据估计(1),全球范围内人类的基因组中总共有超过8800万个变异(包括约8470万个单核苷酸多态性、360万个短插入/缺失变异和约6万个结构变异)。 refGene.variant_function所有变异的信息 (一共6,982,339个变异),如图4。 第1列:变异存在位置信息,如intergenic, upstream等。 第6,7列:参考碱基,突变碱基。 nastring:没有对应注释,则输出`NA` #--polish polish the protein notation for indels (such as p.G12Vfs*2) 一起注释的结果,如图6:
梦晨 发自 凹非寺 量子位 | 公众号 QbitAI 人类基因组测序迎来新的里程碑! 首个完整无间隙人类基因组测序,由近百位科学家合作完成,填补上最后8%的空缺。 最新一期Science罕见地以特刊形式连发6篇论文,另外两篇介绍研究方法的论文同日登上Nature Method。 回看2003年,人类基因组计划 (Human Genome Project)首次完成92%的人类基因测序,创造了历史。 攻克最后的8% 当初的人类基因组计划由6国近2000位科学家耗时13年完成,最后遗留的8%靠当时的测序技术难以突破。 原因有二: 其一,最后的8%里有很多片段是重复的。 科学家们用拼图来形容这一困难。 人类基因组计划前负责人Robert Waterston对新方法评价到: (人类基因组)不再有任何隐藏的或未知的部分。
例如,马萨诸塞州的剑桥伯德研究所(Broad Institute in Cambridge)称,在今年10月,他们相当于每32分钟解码一个人类基因组,所产生的原始数据高达200TB。 目前一个人类基因组在解码之后的原始数据大小在100GB左右,不过该数据还可压缩至1GB以下,谷歌对此类数据的云端储存价格仅为每年0.25美元。
在2001年的时候,HapMap联盟发起了HapMap 计划,旨在构建人类基因组的单倍体图谱,由多个国家和组织的科研人员合作完成。 通过大量样本构建高密度的SNP图谱,可以得到更为可靠的关联分析结果,为人类的分子遗传机制和疾病相关研究选提供了数据基础,对于人类基因组的研究具有里程碑式的意义,开启了群体遗传研究的新纪元。
DGV数据库收录了健康样本中大于50bp以上的基因组结构变化信息,对应的文章发表在Nucleic Acids Research上,链接如下
破解人类基因密码的三代测序技术: 2022 年 4 月 1 日,赶在愚人节当天,《科学》杂志(Science)刊登系列文章,发表了国际 T2T 联盟攻克的首个人类基因组完成图(CHM13-T2T)研究成果 ,填补了此前几十年人类基因组研究留下的空白:大约 8% 的人类基因组序列「黑洞」,这些区域因为序列复杂性,一直无法被破译,尽管 2003 年国际人类基因组计划(HGP)曾经号称已经「完成了」人类基因组图谱绘制的工作 图片 而在这项宏伟的计划背后,以 PacBio、ONT 为代表的第三代基因测序技术,以及同时发展起来的三代测序生物信息学技术,也走入人们的视野,作为破解人类基因组奥秘的最新武器,其在解决人类遗传性疾病、 本次以人类基因组重测序变异分析为引,先分享PacBio的分析流程,然后是ONT平台的分析流程,还会加入串联重复序列,染色体分型,拷贝数变异,融合基因以及基因组甲基化修饰的分析。 先放一张PacBio人类基因组变异分析的流程图,我们会根据流程图的顺序讲解每个软件的具体使用方法,最后串联成 pipeline 进行数据的批量分析,我们下节见! 图片
----/ START /---- 今天想分享一个主题:人类基因组时代的泛基因组学。 这里我参照萨尔兹伯格的综述文章将内容分为以下 6 个部分,同时也融入部分我对泛基因组学的理解: 单一“参考基因组”分析模式的局限; “泛基因组学”概念的由来和定义 构建物种泛基因组的意义; 人类泛基因组的构建 我们熟知的 “人类基因组计划(HGP)” 测序得到的基因组序列其实只是人类这个物种少量个体的基因组序列,我们将它称之为“人类基因组参考序列”,它由若干个高加索人的基因组序列合并而成。 特别是 gnomAD,今年成果很显著,6月份的时候以专刊的形式在Nature期刊上发了4篇相关的文章,其中也包括结构性变异的成果。 将人类泛基因组同时以图基因组和线性基因组的方式进行存储,如图6所示。 ? 图6. 混合模式 这样可以同时发挥这两个方式的优点,目的其实是为了减少由图基因组所带来的歧义情况。
人类基因组计划是科学史上重要的里程碑事情。该计划的成功,不仅开启了人类了解自身的旅程,而且成为了国际科技合作的典范。对于人类基因组,发现了以下 8 个事实。 1. 超过 98%的人类基因组不编码蛋白质。 人类基因组中频繁发生片段扩增,尤其在中心体周围(pericentromeric)和端粒下区(subtelomeric)。人类基因组上的片段扩增比酵母、果蝇或是线虫基因组更为普遍。 人类基因组上基因扩增的发生有三种主要的方式。 6. 人类基因组中有数十万个 Alu 重复,曾被认为是偶然杂乱复制的典型元件。但是,这些元件的分布并不是随机的:它们保留在 GC 含量高的区域。因此,可能对人类基因组有某些益处。 7.
基因组结构变异(structure variant, SV)是基因组变异的重要组成部分,大片段插入(Insertion, INS)、缺失(Deletion, DEL)、倒位(Inversion, INV)、易位(Translocation)、重复(Duplication, DUP)等类型的变异。第三代基因组测序因其读长较长,可轻松跨越重复区域和基因组复杂区域,能够更全面的检测基因组的SV。结构变异往往会对基因结构和表达产生更大的影响,在遗传病和肿瘤的发生发展中扮演了重要角色,因此发现和正确注释结构变异对于疾病的诊断有着至关重要的意义。
基于Transformer的架构创新 Nucleotide Transformer采用了Transformer编码器结构,支持较长的上下文窗口(初始版本为6 kb,升级版NT-v2扩展至12 kb),能够捕捉 此外,模型采用六核苷酸(6-mer)分词方式,既优化了序列长度处理,又保留了序列的语义信息。 2. 多样化的训练数据 为了实现模型的泛化能力,研究团队整合了多种高质量基因组数据: 人类基因组数据:包括完整的人类参考基因组和“千人基因组计划”中的3202个多样化人类基因组,捕捉自然遗传变异。 例如: 剪接位点预测:NT模型在6 kb上下文窗口下的Top-k准确率达96%,与15 kb输入的SpliceAI性能相当,但计算效率更高。
DeepVarient软件运行运行流程如下图6所示:左边:筛选候选的变异位点集合;中间:SNN训练样本;右边:用训练好的模型判断Genotype四、DeepVariant安装及使用1. 对于大规模群体/队列而言(主要针对人类基因组开发),是个非常好的工具(5)。Deepvariant 和 Clara Parabricks 都推荐它来做联合变异(5)。
6月25日,Google DeepMind 团队在预印本平台发布了其最新人工智能模型 AlphaGenome,该模型有望成为解读人类基因组“暗物质”的关键工具。 一次性解决多个基因功能预测任务 AlphaGenome 是首个能够处理整个人类基因组并预测 DNA → RNA → 蛋白质表达级联效应的 AI 模型。
科研人员为一个名为gnomAD的人类基因组数据库进行了扩展,现在包含了76,156个完整的基因组序列。这个扩展版的数据库使得科学家能够研究基因组中非编码蛋白质区域的变异是如何影响人类健康的。 在《自然》杂志上,Chen等人提出了一个工具,用于分析大量人类基因组,以识别在突变时最有可能导致疾病的非编码区域。 为了包含人类基因组的非编码部分,越来越多的努力被投入到扩展不耐受度量指标上。Chen等人使用他们称为Gnocchi的方法,为这些工具增添了新的一项功能(图1)。 doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-01598-6
与大多数比对软件一样,在进行比对前需要先建立参考基因组的索引,遇到比较大的参考基因组时如人类基因组,建立索引可能要耗费很长时间。 但是Hisat2为我们考虑到了这一步,在其官网上有现成的人类基因组的索引文件,我们只需将索引文件下载下来便可开始比对 如 下载GRch38的基因组索引 wget ftp://ftp.ccb.jhu.edu wget ftp://ftp.ccb.jhu.edu/pub/infphilo/hisat2/data/grch37.tar.gz 下载好将文件解压便可开始比对,节省了很多时间 万不要傻乎乎的先去下载人类基因组
通过三代测序技术,在人类基因组中发现了数万个结构变异,而这些变异通常无法通过二代测序技术进行识别(图2)。 三、SV检测相关软件 目前,对于PacBio三代测序平台结构变异检测的软件有PBSV, Sniffles, cuteSV、PAV、PBHoney、SMRT-SV、SVIM 等 (图4,图5,图6)。 从文章中的数据看来,DeBreak 在模拟数据(图5)和实测数据HG002(图6)中recall, precision和 F1 score上优于同类软件。 6.Sniffles2,版本一于2018年发表于Nature methods(12),Sniffles2于2022年发表于BioRxiv(13),github更新到2023年7月14号(version 获得单个或者所有样本的结构变异和基因型,.svsig.gz到.vcf 具体分析命令 数据我们还是使用德系犹太人家系:HG002(子)、HG003(父)、HG004(母),具体参考全基因组 - 人类基因组变异分析
PacBio测序平台构建完成的测序文库形状就如同一个哑铃(Dumbell), 所以叫做SMRT bell, 图1右所示。其主要组成部分是:发卡状的接头(Hairpin Adapter)和双链DNA模板(Double Stranded DNA Template)。而文构建完成后、测序前还需要完成SMRT bell文库、Sequencing Primer、DNA Polymerase的混合工作(测序引物退火结合环装测序接头,然后引物-bell文库复合物结合DNA聚合酶, 图1右和图2所示。
-o 5 -O 56 -e 4 -E 1 -A 2 -B 5 -z 400 -Z 50 -r 2000 -g 5000 CCS or HiFi : -k 19 -w 19 -u -o 6 Example Datasets 如图6所示:下载示例人类基因组数据。 德系犹太人家系:HG002(子)、HG003(父)、HG004(母),属于个人基因组计划中的样本。
「生信周刊讨论区(语雀)」[2] 封面图 Science人类基因组特刊[3] 本周话题:从有隙到无间,首个人类完整基因组发布 人类基因组计划 (HGP) 被誉为历史上最伟大的科学成就之一。 该项目的目标是发现和绘制人类基因组的完整蓝图,包括估计的约25,000个基因,以促进进一步的生物医学研究。 HGP项目于1990年正式启动,在花费10年时间后,也就是在2000年,第一版人类基因组首次发布。 3、MLmetrics - Machine Learning Evaluation Metrics[6] 一个R包,用于提供评估机器学习的模型性能指标的各种计算函数。 academic-writing-in-r-markdown-i/ [5] GitHub action - Hub Mirror Action: https://github.com/Yikun/hub-mirror-action [6]
早在70年前,科学家就注意到人类基因组正在不断累积基因突变,而其中大部分突变是有害的。以人类的低生育率要如何破解这个难题?许多科学家们为人类的未来感到十分忧虑。 Sanford 指出,“学遗传学的人都知道,人类基因组累积了越来越多的有害突变,突变载量太大。 具体来说,Eyre-Walker 和 Keightley 对41 471个编码蛋白质的基因碱基进行了研究,发现了从6百万年前,也就是人类和黑猩猩分化后人类累积了143个突变,其中88个是有害突变。 人类基因组衰落的症状 ? 人类基因组的衰变已经有了具体的症状。 2017年,发表在《美国国家科学院院刊》上的另一项研究发现,在过去的80年里,爱学习的基因衰落了。 美国国家人类基因组研究所的公共联合研究项目DNA元件百科全书(ENCODE)指出,人类基因组的80%都具有功能。 ?
首先从github官网上下载minimap2的二进制文件压缩包,minimap2-2.26_x64-linux.tar.bz2,然后上传到服务器上。