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基因组测序通常用于分子诊断、分期和预后#xff0c;而大量测序数据在分析时间方面提出了挑战。
对于从FASTQ到VCF的整个流程#xff0c;LUSH流程在非GVCF和GVCF模式下都大大降低了运行时间#xff0c;30 X WGS数据耗时不到2 h#xff0c;从BAM到VCF约需…1. LUSH流程简介
基因组测序通常用于分子诊断、分期和预后而大量测序数据在分析时间方面提出了挑战。
对于从FASTQ到VCF的整个流程LUSH流程在非GVCF和GVCF模式下都大大降低了运行时间30 X WGS数据耗时不到2 h从BAM到VCF约需12分钟比GATK流程快约17倍比GATK-Spark流程快4.5倍在准确性方面LUSH和GATK的结果同样准确且高度一致。这对于儿科重症监护室PICU和新生儿重症监护室NICU中的婴儿等急性病患者至关重要。
LUSH可以有效地加速所有类型的DNAseq数据如WGSWESPANEL等的分析。由LUSH生成的BAM文件遵循原始的BWA算法也可用于随后的结构变异SV和拷贝数变异CNV的检测用作常见SV调用者如Manta、Delly 和Lumpy 等软件的输入。
论文: Fast and accurate DNASeq variant calling workflow composed of LUSH toolkit
https://humgenomics.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40246-024-00666-w
github: https://github.com/Bgi-LUSH/LUSH-DNASeq-pipeline
2. LUSH DNASeq工作流程
LUSH DNASeq工作流程是基于GATK最佳实践的优化管道由LUSH_Aligner、LUSH_BQSR、LUSH_HC和LUSH_GenotypeGVCF组成。 LUSH_Aligner集成了多个功能模块如SOAPnukeBwa MEMSamtools sort和GATK-MarkDuplicatesPicard同时基于原始算法进行了完全重新开发。
2.1 LUSH_Aligner
LUSH_Aligner由三个主要功能模块组成“FqFilterAlignent”、“bwaMEM Alignent”和“SortDuplicateAlignent”分别进行fastq过滤、比对齐以及BAM排序和标记重复任务。
2.2 LUSH_BQSR
测序仪产生的碱基质量分数受到各种系统性技术误差的影响导致获得的质量分数过高或过低。碱基质量分数矫正Base Quality Score Recalibration BQSR是使用机器学习方法对这些错误进行经验建模并调整质量分数主要包括2个步骤Base Recalibration and applying BQSR。
LUSH_BQSR实现了生产者-消费者并行计算结构以优化并行任务并提高CPU利用率减少了冗余IO消耗最终提高了处理速度。
2.3 LUSH_HC和LUSH_GenotypeGVCF
HaplotypeCaller采用区域内的局部从头组装方法用于准确检测单核苷酸多态性SNP和小的插入缺失Indels主要包括4个连续的步骤识别区域、区域内局部组装推断单倍型、估计可能值和利用隐马尔可夫模型HMM在贝叶斯推理的基础上确定基因型。LUSH_GenotypeGVCF0.21小时比GATK-GenotypeGVCF1.13小时快5倍。
LUSH_HC采用了进一步的任务细分策略结合资源动态分配以实现负载平衡并优化资源分配。
当以12个线程运行时流程在约4.89小时内完成当以56个线程运行时流程在约1.6小时内完成这表明LUSH流水线具有很大的线程可扩展性。
3. LUSH管道与GATK和GATK-Spark管道的准确性
LUSH的底层算法与GATK或GATK-Spark大致相同因此它们预计会产生相同的结果。
LUSH和GATK管道的非GVCF模式和GVCF模式的结果比较表明前者表现出更高的准确率和略低的召回率。F1分数显示非GVCF模式在两个流水线的准确性方面表现出更好的性能与两个家系WGS数据完全一致。
4. 使用方法
# 克隆github项目
git clone https://github.com/Bgi-LUSH/LUSH-DNASeq-pipeline
4.1 lush_aligner构建参考基因组索引
# 构建hg19参考基因组序列索引
./bin/LUSH_toolkit-Aligner/lush_aligner index /path/hg19.fa
4.2 lush_aligner执行fastq过滤比对排序标记重复
# 创建结果目录
mkdir -p ./outdir/clean_data./bin/LUSH_toolkit-Aligner/lush_aligner filter4mem \-6 ./outdir/ \-n 0.1 -J 0.5 -l 12 -g 2 -b 2 -t 20 -M \-r /path/hg19.fa \# 输出排序标记重复bam-o ./outdir/NA12878.sort.dup.bam \-Z ./outdir/clean_data \# fastq路径及-R参数配置文件-i ./example_data/lush.config
./example_data/lush.config内容
./example_data/NA12878_l01_1.fq.gz NA12878_l01_1 RG\tID:NA12878.1\tLB:LibA\tSM:NA12878\tPL:COMPLETE\tCN:BGI
./example_data/NA12878_l01_2.fq.gz NA12878_l01_2
./example_data/NA12878_l02_1.fq.gz NA12878_l02_1 RG\tID:NA12878.2\tLB:LibA\tSM:NA12878\tPL:COMPLETE\tCN:BGI
./example_data/NA12878_l02_2.fq.gz NA12878_l02_2
4.3 lush_bqsr执行碱基质量矫正和ApplyBQSR
export LD_LIBRARY_PATH./bin/LUSH_toolkit-BQSR:$LD_LIBRARY_PATH./bin/LUSH_toolkit-BQSR/lush_bqsr \--bam_path /INPUT_PATH/NA12878.sort.dup.bam \--out_dir ./outdir/LUSH_BQSR \--plugin_path ./bin/LUSH_toolkit-BQSR/libbqsr.so \--producer_number 2 \--worker_number 21 \--fasta /path/hg19.fa \# 金标准indels vcf文件--known_site Mills_and_1000G_gold_standard.indels.hg19.vcf \--writer_thread 5 \--pr_one_bam 14.4 lush_hc执行GenotypeGVCFs变异检测
export LD_LIBRARY_PATH./bin/LUSH_toolkit-HC:$LD_LIBRARY_PATH./bin/LUSH_toolkit-HC/lush_hc HaplotypeCaller \--pcr-indel-model NONE \-I /INPUT_PATH/NA12878.sort.dup.bam \-R hg19.fa \-O ./outdir/NA12878.vcf.gz4.5 LUSH_GenotypeGVCFs
LUSH_GenotypeGVCFs是GATK GenotypeGVCFs功能使用C/C的重新实现。
# UASGE:
# LUSH_GenotypeGVCF inputGvcfFile outputVcfFile stand-call-conf# inputGvcfFile input VCF file
# outputGvcfFile output file name:/file/NA12878_PCR.vcf.gz
# stand-call-conf The minimum phred-scaled confidence threshold at which variants # should be called:10.0# 示例
export LD_LIBRARY_PATH./bin/LUSH_toolkit-GenotypeGVCFs:$LD_LIBRARY_PATH./bin/LUSH_toolkit-GenotypeGVCFs/lush_genotypegvcfs \
INPUT_PATH/NA12878.g.vcf.gz \
./outdir/NA12878.vcf.gz 10
5. GATK管道Shell脚本
Usage:GATK_pipeline.sh [-i FQFile] [-t THREAD] [-o OUTDIR] [-m MODEL] [-s PREFIX] [-p SPARK]Description:FQFile, the path of INPUT fastq file, should be like /path/fastq1,/path/fatq2THREAD, the number of thread [10]OUTDIR, the path of outdir [./]PREFIX, the prefix of outputfile [GATKtest]MODE, GVCF or not [Y/N]SPARK, Spark or not [Y/N]GATK_pipeline.sh \
-i /PATH/MGISEQ2000_PCR-free_NA12878_30X_1.fq.gz,/PATH/MGISEQ2000_PCR-free_NA12878_30X_2.fq.gz \
-t 40 \
-o ./ \
-m N \
-s samplename \
-p N6. 比较LUSH和GATK管道获得的变异VCF文件
Haplotype_Comparison.sh \
-i LUSHtest.vcf.gz,GATKtest.vcf.gz \
-t 40 \
-o ./ -s sample生信软件文章推荐
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