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QIIME 2:微生物组大数据挖掘的终极神器!

【字体: 时间:2020年05月14日 来源:派森诺生物

编辑推荐:

  9年之后,QIIME再次出发!为满足当前规模日益庞大的数据、以及分析可重复、可追溯的需求,QIIME论文一作、现北亚利桑那大学的Gregory Caporaso教授牵头,并与全世界79家单位的112名同行联合,从头开发了QIIME 2分析平台,论文于2019年7月24日在线发表于世界顶级学术期刊《Nature Biotechnology》!

QIIME全称是Quantitative Insights Into Microbial Ecology,是由微生物组领域大神Rob Knight领导团队开发的微生态测序数据分析流程,于2010年发表在《Nature Methods》期刊上。9年来,该软件已成为微生物组领域最广泛使用的分析工具,引用量过万,更是在今年的6月17日,被《Nature》期刊评为近70年来人体微生物组研究的25个里程碑事件之一。


QIIME软件入选《Nature》评出的人体微生物组研究25大里程碑事件
https://www.nature.com/immersive/d42859-019-00041-z/index.html

9年之后,QIIME再次出发!为满足当前规模日益庞大的数据、以及分析可重复、可追溯的需求,QIIME论文一作、现北亚利桑那大学的Gregory Caporaso教授牵头,并与全世界79家单位的112名同行联合,从头开发了QIIME 2分析平台,论文于2019年7月24日在线发表于世界顶级学术期刊《Nature Biotechnology》!



QIIME 2正式发表:可重复、可交互、适用范围广并且可扩展的微生物组数据科学
https://qiime2.org/

总体而言,QIIME 2对QIIME 1完全重新设计和重写,是全新的微生物组分析流程,不但继承了QIIME 1强大和广泛使用的诸多优点,同时也改进了先前版本中的许多不足和问题。一方面,QIIME 2可以整合多种分析流程、自动化追踪数据来源;同时,它也支持API、命令行、图形界面等多种用户界面。另外,QIIME 2还开发了“语义类型系统(Semantic types)”,自动识别输入文件类型;还可以通过插件系统,不断新增微生物组分析方法、扩展使用功能(插件的实质是软件包,比如dada2、q2-longitudinal等):QIIME 2制定了分析插件的标准化开发流程,每个人都可以开发,官方也鼓励第三方工具作为插件以为QIIME 2提供各种额外的分析功能,从而实现“去中心化”,使最新的技术、方法得以快速部署、整合。

QIIME 2优势

1  每一步分析结果均可追溯、可重复
2  插件系统赋予强大的可扩展性
3  全新可交互式图形系统,可视化功能更强大
4  安装更方便
5  使用方式更多样
6  合作共享更容易
7  完善的社区平台


QIIME 2提供了多种多样的交互式可视化工具
https://github.com/qiime2/paper1


QIIME 2迭代记录数据来源,确保分析可追溯、可重复

QIIME 2从提出概念,到正式发表论文,已经经过了很长时间的迭代开发,目前已具备了完善的分析流程(详见https://docs.qiime2.org/2019.7/tutorials/overview/):



QIIME 2产生的数据类型,叫做对象(Artifacts),它可以是序列数据、表格数据、树文件、样本信息、参数信息等等。

在QIIME 2中,每一个特定的功能都是由一个插件完成的,而QIIME 2构建的基本思想,就是将这些插件的输入端和输出端统一为QZA和QZV的文件格式,进而可以衔接起来:

▶ qza文件的本质其实是一个文件压缩包,我们可以简单得将QZA文件理解为是Qiime Zipped Artifacts。QZA文件除了包含数据外,也包含了之前的分析过程、使用的方法命令、使用的数据等信息等,以最大程度得实现分析步骤的可追溯、可重复;
▶ qzv文件末尾的v代表visual。我们可以简单得将QZV文件理解为是Qiime Zipped Visual。它与QZA文件类似,可追溯、可重复,唯一的区别就在于它是各个分析流程的终点,即无法再使用QZV文件作为输入文件在流程中继续分析。QZV文件包含的可视化结果有:统计表格、静态图片、交互式网页以及组合的可视化呈现。

QIIME 2 插件亮点之DADA2

根据目前最新的QIIME 2官方的技术文档,目前QIIME 2已经包含20余种插件:

1. alignment: Plugin for generating and manipulating alignments
2. composition: Plugin for compositional data analysis
3. cutadapt: Plugin for removing adapter sequences, primers, and other unwanted sequence from sequence data
4. dada2: Plugin for sequence quality control with DADA2
5. deblur: Plugin for sequence quality control with Deblur
6. demux: Plugin for demultiplexing & viewing sequence quality
7. diversity: Plugin for exploring community diversity
8. emperor: Plugin for ordination plotting with Emperor
9. feature-classifier: Plugin for taxonomic classification
10. feature-table: Plugin for working with sample by feature tables
11. fragment-insertion: Plugin for extending phylogenies
12. gneiss: Plugin for building compositional models
13. longitudinal: Plugin for paired sample and time series analyses
14. metadata: Plugin for working with Metadata
15. phylogeny: Plugin for generating and manipulating phylogenies
16. quality-control: Plugin for quality control of feature and sequence data
17. quality-filter: Plugin for PHRED-based filtering and trimming
18. sample-classifier: Plugin for machine learning prediction of sample metadata
19. taxa: Plugin for working with feature taxonomy annotations
20. types: Plugin defining types for microbiome analysis
21. vsearch: Plugin for clustering and dereplicating with vsearch

由于篇幅所限,我们无法一一展示QIIME 2的插件系统的强大之处。我们在此重点讨论下DADA2这一插件。

DADA2可以实现Illumina扩增子测序数据的错误校正,去除引物、碱基质量控制、去噪(Denoise)、双端序列拼接和嵌合体去除,进而获得单碱基精度的代表序列。与传统的基于OTU的分析方法不同,DADA2不再以序列相似度进行聚类,只进行去重(Dereplication,相当于以100%相似度聚类),从而得到“扩增序列变体”ASVs(Amplicon sequence variants),或称为“特征序列”(对应于传统的OTU代表序列),而这些序列在样本中的丰度表称为“特征表”(对应于传统的OTU丰度矩阵表)。以DADA2为代表的去噪生成特征序列的方法,是目前主流分析平台(QIIME 2和USEARCH等)所力推的。


QIIME 2认为以OTUs聚类为基础建立的分析方法是不理想、不准确的
https://docs.qiime2.org/2019.7/tutorials/overview/#denoising-and-clustering

此外,QIIME 2还整合了新的条形UniFrac算法(Striped UniFrac),也大大提升了微生物组大数据的分析速度。
 
综上所述,我们纵览了QIIME 2的优点和诸多新特性。我们相信,QIIME 2的诞生,必将推动微生物组研究进入快速发展的新时期!作为微生物组大数据解析的一大利器,QIIME 2可追溯、可重复的“数据透明化”的特点,使其必将成为微生态领域研究人员最为熟知和接受度最广的行业标准!未来,QIIME 2还将纳入宏基因组、宏转录组、宏蛋白组和代谢组等分析流程,可以预期,在不久的将来,QIIME 2将发展成为“一站式”的多组学整合分析平台!

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