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DNA甲基化数据分析,了解下

因为组里面出了一批甲基化测序数据,使用的技术为BS-seq,处理的时候顺带记录了学习过程,演示使用数据为官方提供的example.fastq。

DNA甲基化及CpG岛定义了解  

DNA甲基化(英语:DNA methylation)为DNA化学修饰的一种形式,能在不改变DNA序列的前提下,改变遗传表现。为外遗传编码(epigenetic code)的一部分,是一种外遗传机制。DNA甲基化过程会使甲基添加到DNA分子上,例如在胞嘧啶环的5’碳上:这种5’方向的DNA甲基化方式可见于所有脊椎动物。

在人类细胞内,大约有1%的DNA碱基受到了甲基化。在成熟体细胞组织 “组织 (生物学)”)中,DNA甲基化一般发生于CpG双核苷酸(CpG dinucleotide)部位;而非CpG甲基化则于胚胎干细胞中较为常见[1] [2]。植物体内胞嘧啶的甲基化则可分为对称的CpG(或CpNpG),或是不对称的CpNpNp形式(C与G是碱基;p是磷酸根;N指的是任意的核苷酸)。

特定胞嘧碇受甲基化的情形,可利用亚硫酸盐定序(bisulfite sequencing)方式测定。DNA甲基化可能使基因沉默化,进而使其失去功能。此外,也有一些生物体内不存在DNA甲基化作用。

——维基百科

DNA甲基化作为基因组上的表观修饰(区别于组蛋白修饰),存在于各种生物中。

简单来说,可以认为甲基化代表着基因的失活,去甲基化则标志基因的激活与表达

虽然CpG序列出现的频率并不高,但是在某些基因区域内,CpG的密度很高,俗称CpG岛。这些CpG岛大多出现在基因的启动子区域(人类占到70%),长度达300-3000bp。目前的研究表明,大多数的管家基因都含有CpG岛,位于基因的5’端(其中的大多数CpG岛都是未甲基化的)

另外需要注意的是,目前的研究表明,肿瘤样本与正常样本的CpG岛甲基化差异大多不是发生CpG岛的内部而是位于CpG岛岸(CpG island shore)

由于CpG位点的易甲基化导致胞嘧啶脱氨变成胸腺嘧啶,所以在漫长的进化过程中,CpG位点逐渐消失,但是又存在着对于基因表达的调控要求,所以CpG岛的出现也被理解为抵抗甲基化经常很,维持调控功能。

DNA甲基化测序原理与方法

    

此处略过,请自行了解(示例文件为WGBS单端测序文件)。

其实是因为理解起来比较累,知道大致原理就可以了,以后再来填坑

数据处理(使用Bismark软件处理)

Bismark下载

Bismark官网

The less the people know about how sausages and our code are made, the better they sleep at night (untracable author)

bismark_v0.19.0.tar.gz

解压即用tar xzf bismark_v0.X.Y.tar.gz,常用的话将路径写入PATH:PATH=/PATH/TO/Bismark/:$PATH

manual页面需要搭梯子才能看到,简书不支持附件,所以有需要的可以留言,我email pdf文件

Dependencies

需要用户已经装好bowtie1/bowtie2

测试数据获取



此处使用测试数据test.fastq

(from SRR020138, Lister et al., 2009; trimmed to 50 bp; base call qualities are Sanger encoded Phred values (Phred33)).

$ls -ltotal 2.1M-rw-r--r-- 1 sxj users 2.1M Apr 17  2018 test_data.fastq
INDEX文件构建
# under install folder./bismark_genome_preparation --path_to_bowtie /PATH/to/bowtie2/ --verbose ~/PATH/to/GRCh38/
比对
# paired-end data./bismark --genome ~/PATH/to/GRCh38/ -1 read1.fastq.gz -2 read2.fastq.gz -p 4 -o ./ 2>test.log# single-end data./bismark --genome ~/PATH/to/GRCh38/ test_data.fastq -p 4 -o ./ 2>test.log
甲基化位点提取
./bismark_methylation_extractor -s --gzip --bedGraph --buffer_size 10G --cytosine_report --comprehensive --genome_folder ~/PATH/to/GRCh38/ test_data_bismark_bt2.bam 2>extracor.log
生成处理报告
./bismark2report
所有结果文件
ls -l-rw-r--r-- 1 sxj users  82K Apr 18 16:11 CHG_context_test_data_bismark_bt2.deduplicated.txt.gz-rw-r--r-- 1 sxj users 154K Apr 18 16:11 CHH_context_test_data_bismark_bt2.deduplicated.txt.gz-rw-r--r-- 1 sxj users 138K Apr 18 16:11 CpG_context_test_data_bismark_bt2.deduplicated.txt.gz-rw-r--r-- 1 sxj users 105K Apr 18 17:30 extracor.log-rw------- 1 sxj users  20K Apr 17 15:56 nohup.out-rw-r--r-- 1 sxj users 450K Apr 17 15:56 test_data_bismark_bt2.bam-rw-r--r-- 1 sxj users 449K Apr 18 10:34 test_data_bismark_bt2.deduplicated.bam-rw-r--r-- 1 sxj users  48K Apr 18 16:11 test_data_bismark_bt2.deduplicated.bedGraph-rw-r--r-- 1 sxj users  55K Apr 18 16:11 test_data_bismark_bt2.deduplicated.bismark.cov-rw-r--r-- 1 sxj users 217M Apr 18 17:30 test_data_bismark_bt2.deduplicated.CpG_report.txt.CpG_report.txt.gz-rw-r--r-- 1 sxj users 2.9K Apr 18 16:11 test_data_bismark_bt2.deduplicated.M-bias.txt-rw-r--r-- 1 sxj users  766 Apr 18 16:11 test_data_bismark_bt2.deduplicated_splitting_report.txt-rw-r--r-- 1 sxj users  260 Apr 18 10:34 test_data_bismark_bt2.deduplication_report.txt-rw-r--r-- 1 sxj users 347K Apr 19 23:18 test_data_bismark_bt2_SE_report.html-rw-r--r-- 1 sxj users 1.8K Apr 17 15:56 test_data_bismark_bt2_SE_report.txt-rw-r--r-- 1 sxj users 2.1M Apr 17 15:14 test_data.fastq-rw-r--r-- 1 sxj users 6.2K Apr 17 15:56 text.log
结果解读
--cytosine_report

参数会根据当前目录下的信息文件生成一个HTML格式的报告文件,即test_data_bismark_bt2_SE_report.html文件,它包括了比对信息,甲基化信息,M-bias等,可以对数据有一个大概的认知(下图只展示了一部分):

同时因为使用了--comprehensive,所以结果合并正反链的数据后会输出CpG/CHG/CHH三种类型的甲基化文件,包含了胞嘧啶所有的组合形式,但实际上我们自然最关注的是CpG位点的甲基化。其中

CpG_context_test_data_bismark_bt2.deduplicated.txt即CpG甲基化位点的文件。

head CpG_context_test_data_bismark_bt2.deduplicated.txtBismark methylation extractor version v0.19.0SRR020138.15024317_SALK_2029:7:100:1672:902_length=86    -    1    57333019    zSRR020138.15024319_SALK_2029:7:100:1672:31_length=86    +    2    10026473    ZSRR020138.15024331_SALK_2029:7:100:1673:1282_length=86    +    11    78025243    ZSRR020138.15024343_SALK_2029:7:100:1673:202_length=86    +    10    121617231    ZSRR020138.15024357_SALK_2029:7:100:1673:879_length=86    -    4    75173715    zSRR020138.15024361_SALK_2029:7:100:1673:235_length=86    -    2    130768889    zSRR020138.15024368_SALK_2029:7:100:1673:123_length=86    +    10    106402850    ZSRR020138.15024376_SALK_2029:7:100:1673:1908_length=86    -    12    124097382    zSRR020138.15024380_SALK_2029:7:100:1673:397_length=86    +    8    95038627    Z# 第一列为测序信息# 第二列为甲基化状态 + 代表甲基化 -代表未甲基化# 第三列代表chromosome# 第四列代表location# 第五列代表methylation call,简单来说大写的就是甲基化的(因为还有CHG,CHH的数据,分别对应x, X , h, H)

test_data_bismark_bt2.deduplicated.bismark.cov文件则给了每个位点的甲基化比例,为下一步确定CpG岛提供了基础,其数据形式如下:

$head test_data_bismark_bt2.deduplicated.bismark.cov1    975476    975476    100    1    01    975488    975488    100    1    01    975490    975490    100    1    01    2224487    2224487    100    1    01    2224489    2224489    100    1    01    2224514    2224514    100    1    01    2224520    2224520    100    1    01    2313220    2313220    0    0    11    9313902    9313902    100    1    01    9313914    9313914    100    1    0# 第一列代表chromosome# 第二,三列代表location# 第四列代表甲基化百分比# 第五列代表甲基化数目# 第六列代表未甲基化数目

test_data_bismark_bt2.deduplicated.CpG_report.txt.CpG_report.txt文件则是背景信息:

$head test_data_bismark_bt2.deduplicated.CpG_report.txt.CpG_report.txt1    10469    +    0    0    CG    CGC1    10470    -    0    0    CG    CGA1    10471    +    0    0    CG    CGG1    10472    -    0    0    CG    CGC1    10484    +    0    0    CG    CGG1    10485    -    0    0    CG    CGG1    10489    +    0    0    CG    CGC1    10490    -    0    0    CG    CGG1    10493    +    0    0    CG    CGC1    10494    -    0    0    CG    CGG# 第一列为chromosome# 第二列为location# 第三列为strand# 第四,五列为甲基化和非甲基化的碱基数目# 第六列为CG# 第七列为背景(第一个C延伸两个碱基)
其它参数
bam2nucbismark2summarycoverage2cytosineNOMe_filteringfilter_non_conversion# 有需要的可以自信探索 --help or manual

结语

此处根据测序数据得到了甲基化位点的信息,但是后续DML以及DMR的确定还需要R包的使用,以及后续的可视化还以探索以下包:

Methy-Pipe: An Integrated Bioinformatics Pipeline for Whole Genome Bisulfite Sequencing Data Analysis

2014年出的一个pipeline,分析作图一条龙,有兴趣的同学安排一下。

日常Bob镇楼

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