天昊生物微生物擴(kuò)增子測序數(shù)據(jù)分析全面升級!

發(fā)稿時(shí)間：2020-04-15來源：天昊生物

 QIIME（Quantitative Insights Into Microbial Ecology）是于2010年發(fā)表于Nature Methods的一款進(jìn)行微生物群落結(jié)構(gòu)分析的開源生物軟件，是微生物組研究領(lǐng)域使用最廣泛的擴(kuò)增子測序數(shù)據(jù)分析流程。

 

而于2018年全面接替QIIME的QIIME 2，是一個(gè)經(jīng)過完全重新設(shè)計(jì)和重寫的系統(tǒng)（https://qiime2.org/）（源代碼見 https://github.com/qiime2），可實(shí)現(xiàn)對微生物組數(shù)據(jù)的可重復(fù)性和模塊化分析，是代表未來趨勢的微生物組分析方法最新標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)結(jié)果于2019年7月已經(jīng)發(fā)表于頂級期刊Nature Biotechnology[1]!

QIIME2優(yōu)點(diǎn)

1)生成的圖表文件類型.qzv 保證了分析結(jié)果的交互式可視化2)統(tǒng)一的分析過程文件格式.qza保證了每一步分析結(jié)果可重復(fù)，可追溯3)支持自定義分析插件加入分析流程保證了系統(tǒng)功能的可擴(kuò)展性4)安裝非常方便5)分析流程化標(biāo)準(zhǔn)化6)使用方式更加多樣

a，未加權(quán)UniFrac主坐標(biāo)分析圖，包含37680個(gè)樣本，說明了QIIME 2的大樣本量處理能力。顏色表示樣本類型，如地球微生物組計(jì)劃本體（EMPO）所述。b，交互式物種分類組成條形圖，顯示了沿黃石國家公園溫泉流出通道中的不同溫度梯度收集的微生物樣品的門水平物種組成，該圖中可用的許多交互式控件大大降低了QIIME 1的探索性分析負(fù)擔(dān)。c，特征揮發(fā)性圖，說明了母乳喂養(yǎng)和配方喂養(yǎng)的嬰兒中雙歧桿菌豐度隨時(shí)間的變化。通過此可視化可以交互式地發(fā)現(xiàn)時(shí)空特異的特征菌，條形圖對重要性（時(shí)間點(diǎn)的預(yù)測能力）和微生物豐度進(jìn)行排序。這些條形圖提供了一個(gè)界面，用于根據(jù)其重要性和豐度可視化單個(gè)特征菌的折線圖，點(diǎn)擊條形圖將顯示該特征菌的折線圖，并在下面的條形圖中以藍(lán)色突出顯示該特征菌的重要性和豐度。d，人類皮膚表面的分子地圖。 彩色斑點(diǎn)表示小分子化妝品成分月桂基硫酸鈉在人體皮膚上的含量。 樣本數(shù)據(jù)可以在三維模型中進(jìn)行交互可視化，從而支持空間模式的發(fā)現(xiàn)。

此簡化圖說明了有關(guān)圖1c中顯示的物種分類組成條形圖創(chuàng)建的自動(dòng)跟蹤信息。 QIIME 2結(jié)果（圓圈）包含網(wǎng)絡(luò)圖，該網(wǎng)絡(luò)圖說明了存儲在結(jié)果中的數(shù)據(jù)來源。動(dòng)作（四邊形）應(yīng)用于QIIME 2結(jié)果并產(chǎn)生新結(jié)果。箭頭指示通過行動(dòng)進(jìn)行的QIIME 2結(jié)果的流程。TaxonomicClassifier和FeatureData [Sequence]輸入包含獨(dú)立的出處（分別為紅色和藍(lán)色），并提供給分類動(dòng)作（黃色），在分類學(xué)上注釋序列。分類動(dòng)作的結(jié)果FeatureData [Taxonomy]將兩個(gè)輸入的來源與分類動(dòng)作整合在一起。然后通過FeatureTable [Frequency]輸入將該結(jié)果提供給barplot動(dòng)作，該輸入與FeatureData [Sequence]輸入共享一些出處，因?yàn)樗鼈兪菑耐簧嫌畏治錾傻摹．a(chǎn)生的可視化效果（圖1c）具有完整的數(shù)據(jù)來源，并正確標(biāo)識了輸入的共享處理。

接口定義了用戶與系統(tǒng)的交互方式；插件定義了所有特定域的功能；框架介導(dǎo)插件和接口之間的通信，并執(zhí)行核心功能，如出處跟蹤。箭頭指示依賴性。
接口僅與qiime2.sdk子模塊交互，而插件僅與qiime2.plugin子模塊交互。 這種設(shè)計(jì)可以方便第三方插件和界面開發(fā)人員擴(kuò)展這個(gè)系統(tǒng)。

全面的QIIME 2功能對于計(jì)算機(jī)水平不同的研究人員來說都是可用的，這是與提供單一接口的QIIME 1等技術(shù)相比的一大優(yōu)勢。
（a）想要查看QIIME 2結(jié)果或數(shù)據(jù)來源的用戶可以在不安裝QIIME 2的情況下使用QIIME 2 View，這對于希望研究其他人產(chǎn)生的交互式可視化結(jié)果的首席研究人員，臨床醫(yī)生或政策制定者很方便。（b）喜歡圖形界面的研究人員可以使用原型圖形界面QIIME 2 Studio。 這對于沒有命令行或編程技能的用戶來說很方便。（c）熟悉Linux命令行和/或經(jīng)常在機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)集群上工作的用戶可以通過命令行界面q2cli使用QIIME 2。（d）數(shù)據(jù)科學(xué)家（例如，在Jupyter Notebooks中工作的用戶或?qū)ψ詣?dòng)化QIIME 2工作流程感興趣的用戶）可以通過Python 3“artifact API”使用QIIME 2。

QIIME2流程之DADA2插件

因?yàn)槟壳癚IIME2流程有很多插件，下面就為大家著重介紹其中的明星插件DADA2。QIIME2就是采用DADA2插件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪，拼接及去嵌合體，其質(zhì)控條件更嚴(yán)格，僅去重復(fù)序列，不再對序列進(jìn)行相似度聚類，用擴(kuò)增序列變體（amplicon sequence variant，ASV）替代操作分類單元（Operational Taxonomic Units，OTU），提高了分類學(xué)分辨率，得到結(jié)果更加真實(shí)可靠，為什么這么說呢，傳統(tǒng)的OTUs相似聚類閾值是97%，而DADA2分析則是以100%的相似度聚類，2016年發(fā)表在Nature Method [2]上的相關(guān)研究結(jié)果表明，DADA2分析可以獲得單堿基精度的代表序列，這不但大大提高了樣本中真實(shí)的種甚至菌株水平的鑒別率，同時(shí)降低假陽性O(shè)TUs的幾率，這對后續(xù)開展特定單菌的功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)打下堅(jiān)實(shí)可靠的基礎(chǔ)。

表1 通過與這些模擬群體的已知序列（參考菌株）進(jìn)行比較，并與核酸序列進(jìn)行比較以鑒定污染物，將輸出序列分為Reference 或者 Exact（真陽性）和One Off 或者Other（假陽性）。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)DADA2檢測到最多的參考菌株和序列，同時(shí)輸出最少的假陽性。

 

圖1  DADA2推斷的序列變體與UPARSE構(gòu)建的OTUs比較。結(jié)果表明DADA2推斷的序列變體與UPARSE輸出的OTUs（黑色）基本一致，但是，DADA2發(fā)現(xiàn)了額外真實(shí)的物種（藍(lán)色），同時(shí)輸出了更少的假陽性序列(One Off and Other)。

圖2 懷孕期間人類生殖道群落中的Lactobacillus crispatus序列變體。結(jié)果表明DADA2可以鑒定到多個(gè)樣品中原本存在但是傳統(tǒng)OTUs聚類沒有發(fā)現(xiàn)的六個(gè)乳桿菌16S rRNA序列變體。

 

參考文獻(xiàn)：

1、Bolyen E, Rideout JR, Dillon MR, et al. Reproducible, interactive, scalable and extensible microbiome data science using QIIME 2. Nature Biotechnology. 2019 Aug;37(8):852-857.

2、Callahan BJ, McMurdie PJ, Rosen MJ, et al. DADA2:high-resolution sample inference from Illumina amplicon data. Nature methods, 2016 Jul;13(7):581-3.

看完上述描述，是不是感覺QIIME2平臺很強(qiáng)大呢，是不是特別想嘗試一下這一革命性的創(chuàng)新分析流程呢，不用著急，天昊生物緊跟生信分析新趨勢，已將公司原有的相對定量擴(kuò)增子數(shù)據(jù)分析流程和絕對定量擴(kuò)增子數(shù)據(jù)分析流程全面升級為基于QIIME 2的分析流程，從而讓老師們的研究成果符合行業(yè)最新標(biāo)準(zhǔn)，能夠更快更好的發(fā)表研究成果，心動(dòng)不如行動(dòng)，歡迎各位老師與我們溝通聯(lián)系！