微生物组16S rDNA和宏基因组信息分析用软件

摘 要:

在分离和测序细菌核酸之后,需要利用不同的软件从数据中提取有效的信息。16S rRNA分析最常用的工具是开源的QIIME和Mothur。也有商业化的程序包,如Ion 16S Metagenomics Kit等。宏基因组分析比一般的基因组分析需要更多的借助计算机技术,宏基因组分析的常用软件包括HUMAnN2、MetaPath、MEGAN5、Nature Methods等。

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在分离和测序细菌核酸之后,我们需要从数据中提取有效的信息,这并不是一件容易的事儿。微生物组研究者一般有两个选择:16S rDNA测序和宏基因组测序。16S rDNA测序可以展现样本中的微生物种类和丰度,反映微生物多样性的大规模改变。而宏基因组测序可以揭示微生物群体的代谢潜能,帮助人们组装不同微生物的基因组。

一、16S rRNA分析常用软件

16S rRNA分析最常用的工具是开源的QIIME和Mothur。当然市面上也有商业化的程序包,比如Thermo Fisher公司的Ion 16S Metagenomics Kit。这是一个基于网页和云端的免费程序包。过去的微生物组研究主要使用16S rDNA测序。随着测序成本的直线下降,针对整个菌群的宏基因组测序越来越受到青睐,因为这一技术能够提供更全面的基因组和功能信息。

二、宏基因组分析软件

宏基因组研究通常是从环境中收集微生物和病毒样品,然后将这些样本破碎,把它们的基因组DNA降解成片段,最后通过测序仪进行分析。宏基因组分析比一般的基因组分析需要更多的借助计算机技术,因为宏基因组分析处理的是不同基因组的混合物,而不是单纯的同质微生物种群。宏基因组分析产生的数据比一般基因组分析多得多,这是这一研究领域面临的一大挑战。宏基因组分析的常用软件包括:

1HUMAnN2

哈佛大学公共卫生学院的Eric Franzosa为宏基因组数据分析开发了HUMAnN2。第一代HUMAnN主要是根据宏基因组或者宏转录组数据,分析微生物通路在群体中是否存在。也就是说,给HUMAnN提供微生物群落的DNA或RNA序列,它就会告诉你这个群体能够执行什么样的分子功能。HUMAnN2在HUMAnN的基础上进行了拓展,将微生物与特定活性关联起来。

2MetaPath

MetaPath也是一个用于宏基因组数据分析的重要工具。该工具由马里兰大学的副教授Mihai Pop开发,可以根据宏基因组数据分析特定群体在不同条件下的代谢变化。举例来说,Pop的研究团队对胖人和瘦人进行微生物组研究,通过MetaPath鉴定了脂肪酸生物合成通路的差异。

3MEGAN5

MEGAN5也用于MetaGenome ANalyzer,最初是在2007年开发出来,用于识别长毛猛犸象骨中DNA测序研究的微生物污染。MEGAN5是发布的最新版本,除了可以帮助进行分类分析,也可以快速比较多个数据集,区分宏基因组中基因的功能,此外还提供元数据metadata支持和数据可视化的新途径。

4Nature Methods

此外,近期Nature Methods杂志发布了一个名为TruSPADES的强大工具,可以大大提升研究者们测序宏基因组的能力。这种算法能将Illumina测序仪生成的300bp短读取,合并成大约1万bp的基因组片段(Synthetic Long Reads)。

TruSPADES主要是先给100-300bp的短读取装上条码,然后通过de brujin图把这些片段组装起来,生成Synthetic Long Reads。这种低成本的方法可以更好的确定相连片段,获得更长更准确的长测序片段。

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