macでインフォマティクス

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NGS関連のインフォマティクス情報についてまとめています。

メタゲノムのbinner評価ツール AMBER

 

 ショットガンシーケンシングのMetagenomicsにより、微生物のコミュニティとそのメンバーを研究できる。進化的発散とこれらのメンバーの豊富さは大きな違いがあり、strainレベルの非常にclosely relatedなメンバーだったり、進化的に大きく離れていたり、豊富さ(abundance)が数桁異なることもある。ゲノムビニングソフトウェアは、メタゲノミックリードまたはアセンブリ配列を、コミュニティメンバーのゲノムを表すビンに紐解く (deconvolutes)。ゲノムビニングの一般的で実践的なアプローチは、1つ以上の共同アセンブリにわたってカバレッジとshort k-mer組成が共変動することを用いるが、ストレインレベルの多様性が存在するとビン品質は実質的に低下する[ref. 1]。

 アセンブリやプロファイリングなどのメタゲノミクスベンチマーク方法は、ユーザーとメソッド開発者にとって重要である。前者は、特定のアプリケーションやデータセットに最適なプログラムとパラメータ化を決定する必要があり、後者は、新規または改善された方法を既存のものと比較する必要がある。評価ソフトウェアや標準化されたメトリクスがない場合、どちらも個別にメソッドを評価するためにかなりの労力を費やす必要がある。The Critical Assessment of Metagenome Interpretation (CAMI)は、ベンチマーク・データセットとパフォーマンス・メトリックの設計を含む評価基準とベスト・プラクティスを確立することによって、この問題に取り組むことを目指す、コミュニティ主導の取り組みである[ref.1、2 pubmed, link]。コミュニティの要求と提案に従って、最初のCAMIの課題は、参加者が集合体、分類学的およびゲノムのビンニング、および分類学的プロファイリングの結果を提出することができる、異なる生物学的複雑性を有する微生物群集のメタゲノムデータセットを提供した。その後、コミュニティによって選択されたメトリックを使用して評価された[ref.1]。ここでは、メタゲノムベンチマークデータセットからのゲノムビニング再構成の比較評価のためのAssessment of Metagenome BinnERs(AMBER)ソフトウェアパッケージについて説明する。このツールは最初のCAMIの課題であった、ゲノム再構築の質を評価するのに最も関連するすべての指標を実装しており、任意のベンチマークデータセットに適用可能である。 AMBERは、フラットファイルでビニング品質評価出力を自動的に生成し、サマリーテーブル、ランキング、イメージ内のビジュアライゼーション、インタラクティブHTMLページとして生成する。AMBERは、シングルコピーマーカー遺伝子のセットに基づいてメタゲノムサンプルのビン品質を評価する人気のCheckMソフトウェアを補完する[ref.3]。

 

インストール

ubuntu16.04のpython3.5.0環境でテストした。

依存

  • numpy==1.13.0
  • biopython==1.69.0
  • matplotlib==2.0.2
  • bokeh==0.12.9
  • pandas==0.20.3
  • seaborn==0.8.1

Optional

  • tox, for automatic tests
  • LaTeX, for combining plots into a PDF file with tool src/create_summary_pdf.py

GIthub

pip3 install cami-amber

usage: AMBER [-h] -g GOLD_STANDARD_FILE [-f FASTA_FILE] [-l LABELS]

             [-p FILTER] [-r REMOVE_GENOMES] [-k KEYWORD] -o OUTPUT_DIR [-m]

             [-x MIN_COMPLETENESS] [-y MAX_CONTAMINATION] [-v]

             bin_files [bin_files ...]

 

Compute all metrics and figures for one or more binning files; output summary

to screen and results per binning file to chosen directory

 

positional arguments:

  bin_files             Binning files

 

optional arguments:

  -h, --help            show this help message and exit

  -g GOLD_STANDARD_FILE, --gold_standard_file GOLD_STANDARD_FILE

                        Gold standard - ground truth - file

  -f FASTA_FILE, --fasta_file FASTA_FILE

                        FASTA or FASTQ file with sequences of gold standard

                        (required if gold standard file misses column _LENGTH)

  -l LABELS, --labels LABELS

                        Comma-separated binning names

  -p FILTER, --filter FILTER

                        Filter out [FILTER]% smallest bins (default: 0)

  -r REMOVE_GENOMES, --remove_genomes REMOVE_GENOMES

                        File with list of genomes to be removed

  -k KEYWORD, --keyword KEYWORD

                        Keyword in the second column of file with list of

                        genomes to be removed (no keyword=remove all genomes

                        in list)

  -o OUTPUT_DIR, --output_dir OUTPUT_DIR

                        Directory to write the results to

  -m, --map_by_completeness

                        Map genomes to bins by maximizing completeness

  -x MIN_COMPLETENESS, --min_completeness MIN_COMPLETENESS

                        Comma-separated list of min. completeness thresholds

                        (default %: 50,70,90)

  -y MAX_CONTAMINATION, --max_contamination MAX_CONTAMINATION

                        Comma-separated list of max. contamination thresholds

                        (default %: 10,5)

  -v, --version         show program's version number and exit

——

 または著者らが用意したdockerイメージを使う。

git clone https://github.com/CAMI-challenge/AMBER.git
cd AMBER/
docker build -t cami/amber:latest .


docker run -v \
$(pwd)/input/gold_standard.fasta:/bbx/input/gold_standard.fasta \
-v $(pwd)/input/gsa_mapping.binning:/bbx/input/gsa_mapping.binning \
-v $(pwd)/input/test_query.binning:/bbx/input/test_query.binning \
-v $(pwd)/output:/bbx/output \
-v $(pwd)/input/biobox.yaml:/bbx/input/biobox.yaml \
cami/amber:latest default

 

テストラン

cd AMBER/

python3 amber.py -g test/gsa_mapping.binning \
-l "MaxBin 2.0, CONCOCT, MetaBAT" \
-p 1 \
-r test/unique_common.tsv \
-k "circular element" \
test/naughty_carson_2 \
test/goofy_hypatia_2 \
test/elated_franklin_0 \
-o output_dir/

 出力(output_dir/)

> ls -alth /data/output_dir/

$ ls -alth /data/output_dir/

total 744K

drwxr-xr-x 15 kazu kazu  510 Oct 13 03:24 ..

drwxrwxr-x 29 kazu kazu  986 Oct 13 03:23 .

-rw-rw-r--  1 kazu kazu  82K Oct 13 03:23 summary.html

-rw-rw-r--  1 kazu kazu  88K Oct 13 03:23 purity_completeness_per_bin.eps

-rw-rw-r--  1 kazu kazu  26K Oct 13 03:23 purity_completeness_per_bin.pdf

-rw-rw-r--  1 kazu kazu  45K Oct 13 03:23 purity_completeness_per_bin.png

-rw-rw-r--  1 kazu kazu  310 Oct 13 03:23 rankings.txt

-rw-rw-r--  1 kazu kazu  25K Oct 13 03:23 boxplot_completeness.eps

-rw-rw-r--  1 kazu kazu  14K Oct 13 03:23 boxplot_completeness.pdf

-rw-rw-r--  1 kazu kazu  19K Oct 13 03:23 boxplot_completeness.png

-rw-rw-r--  1 kazu kazu  20K Oct 13 03:23 boxplot_completeness_wo_legend.eps

-rw-rw-r--  1 kazu kazu  24K Oct 13 03:23 boxplot_purity.eps

-rw-rw-r--  1 kazu kazu  13K Oct 13 03:23 boxplot_purity.pdf

-rw-rw-r--  1 kazu kazu  16K Oct 13 03:23 boxplot_purity.png

-rw-rw-r--  1 kazu kazu  19K Oct 13 03:23 boxplot_purity_wo_legend.eps

-rw-rw-r--  1 kazu kazu  36K Oct 13 03:23 ari_vs_assigned_bps.eps

-rw-rw-r--  1 kazu kazu  15K Oct 13 03:23 ari_vs_assigned_bps.pdf

-rw-rw-r--  1 kazu kazu  48K Oct 13 03:23 ari_vs_assigned_bps.png

-rw-rw-r--  1 kazu kazu  16K Oct 13 03:23 avg_purity_completeness.pdf

-rw-rw-r--  1 kazu kazu  37K Oct 13 03:23 avg_purity_completeness_per_bp.eps

-rw-rw-r--  1 kazu kazu  16K Oct 13 03:23 avg_purity_completeness_per_bp.pdf

-rw-rw-r--  1 kazu kazu  52K Oct 13 03:23 avg_purity_completeness_per_bp.png

-rw-rw-r--  1 kazu kazu  40K Oct 13 03:23 avg_purity_completeness.eps

-rw-rw-r--  1 kazu kazu  51K Oct 13 03:23 avg_purity_completeness.png

drwxrwxr-x  7 kazu kazu  238 Oct 13 03:23 elated_franklin_0

drwxrwxr-x  7 kazu kazu  238 Oct 13 03:23 goofy_hypatia_2

-rw-rw-r--  1 kazu kazu 9.8K Oct 13 03:23 legend.eps

drwxrwxr-x  7 kazu kazu  238 Oct 13 03:23 naughty_carson_2

-rw-rw-r--  1 kazu kazu  687 Oct 13 03:23 summary.tsv

評価内容

  • avg_purity: purity averaged over genome bins
  • std_dev_purity: standard deviation of purity averaged over genome bins
  • sem_purity: standard error of the mean of purity averaged over genome bins
  • avg_completeness: completeness averaged over genome bins
  • std_dev_completeness: standard deviation of completeness averaged over genome bins
  • sem_completeness: standard error of the mean of completeness averaged over genome bins
  • avg_purity_per_bp: average purity per base pair
  • avg_completeness_per_bp: average completeness per base pair
  • rand_index_by_bp: Rand index weighed by base pairs
  • rand_index_by_seq: Rand index weighed by sequence counts
  • a_rand_index_by_bp: adjusted Rand index weighed by base pairs
  • a_rand_index_by_seq: adjusted Rand index weighed by sequence counts
  • percent_assigned_bps: percentage of base pairs that were assigned to bins
  • accuracy: accuracy
  • >0.5compl<0.1cont: number of bins with more than 50% completeness and less than 10% contamination
  • >0.7compl<0.1cont: number of bins with more than 70% completeness and less than 10% contamination
  • >0.9compl<0.1cont: number of bins with more than 90% completeness and less than 10% contamination
  • >0.5compl<0.05cont: number of bins with more than 50% completeness and less than 5% contamination
  • >0.7compl<0.05cont: number of bins with more than 70% completeness and less than 5% contamination
  • >0.9compl<0.05cont: number of bins with more than 90% completeness and less than 5% contamination

 

summary.tsv

f:id:kazumaxneo:20181013123002j:plain

 

図も複数出力される。

  • purity_completeness_per_bin.pdf

f:id:kazumaxneo:20181013122657j:plain

  • ari_vs_assigned_bps.pdf

f:id:kazumaxneo:20181013122800j:plain

  • avg_purity_completeness.pdf

f:id:kazumaxneo:20181013122838j:plain

  • boxplot_completeness.pdf

f:id:kazumaxneo:20181013122721j:plain

  • boxplot_purity.pdf

f:id:kazumaxneo:20181013122738j:plain

  • summary.html

AMBER: Assessment of Metagenome BinnERs (example)

f:id:kazumaxneo:20181013123150j:plain

 

実際にランする流れはGithubのREADMEを呼んでください。contigをゲノムにmappingして得たゴールデンスタンダードのファイルも必要になります。

 

引用

AMBER: Assessment of Metagenome BinnERs
Fernando Meyer, Peter Hofmann, Peter Belmann, Ruben Garrido-Oter, Adrian Fritz, Alexander Sczyrba, Alice C McHardy

Gigascience. 2018 Jun; 7(6): giy069