本报告介绍了 WonderPeaks,一种用于分析 RNA-seq 和 ChIP-seq 数据的新型计算工具。该工具能够成功识别测序数据中的峰信号(reads 堆积),从而实现对 RNA-seq 中非翻译区边界的表征,并检测 ChIP-seq 中的染色质富集,为真菌病原体研究提供有价值的见解。
方法文章
本报告介绍了 WonderPeaks,一种用于分析 RNA-seq 和 ChIP-seq 数据的新型计算工具。该工具能够成功识别测序数据中的峰信号(reads 堆积),从而实现对 RNA-seq 中非翻译区边界的表征,并检测 ChIP-seq 中的染色质富集,为真菌病原体研究提供有价值的见解。
通过转录组学和转录调控因子活性分析基因表达变化,已成为理解真菌致病过程中多种响应机制的基本方法。本文介绍了两种计算工具,旨在解决在研究真菌病原体(特别是基因组注释有限的非模式 真菌)转录调控中的关键挑战。首先,我们提出WonderPeaks,一种新颖的峰识别算法,该算法利用来自下一代测序(NGS)实验的基因组比对数据的一阶导数,识别染色质免疫沉淀结合测序(ChIP-seq)中的富集峰。其次,我们介绍PeakStream,它是WonderPeaks的扩展工具,用于对采用poly(A)引物文库构建方法生成的转录组数据中的3'非翻译区(UTRs)进行注释。这两个工具共同构成了一个端到端的数据分析流程,为研究真菌转录调控的研究人员提供了一种用户友好的解决方案。我们以真菌病原体Candida albicans的数据为例,验证了这些工具的有效性,成功识别出ChIP-seq数据中已验证的峰,并通过与相同条件下总RNA测序数据的比较,注释了经过验证的UTRs。我们还讨论了WonderPeaks在ChIP-seq数据分析中相较于当前先进方法的局限性,并提出了未来改进的方向。最终,本研究为研究转录调控提供了实用的指导和强大的资源,不仅对致病性真菌研究具有直接意义,也具有广泛基因组研究的潜在应用价值。
真菌病原体已成为一个新兴的全球健康问题,近年来感染病例不断上升1。许多此类病原体表现出高度抗真菌耐药性,并与较高的死亡率相关2。然而,与模式真菌生物相比,许多致病性真菌仍缺乏充分表征,凸显了进一步研究其致病机制的必要性。染色质免疫沉淀测序(ChIP-Seq)和RNA测序(RNA-Seq)等新一代测序(NGS)技术在揭示真菌致病性相关基因表达分子机制方面发挥着关键作用。
从NGS数据中获得的分析结果的质量在很大程度上取决于用于原始数据分析的软件的准确性。NGS数据分析面临的关键挑战之一是峰识别(peak calling)——即准确鉴定NGS读段富集的区域——由于文库制备和测序技术种类繁多,这一过程尤为复杂,难以实现通用解决方案。MACS算法3(包括其较新版本MACS3)被广泛认为是分析ChIP-seq数据集的金标准。然而,MACS依赖于用户定义的参数——例如最小峰长度和最大间隔——这些参数可能不具备普适性,且通常在分析前难以确定。值得注意的是,最新的MACS3版本包含一种截断分析(cut-off analysis)功能,允许用户在峰识别前估算参数。为了提升性能,用户还可以提供一份“黑名单”基因组区域列表,这些区域因染色质结构或拷贝数变异可能引入偏差。尽管MACS仍是ChIP-seq数据分析中最常用且最受信赖的峰识别工具,但可供选择的替代算法仍较少,尤其是在需要高度定制化参数设置的情况下。
RNA-Seq 是研究病原性真菌在不同条件下基因表达响应的宝贵技术 体内 生长,例如在组织培养或小鼠感染模型中4,5,6,7在这些条件下,准确的差异表达分析需要较高的测序深度,这可能在成本和资源上具有较高要求8,9文库制备方法如基于多聚腺苷酸化(poly(A))引物的测序(3'RNA-Seq),利用设计用于与mRNA的poly(A)尾退火的引物进行cDNA合成,可有助于减少基因表达分析所需的测序深度10然而,这种方法依赖于高质量的基因组注释,尤其是位于3'非翻译区(UTRs)的注释,因为多聚腺苷酸化引物事件产生的峰通常位于这些区域。11许多研究不足的真菌病原体的基因组注释中缺乏任何非翻译区(UTR)注释,这使得在这些生物体中应用3'RNA-Seq技术变得困难。此外,单个基因的UTR长度在不同的生长条件和细胞类型中可能具有动态变化。12,13尽管已开发出多种用于识别和注释UTR的新分析工具,但其中许多工具是针对哺乳动物数据集设计的,而哺乳动物的基因结构与真菌存在显著差异;此外,这些工具往往需要来自独立测序实验(如单细胞测序或逆转录mRNA测序)的数据,这会增加研究人员进行转录组分析所需的时间和成本12,14,15.
本文介绍了WonderPeaks,一种基于一阶导数原理设计的新型峰识别软件,可用于动态识别NGS数据集中的峰信号(图1)。WonderPeaks通过计算覆盖度信号的一阶导数,并利用该值——即峰的斜率——来定义潜在的峰。该算法会搜索一阶导数在用户设定或数据推断的斜率阈值以上出现局部最大值(表示信号上升)后,紧接着在同一阈值以上出现局部最小值(表示信号下降)的情况,从而检测数据集中的所有候选峰。在ChIP-seq应用中,WonderPeaks通过比较实验组与对照组样本之间的所有候选峰,识别出特异性富集的峰。我们将WonderPeaks应用于先前发表的白色念珠菌(Candida albicans)转录因子ChIP-seq数据集16,结果表明该软件能够成功识别出原始研究中关键基因上游的峰信号,同时我们也讨论了该算法在此类应用中的当前局限性。
我们还介绍了 PeakStream,这是一种利用 WonderPeaks 在 3'RNA-Seq 数据集中识别峰的软件工具。3'RNA-Seq 文库依赖于准确的 3' 非翻译区(UTR)注释,因为通过 poly(A) 引物生成的读段通常会延伸至基因编码序列(CDS)终止密码子之外,因此在仅关注编码区域的标准注释下,这些读段往往未被计入。PeakStream 分析流程旨在利用 3' RNA-Seq 数据创建新的基因组注释,重点关注基因编码序列(CDS)区域下游的区域。PeakStream 将这些峰分配给相应基因,生成可用于下游读段计数程序的新基因组注释。我们证明,在 3'RNA-Seq C. albicans 数据集中,使用 PeakStream 能够准确识别并将下游由 poly(A) 产生的峰正确分配给对应的基因。PeakStream 还可注释那些不太可能与任何现有基因注释相关联的峰,有助于发现潜在的新转录本。综上所述,PeakStream 与 WonderPeaks 构成了一套功能强大且用户友好的工具组合,适用于新一代测序(NGS)数据集中的峰检测。

图1:WonderPeaks和PeakStream进行峰检测的概览图。左侧:使用一阶导数进行峰检测。右上方:使用WonderPeaks对ChIP-Seq数据集进行峰检测。右下方:使用PeakStream对RNA-Seq数据集进行峰检测。请点击此处查看此图的放大版本。
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1. 安装(如已完成可跳过)
2. 创建数据目录
注意:WonderPeaks 和 PeakStream 工作流程要求所有数据(原始数据和已处理数据)均存储在同一目录中。此步骤说明如何创建该新目录({data_directory} = /path/to/your/data),以及如何将实验原始数据(未处理的测序读段)移至该目录中名为 raw_data 的文件夹内。
3. 创建用户输入文件(NGS_user_input.csv)
注意:输入文件指定了用户生成的用于运行预处理和 WonderPeaks 的配置。
4. 创建元数据文件(NGS_user_metadata.csv)
注意:元数据文件用于存储与实验相关的任何信息。可以添加额外的列来描述实验条件,但这些列不会影响后续步骤。

图2:NGS_user_input.csv 和 NGS_user_metadata.csv 示例。 NGS_user_input.csv(上图)和 NGS_user_metadata.csv(下图)的示例,用粉红色或蓝色文字及箭头突出显示 designfactor 列与 designfactor 列之间的对应关系。请点击此处查看此图的放大版本。
5. NGS 数据预处理
注意:如果使用自定义预处理,请跳至第5节或第6节。

图 3:WonderPeaks 的文件组织。 数据文件夹的截图,其中包含位于目录 bedgrapghout/normalizeUsingCPM 中的 bedgraph 文件。请点击此处查看该图的放大版本。
6. ChIPseq 的 WonderPeaks

图 4:ChIP-seq 分析中 WonderPeaks 工具的 designfactor_value 和用户自定义阈值设置界面截图。 WonderPeaks Jupyter Notebook 的截图,展示了表格中可选的 designfactor_value 选项,以及如何在下一个代码单元格中应用该值。顶部黑色箭头指向显示可能 designfactor_value 取值的表格;其中 Op 值被圈出,并作为用户在选项单元格中选定的 designfactor_value 输入(底部黑色箭头所示)。在图中,实线和虚线分别表示不透明细胞实验中已标记样本和未标记样本的近似中位峰得分。这些中位数用于定义 score_cut 参数(已标记样本的中位数)和 fold_change 参数(已标记与未标记样本中位数的比值)。请点击此处查看该图的放大版本。
3'RNA测序的PeakStream

图 5:PeakStream 的文件组织结构。显示数据文件夹的截图,其中 bedgraph 文件位于 bedgrapghout 目录中。请点击此处查看该图的放大版本。
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WonderPeaks
在完成 ChIP-seq 实验后,研究人员通常使用峰值识别软件(如 MACS3)来鉴定由表位标签标记的 DNA 结合蛋白富集的基因组区域。我们开发了 WonderPeaks,作为一种用户友好的峰值识别工具,旨在利用上述方法识别峰值。
WonderPeaks 通过首先计算覆盖度的一阶导数来识别峰,并利用该值(峰的斜率)定义潜在的峰。随后,算法搜索一阶导数中存在局部最大值且高于用户设定的斜率阈值(表示评分上升)的情况,紧接着出现同一阈值以上的局部最小值(表示评分下降)。每个峰的中心位置被计算为一阶导数局部最小值与最大值之间的中点。若不同样本间的峰彼此间距在 120 bp 以内,则将这些峰归为一组,其最终位置取该组峰平均位置的中心点。在一阶导数计算完成后,使用文件和染色体内部覆盖度的第 75 百分位数对峰进行过滤,以消除基线噪声。通过上述步骤,算法将测试样本和对照样本中所有可能峰的汇总信息保存为一个摘要文件(WOnder_unfiltered_peaks.csv)。我们注意到...
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新一代测序(NGS)技术为研究真菌病原体中的基因调控和表达提供了前所未有的洞察力。因此,计算工具必须既全面——能够捕获实验中产生的全部数据——又易于普通用户(尤其是实验人员)使用。在本报告中,我们介绍了两种工具,WonderPeaks 和 PeakStream,它们分别满足了真菌病原体研究人员在 ChIP-seq 和 RNA-seq 工作流程中的这些需求。
WonderPeaks 是一种用户友好的 ChIP-seq 实验峰识别分析流程。与广泛使用的 MACS 相比,WonderPeaks 成功识别了在高富集样本(不透明细胞类型中的 Wor4)和低富集样本(白色细胞类型中的 Wor4)中由 MACS 检测到的峰,并且还发现了 MACS 未能识别的新峰。WonderPeaks 算法基于一阶导数的优势在于,它能够在参数设置极少的情况下调用数据集中所有可能的峰,并依据生物学上合理的标准进行系统性过滤。换句话说,该算法模拟了人类通过视觉判断来评估峰有效性的过程。
目前,WonderPeaks 在 ChIP-seq 数据的峰识别方面尚未优...
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作者声明无利益冲突。
本工作得到了美国国立卫生研究院(NIH)基金项目 RO1AI175080 和 R01GM037049(授予 Alexander D. Johnson)以及 NIH T32 培训基金项目 T32 AI 60537-20(授予 H.G)的支持。我们感谢 Alexander Johnson、Matthew Lohse、Jenny Zhang 和 Brian Wang 提供有益的讨论和建议。同时感谢 Carol Gross 实验室成员的反馈意见。我们感谢 Ananda Mendoza 提供的技术支持。测序工作在加州大学旧金山分校(UCSF)CAT 平台完成,该平台由 UCSF PBBR、RRP IMIA 以及 NIH 1S10OD028511-01 基金项目资助。我们承认使用了 OpenAI 的 ChatGPT 来协助排查代码问题,并为稿件修改提供建议。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| CORALL 总RNA-seq V1试剂盒 | Lexogen | 095 | 湿实验材料 |
| 丝状真菌核糖体RNA去除试剂(Filamentous-Fungi riboPOOL) | siTOOLs | dp-P096-6 | 湿实验材料 |
| 高灵敏度RNA ScreenTape | Agilent | 5067-5579 | 湿实验材料 |
| 高灵敏度RNA ScreenTape Ladder | Agilent | 5067-5581 | 湿实验材料 |
| 高灵敏度RNA ScreenTape样本缓冲液 | Agilent | 5067-5580 | 湿实验材料 |
| https://github.com/mgarber21/WonderPeaks/blob/main/environment.yml | WonderPeaks依赖项列表 | ||
| https://github.com/mgarber21/WonderPeaks_preprocessing/blob/main/environment.yml | WonderPeaks_preprocessing依赖项列表 | ||
| Monarch Spin RNA纯化试剂盒 | NEB | T2040L | 湿实验材料 |
| pygenometracks (3.9) | |||
| QuantSeq 3′ mRNA-Seq FWD文库构建试剂盒 V1 | Lexogen | 015 | 湿实验材料 |
| Qubit RNA高灵敏度(HS)检测试剂盒 | Invitrogen | Q32852 | 湿实验材料 |
| RNA Clean & Concentrator-5 | Zymo Research | R1016 | 湿实验材料 |
| TURBO DNA-free试剂盒 | ThermoFisher | AM1907 | 湿实验材料 |
| WonderPeaks(0.1.14) | |||
| WonderPeaks_preprocessing(0.2.3) |
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