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欧宝直播官网appHOME-BIO(生物实体的鸟枪宏基因组分析):用于宏基因组鸟枪测序数据分析的具体和全面的管道

摘要

背景

下一代测序(NGS)能够检测微生物存在于生物和其他基质的各种来源和自然,不仅允许识别已知的门和菌株,而且发现新的。NGS生成的大量宏基因组猎枪数据需要全面和用户友好的数据分析管道,这加快了生物信息学步骤,使用户从手动执行复杂和耗时的任务的需要。

结果

我们在这里描述了家庭生物(生物实体欧宝直播官网app的霰弹枪Metagenomic分析),一种用于Metagenomics数据分析的详尽管道,包括三个独立的分析模块,专为大NGS数据集分析而设计。

结论

欧宝直播官网appHOME-BIO是一个功能强大且易于使用的工具,也可以由具有有限计算专业知识的用户运行。它允许通过删除低复杂性/有问题的读取进行深入分析,通过查询不同的源数据库集成分析步骤,从而得到每个示例的全面分类概要,并且可以根据特定用户的需求进行定制。

背景

宏基因组学是一个跨学科研究领域结合分子遗传学,微生物生态学和数据处理[1.].如今,在高通量测序技术的进步允许分析临床或环境样品的总基因组含量,在一次检测大量生物体和病毒的,并允许对分类组成关联到它们参与的代谢过程[2.,3.].适用于宏基因组分析中的主要测序方法是,所谓的“标记基因”和“鸟枪法”测序方法。这些是需要的每个感兴趣的单个微生物物种,这只能提供有限的视图的分离和培养的标准方法现在广泛使用的方面,即使考虑到数种微生物不容易在体外培养[4.].Marker gene approach (e.g., amplicon sequencing of 16S rRNA gene of bacteria), focuses on a polymorphic region of the microbial genome, that is amplified and sequenced in order to infer at once the composition of the (nearly) entire microbial community present in a given sample [5.].这种战略预计相应于16S细菌rRNA基因,其示出了一些独特的特征,使得它适合于在大范围的细菌[中的单个步骤的分类学分析和分析PCR扩增的序列的测序6.].与此相反,宏基因组鸟枪法测序(例如所有宏基因组,WMG测序)靶向所有微生物的核酸从样品中分离,随后从混合物中随机抽取DNA的深度测序。此过程的主要优点是由一个大量而获得的数据和信息的表示。相反,16S标记基因测序,该方法避免了PCR扩增,潜在偏差的主要来源,并且提供了深入本微生物的知识的样品中,由不仅细菌而且真菌,原生动物和病毒的实体[7.,8.].几种微生物的存在及其相互作用和宿主,在许多生理病理过程中发挥重要作用,如生殖、免疫系统活动、癌症和代谢紊乱[9,10,11,12].数据产生由WMG鸟枪测序包括大集的测序读取和表示生物信息学分析和生物解释,临床样品特别是在一个挑战。WMG的数据分析需要多个临时工具设计,它的安装和配置,包括参考库和计算环境变量的执行,是复杂和麻烦,特别有限计算专业知识调查。此外,可用于非专家用户最管道设计用来测量从环境样品中微生物群的组合物(例如土壤,水),而不是它们的检测和表征的生物基质中的多样性。此外,这些管线不提供样品宏基因组内容的全球视图,因为他们一般都被设计用于特定实体[13,14,15,16].在这方面,柯托哈[17]是专为植物数据集开发的工作流程,仅从混合RNAseq数据中识别病毒序列。元流[18],相反,执行分类使用的基因组序列(DNA)纹。它是在C ++实现的,需要一个特定的输入文件格式(柠檬的LGF):比对的基于图的表示的宏基因组的来自细菌域导出的参考基因组集合中读取。其他管线如NF-rnaSeqMetagen [19]被设计用于RNA测序数据,因此,对于宏基因组学的利用有限的。此外,这条管道是Nextflow中实现的20]执行工作流所需的所有应用程序都以奇点形式进行了容器化[21].尽管如此,它执行质量检查步骤,主机筛选,的未映射分类学分析读取,而且,为了使系统分类更快,它也运行与三位一体[组装从头步骤22].Metaphlan2 [23]是另一种用于分析微生物社区的组成的工具,但在目前的版本中,无法查询原生动物数据库。此外,其他可自由的解决方案,如Asaim [24]或Galaxy [25],能够在Metagenomic调查中进行许多步骤,包括几种详尽的综合工具。例如,ASAIM是一种专用于Microbiota数据分析的开源银河系,也通过Docker和Conda分发。mgnify [26],相反,提供了一种用于组装,分析平台和微生物组数据的归档,需要互联网连接和登记。几个免费的宏基因组管道的共同特征和特定特征的总结报告的其他文件1.. 因此,对于宿主遗传物质含量可变的样本进行鸟枪测序,仍然没有一个易于使用、全面和具体的分析工作流程,这是非常需要的。

在此,我们介绍HOME-BIO(生欧宝直播官网app物实体的鸟枪宏基因组注释),这是一种用于分析WMG鸟枪数据集的对接解决方案,旨在解决上述限制和问题。HOME-BIO是一个模块化且灵活的管道,允许操作员在WMG霰弹枪分析中常用的两种分析方法之间进行选择,从而实现分类分析。第一个是定义的宏基因组鸟枪模块,根据精确的k-mer匹配进行分类表征和丰度估计,以实现高精度和快速分类速度。相反,组装从头模块提供重叠序列的组装,以便对样本中测序的整个基因组进行无偏分析。此外,在宏基因组学应用中,物种分类的性能可以通过使用由短读组装而成的长读来提高[27].两个主要模块(Metagenomic Shotgun和组装De Novo模块)之前是质量控制步骤,它结合了序列读取的质量检查,然后过滤宿主和污染物读取,这可能会干扰结果。与上面提到的其他管道相比,家庭生物显示了一些常见和特定的功能(附加文件欧宝直播官网app1.)。之一的HOME-BIO的特征是附加蛋白质验证步欧宝直播官网app骤,在这两个模块中可用,这使得更鲁棒的分类学分析分析。使用蛋白级分类,可以提高学习的准确性[28].这种特点使家用生物详尽且准确,导致对对Metagen欧宝直播官网appomics感兴趣的调查人员手中的灵活和即用的工具。事实上,家庭生物欧宝直播官网app是独立于平台的,由于Docker实现,不需要耗时和繁琐的安装或依赖性问题。它的模块化使其灵活地对用户的需求。在这种情况下,用户可以选择一些输入选项(DNA或RNA,单个或配对端读取测序协议),并查询各种参考数据库,以获得偏见的分类样本的综合分类分析。我们在使用加入号SR欧宝直播官网appP040611的Bioproject / Biosamples下存放在NCBI数据库中的公共数据库上的Home-BIO测试29]. 在他们的研究中,Mitra等人从7名患者中收集了动脉粥样硬化组织样本,这些患者在反复短暂性脑缺血发作或轻微中风后接受了选择性颈动脉内膜切除术,并从5名对照组中收集了无症状的动脉粥样硬化斑块。结果以图形形式报告,总结所有分析的实验,更好地理解每个样本中确定的生物实体。

实现

欧宝直播官网appHome-Bio使用主要用于Metagenomic分析和自定义Python脚本的两种工具来实现,以产生表格和图表,以便立即和更容易地解释结果。该管道的中央核心是其模块化,由三个主块组成:“质量控制”,“梅古元霰弹枪”和“装配DE Novo”模块(图。1.)。它们可以一起或单独运行,根据用户的需求。“质量控制”模块允许执行序列读数质量检查和包括FASTQC [30]和MultiQC [31],进行质量检查和分别质量控制,摘要,而适配器修整和去除低质量的读取是通过Cutadapt执行的处理32]. 如果需要,HOME-BIO欧宝直播官网app会执行过滤步骤,通过将宿主和污染序列片段映射到相应的基因组上来移除它们。使用领结执行此对齐[33],对于长度小于50 bp的输入读取,并且鲍蒂读数[34]对于那些超过50 bp的人。“Metagenomic Shotgun”模块通过将未映射的读数与克拉克纳米进行分类来执行分类学分析[35].缺省情况下,0.5的置信度得分的阈值被用来定义分类学分类的质量。为了提取尽可能多的信息提供了由Kraken2建可能,细菌,病毒,原虫和NCBI数据库。尽管如此,如果用户想要探究仅域之一描述的前(或唯一的病毒实体),可以设置自定义选项查询仅一个(或多个)数据库和获得所需的分类信息。相比于其它分类学分析管道免费提供的,诸如微专[36],METAwrap[37],和新光[38],H欧宝直播官网appOME-BIO为非真核生物实体执行额外的蛋白质验证步骤。通过使用蛋白质级分类和Kaiju,这种实现使得分类分类结果更加健壮[28],从而增加了分析的可靠性和灵敏度。Kaiju进行比较,以包含微生物和病毒的蛋白序列的参考数据库。未映射宏基因组输入读取由此翻译成氨基酸序列,然后用所述的存储器高效实现的改性向后搜索Burrows-Wheeler变换,其发现最大精确匹配搜索在数据库中。由于默认情况下,我们设置了评估在运行模式贪婪的与0.001 e值截止。分类与Kaiju的所有实体,然后用克朗[处理39],以获得全面的图形显示。作为输出,“宏基因组鸟枪法”模块生成包含Kranken2分类学轮廓和相关Kaiju蛋白验证信息的表。一个给定的分类单元被认为是蛋白质验证时,这两个工具的分类和分配读取它。此外,HOME-BIO生成欧宝直播官网app输出饼图与顶部15表示种,它们中的每的相对丰度的估计。在“大会从头模块分析,HOME-BIO使用黑桃欧宝直播官网app[40]在宏基因组模式(选-)。它发生在输入未映射读取从“质量控制”模块产生的,从而产生被分类与Kraken2序列重叠群,并如前文所述蛋白质验证与Kaiju。如上所述,HOME-BIO需要的几个参考欧宝直播官网app数据库的优势。这使得用户可以深入研究它们的生物样品的内容。我们从挂钩完全RefSeq的细菌,病毒,原虫和基因组/蛋白质NCBI分类学信息。如果在终端到终端的模式下运行,管道通过查询上述数据库提供的标本全面剖析。这一方面使得HOME-BIO在用户处欧宝直播官网app理宏基因组数据的手的有力工具。

图1
图1

欧宝直播官网appHOME-BIO工作流程。管道接受NGS的数据作为输入,然后进行根据包括在所述三个模块的不同的步骤来进行分析。质量控制模块(橙色)的执行的QC读取,低复杂度的读出的去除,和主机和污染物测序读数过滤(在黑暗中橙色的矩形表示),产生作为输出的质量报告和图形图表(在浅橙色指示长方形)。的序列读数保持在该步骤之后所使用的宏基因组鸟枪模块(绿色)处理和/或大会从头模块(蓝色)。在第一种情况下,所述读出由Kraken2和Kaiju(在黑暗中绿色的矩形表示)进行处理,产生作为输出的文字的表格和图表。大会从头模块通过用铲子组装并用Kraken2(深蓝色矩形)注释,产生作为输出的文字的表格和图表处理序列。两个模块,一个自定义数据库(在灰色框表示)被用来

为了使其安装更容易,HOME-BIO插入一个码头工人[欧宝直播官网app41]图像,安装的Ubuntu 18.04.4 LTS和Anaconda 3(V. 02/2020)(https://anaconda.com)。这允许所有所需的工具始终彼此兼容,自动更新,并由Anaconda本身处理。所有参数都是使用配置文件设置,当推出管道时给出作为输入文件的配置文件。

结果

欧宝直播官网appHOME-BIO处理NGS数据,以描述宿主相关微生物群落的组成。该管道的实施是为了让那些想要探索样本中病原体含量的计算经验有限的生物学家使用。

为了测试HOME-BIO的性能,我们考虑了Mitra等欧宝直播官网app人的公共数据集[29],包括12个样本:7个来自症状性动脉粥样硬化斑块,5个来自无症状动脉粥样硬化斑块的匹配对照。使用默认参数运行所有三个模块并使用管道提供的数据库执行分析[42],包括完全的Refseq细菌,病毒和原生动物基因组序列和NCBI Blast非冗余数据库的子集,其中包含属于古痤疮,细菌和病毒的所有蛋白质。为了提取将更自信的序列分配给生物实体,读取被映射到宿主的基因组(人类基因组组件HG19)。运行质量控制模块后,未映射读取的数量可用于下一个计算步骤,范围为6.449.408至14.710.470,平均值为7.991.03720,适用于3.841.55800案例样本,分别占对照组和病例组总读取数的26.17%和41.63%。随后,针对每个样本,使用Shotgun宏基因组模块分析读数,以获得分类图谱。HOME-BIO查询细菌、病毒和原生动物数据库。质量控制和宏基因组结果总结在表中欧宝直播官网app1.和图。2.并在附加文件中报告2.:表S1-S24,附加文件3.:表S1-S24和其他文件4.:表S1-S24。

表1每个分析样本分配给细菌、病毒和原生动物的reads总数和百分比
图2
图2.

关于样品中检测到的细菌,病毒和原生动物的饼图。总结在样品SRR1206003(病例)和通过与家庭生物管道的数据分析获得的SRR1206003(CASE)和SRR1202227(对照)中检测到的细菌,病毒和原生动物百分比的饼图欧宝直播官网app

运行组装从头模块,获得病例样本567.37957个重叠,对照样本238.7888个重叠。结果汇总在附加文件中5.:表S1-S24,附加文件6.:表S1-S24和其他文件7.:表S1-S24。我们在对照组和病例样本中分别鉴定出平均5.5752和12.9563种被归类为细菌的重叠群。其中,4554例对照组和816例病例为被归类为病毒的重叠群,而12.2198例对照组和18.4238例病例在原生动物数据库中匹配。从12个样本的分析中获得的细菌结果与Mitra等人描述的结果一致[29]. 此外,HOME-BIO还允欧宝直播官网app许鉴定可能与该疾病有关的其他几种病毒和原生动物,并在其他文件中报告3.:表S1-S24,附加文件4.:表S1-S24由从宏基因组学模块的报告,并附加文件6.:表S1–S24和附加文件7.:表S1-S24是来自大会从头模块。

进一步测试不同物种,HOME-BIO被用来分析小数据集在我们实验室进行排序四个样本来自犬心欧宝直播官网app脏切片组成的两个formalin-fixed,石蜡包埋(FFPE)样品和两个snap-frozen活检(原始数据可以在数组表达与加入n e - mtab - 9189和e - mtab - 9191)。结果证实了该工具在所有这些数据集中的良好性能,如预期的那样,可以识别出一些独立于性质和组织样本预处理的微生物。所有这些样本的结果都包含在附加文件中8.S1-S2:表。附加文件中包含一个带有图形和用法示例的教程9

结论

在这里,我们介绍HOME-BIO的基欧宝直播官网app础上,dockerized解决一个用户友好的管道,设计用于分析猎枪宏基因组数据,避免耗时且容易出错的安装和配置步骤。这种模块化管道提供了质量控制步骤和两个主要途径分析宏基因组研究中常用的。通过查询细菌,病毒,原生动物,和蛋白质数据库,HOME-BIO还产生在标本生物实体的一个详尽的分类学分析。欧宝直播官网app

可用性和要求

  • 项目名称:首页 - 生物欧宝直播官网app

  • 项目主页:欧宝直播官网apphttps://github.com/carlferr/欧宝直播官网appHOME-BIO

  • 操作系统(或多个):任何

  • 编程语言:Python

  • 其他要求:码头工人

  • 许可:GNU GPL

  • 非学术界使用的任何限制:无

可用性数据和材料

在这项研究中所使用的数据可在NCBI登录号SRP040611和ArrayExpress登录号E-MTAB-9189和E-MTAB-9191。前索引Kaiju和Kraken2数据库可在Zenodo [42](https://doi.org/10.5281/zenodo.4055180)和测试数据集可以用Zenodo [43](https://doi.org/10.5281/zenodo.4061297)。

缩写

ngs:

下一代测序

WMG:

全元基因组

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下载参考

致谢

C.F.是博士。那不勒斯大学费德里克分校兽医科学研究博士生。

关于这个补充剂

本文已作为《BMC生物信息学第22卷增编7 2021:联合NETTAB/BBCC 20欧宝娱乐合法吗19会议论文集(第2部分)》的一部分发表//www.christinemj.com/articles/supplements/volume-22-supplement-7

资金

工作得到:坎帕尼亚区域,基因组alute项目(POR坎帕尼亚FESR 2014/2020, azione 1.5;(CUP: B41C17000080007)和RarePlatNet (La Campania lotta control il cancro, CUP: B63D18000380007)、Genomix4life Srl和Ministero dell 'Università e della Ricerca, program PON R&I 2014-2020“Dottorati innovativi con caratterizzazione industriale”XXXIV Ciclo (Fellowship DOT1318705, CUP: E66C18000940007 to C.F.)。资助机构在研究的设计、数据的收集、分析和解释或手稿的撰写中没有作用。出版费用由萨莱诺大学资助(FARB 2019)。

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作者

贡献

AW、GG、ADL和PC构思了这项研究。GG、CF、DM和DP设计并实施了管道。CF和DM进行了测试和数据分析。YDA进行了数据整理并准备了数据。AW和GG监督了这项工作。AW、FR、GG、GN和RT参与了手稿的撰写和编辑。所有作者都阅读并批准了最终手稿。

相应的作者

对应到Alessandro Weisz.或者乔治•Giurato

道德宣言

道德认可和参与同意

不适用。

同意出版

不适用。

竞争利益

提交人声明他们没有竞争利益。

附加信息

出版商的注意事项

欧宝体育黑玩家Springer Nature在公布的地图和机构附属机构的管辖权主张方面保持中立。

补充信息

附加文件1:表S1

.散弹枪管道的特点。

附加文件2:表S1–S24

.欧宝直播官网appHOME-BIO报告与十二个样品中的宏基因组模块识别细菌进行分析。

附加文件3:表S1-S24

.欧宝直播官网appHome-Bio报告用于分析十二个样品中的偏见组模块的病毒。

附加文件4:表S1-S24

.欧宝直播官网app与十二个样品中的宏基因组模块识别原生动物HOME-BIO报告分析。

附加文件5:表S1-S24

.欧宝直播官网app为十二个样品中与大会从头模块识别细菌HOME-BIO报告分析。

附加文件6:表S1–S24

.欧宝直播官网appHOME-BIO报告在分析的12个样本中使用Assembly de novo模块识别的病毒。

附加文件7:表S1–S24

.欧宝直播官网appHOME-BIO报告在12个分析样本中使用组装从头模块鉴定的原生动物。

附加文件8:表S1–S2

.欧宝直播官网appHOME-BIO报告细菌、病毒和原生动物鉴定Can_Fam样本。

附加文件9

.HOME-BIO的教程和使用示例。欧宝直播官网app

权限

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Ferravante,C.,Memoli,D.,帕伦博,D.等等。欧宝直播官网app家庭生物(生物实体的霰弹枪Metagenomic分析):一种特定和全面的偏心射击枪测序数据分析管道。欧宝娱乐合法吗22,106(2021)。https://doi.org/10.1186/s12859-021-04004-y.

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关键词

  • 猎枪宏基因组学
  • 新一代的基因测速
  • 管道