기능들의 접목으로 실제 연구자는 보다 전체적인 개념에서 출발하는 프로테오믹스 연구를 시도할 수 있을 것이다.  현재는 시스템 개발 초기단계로 미흡한 점이 많이 있지만, 향후, 실제 실험 연구자들과의 커뮤니케이션을 통해 더욱 발전해 나가는 시스템이 되리라 기대한다.

Reference

1. M.R. Wilkins, K.L. Williams, R.D. Appel, D.F. Hochstrasser. Proteome Research: New Frontiers in Functional Genomics, Chapter 3, Protein Identification in Proteome Projects, Springer, 1997

2.  Jeff Chang, Brad Chapman, Iddo Friedberg Biopython Tutorial and Cookbook, 2001

http://www.bioinformatics.org/bradstuff/bp/tut/Tutorial.pdf

3. Mark Lutz, Programming Python 2rd Edition, O'REILLY, 2001

4. 이승혁, PHP 웹프로그래밍가이드, 마이트Press, 2000