群体重测序数据分析笔记
在生物信息学中,群体重测序数据的挖掘和分析对于理解生物的进化、自然选择以及功能基因的定位等研究具有重要的意义。今天分享的笔记内容是群体遗传学相关的知识点,下面将一步步介绍整个重测序分析的流程和方法。
分析常用流程和方法简述
常用的重测序分析流程一般包含以下步骤:
- 质控和数据准备:
这一步包括对原始测序数据进行质量评估和控制,以及数据格式的转换,常用流程包括测序数据的质控(QC)、比对、标记重复、排序、建立索引和变异检测。常用的软件工具包括FastQC、BWA、SAMtools、Picard和GATK等。
首先,我们需要进行质量控制,确保我们的数据是准确可靠的。常用的质量控制工具有FastQC
和Trimmomatic
。以下是用Trimmomatic进行质量控制的例子:
bash
java -jar trimmomatic.jar PE -phred33 \
input_forward.fq.gz input_reverse.fq.gz \
output_forward_paired.fq.gz output_forward_unpaired.fq.gz \
output_reverse_paired.fq.gz output_reverse_unpaired.fq.gz \
ILLUMINACLIP:TruSeq3-PE.fa:2:30:10 LEADING:3 TRAILING:3 \
SLIDINGWINDOW:4:15 MINLEN:36
- 序列比对:
将处理好的数据比对到参考基因组上,得到比对结果,比对可以使用BWA
这个工具。以下是比对命令的示例:
bash
# 建立参考基因组索引
bwa index ref.fa
# 比对
bwa mem ref.fa read1.fq read2.fq > aln.sam
- 变异检测:
根据比对结果,检测和分析基因序列中的变异,变异检测通常使用SAMtools
和BCFtools
。以下是如何使用这些工具进行变异检测的示例:
bash
# 转换格式
samtools view -S -b aln.sam > aln.bam
# 排序
samtools sort aln.bam -o aln_sorted.bam
# 检测变异
samtools mpileup -uf ref.fa aln_sorted.bam | bcftools call -cv - > var.raw.vcf
- 变异注释和分析:
对检测到的变异进行注释和深度分析,包括群体结构分析、选择性消除分析、全基因组关联分析等。
以下为流程简单示意
python
# 质量控制
fastqc raw_data.fq
# 比对
bwa mem reference.fa raw_data.fq > aln.sam
# 标记重复
picard MarkDuplicates I=aln.sam O=marked.bam M=metrics.txt
# 排序
samtools sort -O bam -o sorted.bam -T temp.prefix marked.bam
# 建立索引
samtools index sorted.bam
# 变异检测
gatk HaplotypeCaller -R reference.fa -I sorted.bam -O variants.vcf
上游分析变异检测方法代码
在进行测序数据序列文件上游变异检测时,我们通常使用如GATK工具。以下是一段使用GATK进行SNP和Indel检测的代码:
diff
# SNP检测
gatk --java-options "-Xmx4g" \
HaplotypeCaller -R reference.fa \
-I sorted.bam \
-O raw_snps.vcf
# Indel检测
gatk --java-options "-Xmx4g" \
HaplotypeCaller -R reference.fa \
-I sorted.bam --ploidy 2 \
--genotyping-mode DISCOVERY \
-stand_emit_conf 10 \
-stand_call_conf 30 \
-O raw_indels.vcf
群体结构分析方法
对于群体结构的分析,我们通常会使用程序如PLINK和ADMIXTURE。PLINK可以用于生成适合ADMIXTURE分析的数据,而ADMIXTURE可以进行群体结构分析。
css
# PLINK生成适用于ADMIXTURE的数据
plink --file input_data \
--make-bed --out plink_output
# ADMIXTURE进行群体结构分析
admixture --cv plink_output.bed K
变异位点选择性消除分析
在基因组变异位点选择性消除分析中,我们可以使用vcftools
和R
等工具来评估基因位点多态性和选择分化差异。以下是具体的操作:
bash
# 使用vcftools计算窗口内的多态性
vcftools --vcf var.raw.vcf --window-pi 50000
# 在R中进行选择分化差异判断
# 以下是示例代码,具体代码需要根据实际情况编写
library(ape)
data <- read.table("fst.txt", header = T)
fst <- data$V4
sig_level <- qnorm(1 - 0.05 / 2) / sqrt(2)
outliers <- which(fst > sig_level)
GWAS全基因组关联分析
GWAS全基因组关联分析我们可以使用GAPIT
包进行分析。以下是用R语言进行GWAS全基因组关联分析的示例代码:
R
library(GAPIT)
genotype_file <- "genotype.hmp.txt"
phenotype_file <- "phenotype.txt"
GAPIT_data <- GAPIT.Data(fileHapmap = genotype_file,
filePhenotype = phenotype_file)
GAPIT_GLM <- GAPIT.GLM(GAPIT_data)
GAPIT_MLM <- GAPIT.MLM(GAPIT_data)
PCA分析与进化树绘制
我们可以使用plink
和gcta
进行PCA分析,并使用ggtree
进行群体结构进化树的绘制。以下是具体的操作:
bash
# 使用plink和gcta进行PCA分析
plink --bfile plink --make-grm-bin --out plink
gcta --grm-bin plink --pca 10 --out plink
# 在R中使用ggtree绘制进化树
# 以下是示例代码,具体代码需要根据实际情况编写
library(ggtree)
tree <- read.tree("tree.nwk")
ggtree(tree) + geom_tiplab()
从vcf文件中挖掘显著变异位点的频率变化信息
我们可以使用vcftools
工具从vcf文件中挖掘显著变异位点的频率变化信息,以下是具体的操作:
bash
vcftools --vcf var.raw.vcf --freq --out freq
以上就是群体重测序数据的挖掘与分析的整个过程,每一步都需要我们仔细和认真的处理。
总结
以下是一个简单的bash脚本,实现对多个样品的批量重测序分析,这个脚本使用了一个循环来处理每一个样品。请注意这只是一个示例脚本,您可能需要根据实际情况对其进行修改或优化。
bash
#!/bin/bash
# 路径参数
REF_GENOME_PATH=/path/to/your/reference/genome
SAMPLE_LIST=/path/to/your/sample/list
SAMPLE_PATH=/path/to/your/sample/data
WORKING_DIR=/path/to/your/working/directory
# 创建工作目录
mkdir -p ${WORKING_DIR}
# 循环处理每一个样品
while read SAMPLE; do
echo "Processing sample ${SAMPLE}..."
# 1. 质控和数据准备
java -jar trimmomatic.jar PE -phred33 \
${SAMPLE_PATH}/${SAMPLE}_1.fq.gz \
${SAMPLE_PATH}/${SAMPLE}_2.fq.gz \
${WORKING_DIR}/${SAMPLE}_1_paired.fq.gz \
${WORKING_DIR}/${SAMPLE}_1_unpaired.fq.gz \
${WORKING_DIR}/${SAMPLE}_2_paired.fq.gz \
${WORKING_DIR}/${SAMPLE}_2_unpaired.fq.gz \
ILLUMINACLIP:TruSeq3-PE.fa:2:30:10 LEADING:3 TRAILING:3 SLIDINGWINDOW:4:15 MINLEN:36
# 2. 序列比对
bwa mem ${REF_GENOME_PATH} \
${WORKING_DIR}/${SAMPLE}_1_paired.fq.gz \
${WORKING_DIR}/${SAMPLE}_2_paired.fq.gz > ${WORKING_DIR}/${SAMPLE}.sam
# 3. 变异检测
samtools view -S -b ${WORKING_DIR}/${SAMPLE}.sam > ${WORKING_DIR}/${SAMPLE}.bam
samtools sort ${WORKING_DIR}/${SAMPLE}.bam -o ${WORKING_DIR}/${SAMPLE}_sorted.bam
samtools mpileup -uf ${REF_GENOME_PATH} ${WORKING_DIR}/${SAMPLE}_sorted.bam | bcftools call -cv - > ${WORKING_DIR}/${SAMPLE}_var.raw.vcf
# 4. 提取VCF文件中的频率信息
vcftools --vcf ${WORKING_DIR}/${SAMPLE}_var.raw.vcf --freq --out ${WORKING_DIR}/${SAMPLE}_freq
echo "Finished processing sample ${SAMPLE}."
done < ${SAMPLE_LIST}
在这个脚本中,我们假设有一个文本文件 ${SAMPLE_LIST}
包含所有待处理的样品名称,每个样品对应一对fastq.gz文件,文件名分别为 ${SAMPLE}_1.fq.gz
和 ${SAMPLE}_2.fq.gz
。所有这些文件都存储在 ${SAMPLE_PATH}
路径下。处理过程中的中间文件和结果文件都会存储在 ${WORKING_DIR}
路径下。
使用这个脚本之前,你需要修改上面的四个路径参数,使它们指向实际的路径。另外,这个脚本只执行了一部分的分析步骤,如果你需要执行更多的步骤,你可以在脚本中添加相应的命令。
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