這期內(nèi)容當(dāng)中小編將會(huì)給大家?guī)?lái)有關(guān)宏基因組binning的原理是什么，文章內(nèi)容豐富且以專(zhuān)業(yè)的角度為大家分析和敘述，閱讀完這篇文章希望大家可以有所收獲。

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宏基因組  binning  也即將序列進(jìn)行聚類(lèi)、分裝，是根據(jù)基因組特征以及組裝信息等將屬于不同基因組的序列分離開(kāi)來(lái)的過(guò)程。通過(guò)  binning  得到的  bins  （更確切的說(shuō)是  strain-level clusters  或  strain-leveltaxonomic units  ）很可能是實(shí)驗(yàn)室無(wú)法純培養(yǎng)的未知的微生物的基因組序列，對(duì)其進(jìn)行組學(xué)分析具有重要意義  ^{[1  ]}  。

在宏基因組中分離單基因組，可利用序列特征或序列組裝信息，常見(jiàn)的可用信息主要有以下幾種：

a.根據(jù)核酸使用頻率（通常是四核苷酸頻率）、GC含量和必需的單拷貝基因等基因組特征；

b.根據(jù)contig序列的覆蓋度coverage信息；

c.根據(jù)測(cè)序數(shù)據(jù)的kmer豐度信息；

d.根據(jù)序列在不同樣品的共出現(xiàn)規(guī)律（co-abundance patternsacross multiple samples）；

e.將序列map到數(shù)據(jù)庫(kù)的參考序列所獲得的注釋信息，也即物種binning。

根據(jù)所使用的序列數(shù)據(jù)不同，binning策略可分為三種：基于組裝前的clean reads，基于組裝后的contigs，基于注釋的基因genes。

⑴基于reads binning

環(huán)境樣本中微生物的豐度不同，其基因組kmer的期望深度也不同，根據(jù)kmer豐度可以直接對(duì)reads進(jìn)行聚類(lèi)，將屬于不同基因組的reads分離開(kāi)來(lái)。其優(yōu)勢(shì)是可以聚類(lèi)出宏基因組中豐度非常低的物種，而且可以分離系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系很近的物種。考慮到在宏基因組組裝中reads利用率很低，單樣品5Gb測(cè)序量情況下，環(huán)境樣品組裝reads利用率一般只有10%左右，腸道樣品或極端環(huán)境樣品組裝reads利用率一般能達(dá)到30%，這樣很多物種，尤其是低豐度的物種的reads沒(méi)有被沒(méi)有被組裝出來(lái)，沒(méi)有體現(xiàn)在contig中而被浪費(fèi)，因此基于reads binning才有可能得到低豐度的物種基因組的的測(cè)序數(shù)據(jù)，在實(shí)際研究中基于reads binning的LSA（Latent Strain Analysis）方法可以聚類(lèi)出豐度低到0.00001%的物種，并且對(duì)同一物種中的不同菌株的敏感性很強(qiáng)^[2]。

⑵基于genes binning

在宏基因組做完序列組裝和基因預(yù)測(cè)之后，把所有樣品中預(yù)測(cè)到的基因混合在一起，去冗余得到unique genes集合，根據(jù)gene在各個(gè)樣品中的豐度變化模式，計(jì)算gene之間的相關(guān)性，利用這種相關(guān)性進(jìn)行聚類(lèi)。利用這種策略進(jìn)行binning得到的bins可稱(chēng)為CAG（co-abundance genegroups），包含有700個(gè)以上的gene的CAG稱(chēng)為MGS（metagenomic species），CAG可用進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，MGS可用進(jìn)行后續(xù)的單菌組裝^[3]。當(dāng)然根據(jù)具體的聚類(lèi)算法和相關(guān)性系數(shù)的不同，對(duì)genes binning得到的bins的叫法也不同，除以上外還有MLG（metagenomic linkage groups）、MGC（metagenomic clusters）和MetaOTUs（metagenomic operational taxonomicunits）等，同時(shí)，MLG, MGC, MGS和MetaOTUs物種注釋的標(biāo)準(zhǔn)也是不一樣的。

目前已發(fā)表的宏基因組關(guān)聯(lián)分析（MWAS）和多組學(xué)聯(lián)合分析文章中，宏基因組binning很多都用genes binning方法，尤其是疾病的MWAS研究中基本都用genes binning^[4]。這種方法的優(yōu)勢(shì)是基于genes豐度變化模式進(jìn)行binning可操作性比較強(qiáng)，過(guò)程比較簡(jiǎn)單，可復(fù)制性強(qiáng)，對(duì)計(jì)算機(jī)資源消耗比較低。

⑶基于contigs binning

在宏基因組做完序列組裝之后，將所有reads序列map到contigs上獲得contig覆蓋率，再綜合GC含量、核算組成等信息對(duì)contig進(jìn)行聚類(lèi)，將屬于不同基因組的contig序列分開(kāi)。contig binning目前應(yīng)用十分廣泛，最常用的就是用于組裝單物種基因組，目前已經(jīng)有多種基于contig binning的軟件^[1]，對(duì)于豐度較高的物種contigs binning效果較好，但是目前也有些缺陷或者說(shuō)還有很多可提升的空間，例如對(duì)核酸組成信息的利用，開(kāi)發(fā)得就不夠充分，四堿基使用頻率因簡(jiǎn)單而被廣泛使用和接受，但現(xiàn)在已有研究表明k-mer豐度信息也是很好的種系特征，同時(shí)越長(zhǎng)的k-mer含有越多的信息，還有基因和參考基因組間的同源關(guān)系也是有價(jià)值的種系信號(hào)，但這些都還沒(méi)有被自動(dòng)化的binning軟件整合。

binning  結(jié)果對(duì)于參數(shù)設(shè)置是很敏感的，但是很多  binning  軟件只有有限的可調(diào)整的參數(shù)，這使得想要獲得高質(zhì)量的  bins 經(jīng)常需要手動(dòng)調(diào)整。

上述就是小編為大家分享的宏基因組binning的原理是什么了，如果剛好有類(lèi)似的疑惑，不妨參照上述分析進(jìn)行理解。如果想知道更多相關(guān)知識(shí)，歡迎關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊頻道。

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