I.1 概要:バイオインフォマティクスにおけるデータベースの重要性

I.1.1 データベースエコシステムの理解

バイオインフォマティクス研究では、多様なデータベースが相互に連携し、包括的な生物学的情報基盤を形成しています。

バイオインフォマティクスデータベースエコシステム 1次データベース、2次データベース、専門データベース、統合データベース、解析プラットフォームの関係性を示すバイオインフォマティクスデータベースエコシステムの図 バイオインフォマティクスデータベースエコシステム 1次データベース(実験データ直接収録) 2次データベース(キュレーションデータ) 専門データベース 統合データベース 解析プラットフォーム データフロー例 GenBank 配列データ SRA シークエンシング PDB 立体構造データ ArrayExpress マイクロアレイ UniProt タンパク質情報 Gene Ontology 機能分類 KEGG 代謝パスウェイ Ensembl ゲノム注釈 ClinVar 臨床変異 COSMIC がん変異 dbSNP 一塩基多型 GTEx 組織発現 Human Protein Atlas タンパク質発現 NCBI 統合プラットフォーム EBI 欧州統合DB UCSC Genome Browser - ゲノムブラウザ Galaxy ワークフロー Bioconductor R解析環境 BioPython - Python解析ライブラリ 研究課題 DB検索 データ解析 データ統合 生物学的知見
図 I-1: バイオインフォマティクスにおけるデータベースエコシステム。1次/2次/専門/統合DBおよび解析プラットフォームの役割とデータフローを整理。

I.1.2 データベース選択の戦略的アプローチ

研究目的に応じた効果的なデータベース選択フレームワーク:

Step 1: 研究クエスチョンの分類

def classify_research_question(question_type, data_scope, analysis_depth):
    """
    研究クエスチョンに基づくデータベース推奨システム
    
    Args:
        question_type: "functional", "structural", "evolutionary", "clinical"
        data_scope: "single_gene", "pathway", "genome_wide", "multi_omics"
        analysis_depth: "descriptive", "comparative", "predictive", "causal"
    
    Returns:
        dict: 推奨データベースとアクセス戦略
    """
    
    recommendations = {
        "functional": {
            "single_gene": {
                "descriptive": ["UniProt", "GO", "InterPro"],
                "comparative": ["UniProt", "GO", "OMA"],
                "predictive": ["STRING", "GO", "KEGG"],
                "causal": ["GO", "KEGG", "Reactome"]
            },
            "pathway": {
                "descriptive": ["KEGG", "Reactome", "BioCyc"],
                "comparative": ["KEGG", "STRING", "GO"],
                "predictive": ["KEGG", "STRING", "MetaCyc"],
                "causal": ["Reactome", "KEGG", "SIGNOR"]
            }
        },
        "structural": {
            "single_gene": {
                "descriptive": ["PDB", "UniProt", "Pfam"],
                "comparative": ["PDB", "CATH", "SCOP"],
                "predictive": ["AlphaFold", "ModBase", "I-TASSER"],
                "causal": ["PDB", "CASTp", "ConCavity"]
            }
        },
        "clinical": {
            "single_gene": {
                "descriptive": ["ClinVar", "OMIM", "PharmGKB"],
                "comparative": ["ClinVar", "COSMIC", "ExAC"],
                "predictive": ["ClinVar", "PharmGKB", "DGIdb"],
                "causal": ["ClinVar", "OMIM", "DisGeNET"]
            },
            "genome_wide": {
                "descriptive": ["GWAS Catalog", "UK Biobank", "GTEx"],
                "comparative": ["GWAS Catalog", "PhenoScanner", "Open Targets"],
                "predictive": ["PRS Catalog", "GWAS Catalog", "UK Biobank"],
                "causal": ["Open Targets", "DisGeNET", "STRING"]
            }
        }
    }
    
    try:
        return {
            "primary_databases": recommendations[question_type][data_scope][analysis_depth],
            "access_strategy": generate_access_strategy(question_type, data_scope),
            "integration_approach": suggest_integration_methods(data_scope, analysis_depth)
        }
    except KeyError:
        return {"error": "Invalid combination of parameters"}

def generate_access_strategy(question_type, data_scope):
    """データアクセス戦略の生成"""
    if data_scope in ["genome_wide", "multi_omics"]:
        return {
            "method": "bulk_download",
            "tools": ["FTP", "API", "rsync"],
            "preprocessing": "required",
            "storage": "local_database_recommended"
        }
    else:
        return {
            "method": "query_based",
            "tools": ["REST_API", "web_interface"],
            "preprocessing": "minimal",
            "storage": "cache_sufficient"
        }

def suggest_integration_methods(data_scope, analysis_depth):
    """データ統合手法の提案"""
    integration_matrix = {
        ("single_gene", "descriptive"): ["manual_curation", "simple_joins"],
        ("single_gene", "comparative"): ["orthology_mapping", "sequence_alignment"],
        ("pathway", "predictive"): ["network_analysis", "enrichment_analysis"],
        ("genome_wide", "causal"): ["mendelian_randomization", "colocalization"],
        ("multi_omics", "predictive"): ["multi_modal_ML", "network_integration"]
    }
    
    return integration_matrix.get((data_scope, analysis_depth), ["custom_integration"])

# 使用例
recommendation = classify_research_question("clinical", "single_gene", "predictive")
print(f"推奨データベース: {recommendation['primary_databases']}")
print(f"アクセス戦略: {recommendation['access_strategy']['method']}")