1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Генетика
  4. T. 59, № 6, 2023

Генетика, 2023, T. 59, № 6, стр. 687-707

Сравнительный анализ инструментов для поиска структурных вариантов на данных короткоридового полногеномного секвенирования

А. А. Мкртчян 1, *, К. С. Грамматикати 1, П. Г. Казакова 1, С. И. Митрофанов 1, П. Ю. Земский 1, А. А. Ивашечкин 1, М. Н. Пилипенко 1, Д. В. Светличный 1, А. П. Сергеев 1, Е. А. Снигирь 1, Л. В. Фролова 1, Т. А. Шпакова 1, В. С. Юдин 1, А. А. Кескинов 1, С. М. Юдин 1, В. И. Скворцова 2

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение «Центр стратегического планирования и управления медико-биологическими рисками здоровью» Федерального медико-биологического агентства
119121 Москва, Россия

2 Федеральное медико-биологическое агентство
123182 Москва, Россия

* E-mail: AMkrtchyan@cspfmba.ru

Поступила в редакцию 25.10.2022
После доработки 16.01.2023
Принята к публикации 19.01.2023

Аннотация

Проанализирована работа трех биоинформатических инструментов (Manta, Smoove, Delly) для поиска структурных вариантов на данных полногеномного секвенирования с использованием четырех разных алгоритмов выравнивания: DRAGEN, GDC DNA-SeqAlignment Workflow, GDC DNA-SeqAlignmentWorkflow + GDC DNA-SeqCo-cleaning Workflow, NovoAlign, разных длин “сырых” прочтений: 2 × 150 и 2 × 250 пн, разных показателей среднего покрытия генома. Полученные показания соотнесены с эталонными результатами команды GIAB. Проведена проверка выявленных структурных вариантов с помощью секвенирования по методу Сэнгера. Выявили, что структурные варианты типа делеция и инсерция лучше всего определяются с помощью инструмента Manta. Мы получили 89–96% точности и 59–70% чувствительности для проанализированных делеций, а также 96–99% точности и 15–36% чувствительности для инсерций. Smoove и Delly продемонстрировали менее точные и чувствительные результаты (Smoove: 91–95% точности и 8–54% чувствительности для делеций; Delly: 78–87% точности и 31–66% чувствительности для делеций, 99–100% точности и 1–13% чувствительности для инсерций). Показали, что использование комбинации из двух и даже трех инструментов не повышает процента подтвержденных структурных вариантов для типов делеция, инсерция, дупликация. Проведенный анализ выявил, что с увеличением среднего значения покрытия генома увеличиваются показатели точности и чувствительности работы биоинформатических инструментов для поиска структурных вариантов, а увеличение длины прочтений с 150 до 250 пн влияет в разной степени на точность и чувствительность работы отдельных инструментов. Также сделали вывод, что точность работы инструментов для поиска структурных вариантов варьируется в зависимости от диапазона размеров структурных вариантов. Например, Manta лучше находит делеции в диапазоне от 200 и более пн, Delly – от 1000 до 10 000 пн, Smoove – от 200 до 10 000 пн.

Ключевые слова: структурные варианты, полногеномное секвенирование, секвенирование на коротких прочтениях, выравнивание, GIAB.

Список литературы

  1. Pang A.W., MacDonald J.R., Pinto D. et al. Towards a comprehensive structural variation map of an individual human genome // Genome Biol. 2010. V. 11. № 5. P. R52. https://doi.org/10.1186/gb-2010-11-5-r52

  2. The International HapMap Consortium. The international hapmap project // Nature. 2003. P. 789–796. https://doi.org/10.1038/nature02168

  3. Sudmant P.H., Rausch T., Gardner E.J. et al. An integrated map of structural variation in 2,504 human genomes: 7571 // Nature. 2015. V. 526. № 7571. P. 75–81. https://doi.org/10.1038/nature15394

  4. Pös O., Radvanszky J., Buglyo G. et al. DNA copy number variation: Main characteristics, evolutionary significance, and pathological aspects // Biomed. J. 2021. V. 44. № 5. P. 548–559. https://doi.org/10.1016/j.bj.2021.02.003

  5. Alkan C., Coe B.P., Eichler E.E. Genome structural variation discovery and genotyping // Nat. Rev. Genet. 2011. V. 12. № 5. P. 363–367. https://doi.org/10.1038%2Fnrg2958

  6. Mahmoud M., Gobet N., Cruz-Davalos D.I. et al. Structural variant calling: the long and the short of it // Genome Biol. 2019. V. 20. № 1. P. 246. https://doi.org/10.1186/s13059-019-1828-7

  7. Carvalho C.M., Lupski J.R. Mechanisms underlying structural variant formation in genomic disorders // Nat. Rev. Genet. 2016. V. 17. № 4. P. 224–238. https://doi.org/10.1038/nrg.2015.25

  8. Sedlazeck F.J., Lee H., Darby C.A. et al. Piercing the dark matter: bioinformatics of long-range sequencing and mapping // Nat. Rev. Genet. 2018. V. 19. № 6. P. 329–346. https://doi.org/10.1038/s41576-018-0003-4

  9. Collins R.L., Brand H., Karczewski K.J. et al. A structural variation reference for medical and population genetics // Nature. 2021. V. 581. P. 444–451. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2287-8

  10. Weischenfeldt J., Symmons O., Spitz F. et al. Phenotypic impact of genomic structural variation: Insights from and for human disease // Nat. Rev. Genet. 2013. V. 14. № 2. P. 125–138. https://doi.org/10.1038/nrg3373

  11. Stankiewicz P., Lupski J. Structural variation in the human genome and its role in disease // Annu. Rev. Med. 2010. V. 61. P. 437–455. https://doi.org/10.1146/annurev-med-100708-204735

  12. Schüle B., McFarland K.N., Lee K. et al. Parkinson’s disease associated with pure ATXN10 repeat expansion // NPJ Parkinson’s Disease. 2017. V. 3. P. 27. https://doi.org/10.1038/s41531-017-0029-x

  13. Yeh Y.C., Ho H.L., Wu Y.C. et al. AKT1 internal tandem duplications and point mutations are the genetic hallmarks of sclerosing pneumocytoma // Mod. Pathol. 2020. V. 33. № 3. P. 391–403. https://doi.org/10.1038/s41379-019-0357-y

  14. Schütte J., Reusch J., Khandanpour C. et al. Structural variants as a basis for targeted therapies in hematological malignancies // Front. Oncol. 2019. V. 9. P. 839. https://doi.org/10.3389%2Ffonc.2019.00839

  15. Ewing A., Meynert A., Churchman M. et al. Structural variants at the BRCA1/2 loci are a common source of homologous repair deficiency in high-grade serous ovarian carcinoma // Clin. Cancer Res. V. 27. № 11. P. 3201–3214. https://doi.org/10.1158/1078-0432.ccr-20-4068

  16. Malhotra D., Sebat J. CNVs: Harbingers of a rare variant revolution in psychiatric genetics // Cell. 2012. V. 148. № 6. P. 1223–1241. https://doi.org/10.1016%2Fj.cell.2012.02.039

  17. Huse K., Taudien S., Groth M. et al. Genetic variants of the copy number polymorphic β-defensin locus are associated with sporadic prostate cancer // Tumor Biol. 2008. V. 29. № 2. P. 83–92. https://doi.org/10.1159/000135688

  18. Wellcome Trust Case Control Consortium. Genome-wide association study of CNVs in 16,000 cases of eight common diseases and 3,000 shared controls // Nature. 2010. V. 464. P. 713–720. https://doi.org/10.1038/nature08979

  19. Fanciulli M., Norsworthy P.J., Petretto E. et al. FCGR3B copy number variation is associated with susceptibility to systemic, but not organ-specific, autoimmunity // Nat. Genet. 2007. V. 39. № 6. P. 721–723. https://doi.org/10.1038/ng2046

  20. Fellermann K., Stange D.E., Schaeffeler E. et al. A chromosome 8 gene-cluster polymorphism with low human beta-defensin 2 gene copy number predisposes to crohn disease of the colon // Am. J. Hum. Genet. 2006. V. 79. № 3. P. 439–448. https://doi.org/10.1086/505915

  21. Hollox E.J., Huffmeier U., Zeeuwen P.L. et al. Psoriasis is associated with increased β-defensin genomic copy number // Nat. Genet. 2008. V. 40. № 1. P. 23–25. https://doi.org/10.1038/ng.2007.48

  22. Zook J.M., Hansen N.F., Olson N.D. et al. A robust benchmark for detection of germline large deletions and insertions // Nat. Biotechnol. 2020. V. 38. P. 1347–1355. https://doi.org/10.1038/s41587-020-0538-8

  23. Ye J., Coulouris G., Zaretskaya I. et al. Primer-BLAST: A tool to design target-specific primers for polymerase chain reaction // BMC Bioinformatics. 2012. V. 13. № 1. P. 134. https://doi.org/10.1186/1471-2105-13-134

  24. Sequencing analysis viewer [Electronic resource] // Sequencing analysis viewer support. URL: https://support.illumina.com/sequencing/sequencing_software/ sequencing_analysis_viewer_sav.html (accessed: 15.09.2022).

  25. bcl2fastq [Electronic resource] // bcl2fastq. URL: https://emea.support.illumina.com/sequencing/sequencing_software/bcl2fastq-conversion-software/ downloads.html (accessed: 13.05.2022).

  26. FastQC [Electronic resource] // Babraham bioinformatics FastQC a quality control tool for high throughput sequence data. URL: https://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/fastqc/ (accessed: 13.05.2022).

  27. Illumina DRAGEN Bio-IT Platform [Electronic resource] // Illumina DRAGEN Bio-IT platform | variant calling & secondary genomic analysis software tool. URL: https://www.illumina.com/products/by-type/informatics-products/dragen-bio-it-platform.html (accessed: 13.05.2022).

  28. Schneider V.A., Graves-Lindsay T., Howe K. et al. Evaluation of GRCh38 and de novo haploid genome assemblies demonstrates the enduring quality of the reference assembly // Genome Res. 2017. V. 27. № 5. P. 849–864. https://doi.org/10.1101/gr.213611.116

  29. Chen X., Schulz-Trieglaff O., Shaw R. et al. Manta: Rapid detection of structural variants and indels for germline and cancer sequencing applications // Bioinformatics. 2016. V. 32. № 8. P. 1220–1222. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btv710

  30. Smoove [Electronic resource] // Brent S. Smoove: structural-variant calling and genotyping with existing tools. URL: https://github.com/brentp/smoove (accessed: 13.07.2022).

  31. Rausch T., Zichner T., Schlattl A. et al. DELLY: structural variant discovery by integrated paired-end and split-read analysis // Bioinformatics. 2012. V. 28. № 18. P. i333–i339. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/bts378

  32. NCBI [Electronic resource] // GRCh37 hg19 genome assembly NCBI. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/assembly/GCF_000001405.13/ (accessed: 15.09.2022).

  33. Zhao H., Sun Z., Wang J. et al. CrossMap: A versatile tool for coordinate conversion between genome assemblies // Bioinformatics. 2014. V. 30. № 7. P. 1006–1007. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btt730

  34. GDC [Electronic resource] // GDC viewer docs. URL: https://docs.gdc.cancer.gov/Data_Dictionary/viewer/#?view=table-definition-view&id=alignment_cocleaning_workflow (accessed: 13.07.2022).

  35. Li H., Durbin R. Fast and accurate long-read alignment with Burrows–Wheeler transform // Bioinformatics. 2010. V. 26. № 5. P. 589-595. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btp698

  36. Danecek P., Bonfield J.K., Liddle J. et al. Twelve years of samtools and bcftools // GigaScience. 2021. V. 10. № 2. https://doi.org/10.1093/gigascience/giab008

  37. Pedersen B.S., Quinlan A.R. Duphold: scalable, depth-based annotation and curation of high-confidence structural variant calls // GigaScience. 2019. V. 8. № 4. https://doi.org/10.1093/gigascience/giz040

  38. Jeffares D.C., Jolly C., Hoti M. et al. Transient structural variations have strong effects on quantitative traits and reproductive isolation in fission yeast // Nat. Commun. 2017. V. 8. P. 14061. https://doi.org/10.1038/ncomms14061

  39. Witty.er [Electronic resource] // Wan Y., Ho K. Witty.er. URL: https://github.com/Illumina/witty.er (accessed: 13.07.2022).

  40. Unipro UGENE [Electronic resource] // Unipro UGENE: a unified bioinformatics toolkit. Bioinformatics. Oxford academic. URL: https://academic.oup.com/bioinformatics/article/28/8/1166/195474?login=false (accessed: 13.07.2022).

  41. Robinson J.T., Thorvaldsdottir H., Winckler W. et al. Integrative genomics viewer // Nat. Biotechnol. 2011. V. 29. № 1. P. 24–26. https://doi.org/10.1038/nbt.1754

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Генетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал