TAD calling 之 insulation score 分析

1. 导读

本文主要对insulation score 的提出与计算方法进行简要的介绍，并展示一个计算insulation score 的过程。

2. 定义

insulation score 是dekker[1]实验室在2015年发表于Nature上的Condensin-driven remodelling of X chromosome topology during dosage compensation[2]文章中提出的，其主要用于TAD相关的分析与表征，目前insulation score主要用于识别TAD

3. 计算方法

3.1. 计算insulation score

计算过程动画

在给定的区域内，沿着互作矩阵的对角线，以一个正方形的滑动窗口，从上至下滑动，计算每个窗口内互作程度值的总和。

这些bin之间存在这很强的insulation现象，例如在TAD的边界，这些区域的insulation score （根据insulation square测定）很低。

那些互作程度较高，比如TAD内部的区域，它们的insulation score 很高。

这些insulation score 很低的区域，可能就是潜在的TAD边界。

3.2. insulation score标准化

标准化公式

ISavg: 是所有IS值的平均值

3.3. 计算每个bin的delta值

insulation score 曲线

将每个bin的互作强度值作为value，画出其在染色体上的波动曲线，波谷处就是需要识别的边界。为了识别出黑色曲线中的波谷，方法中又定义了一个window，对每个bin内的insulation值计算delta值，最终红色曲线中经过X轴的坐标即为insulation score值曲线的波谷，也就是TAD边界的位置（从上图可以看到，红色曲线穿过0刻度线的点，对应的就是黑色波动曲线的波谷）。

3.4. 计算TAD边界

由于该方法计算的是TAD的边界位置，因此TAD domain的位置区域，需要进一步的转换，才能得到。

4. 公式总结[3]

公式总结

5. 实战

下面介绍如何用FAN-C[4]计算insulation score

5.1 install

pip install fanc -i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple

• 推荐使用conda进行安装

conda create -n fanc python=3.7
conda activate fanc
conda install fanc

5.2. example

• 计算

利用不同的windows size计算insulation score

fanc insulation ./example.hic ./example.insulation \
-w 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000 3500000 4000000 \
-o bed  # 输出bed 格式

• TAD强度变化图

TAD边界强度变化图，大体上可以反映TAD之间隔绝情况,绝缘系数越低，TAD之间交互越弱。

边界强度变化图

• 绘图

fancplot -o ./insulation.png chr18:18mb-28mb \
-p ./example.hic -m 4000000 -vmin 0 -vmax 0.05 \
-p ./example.insulation

• 曲线图

fancplot --width 6 -o ./example.png \
chr18:18mb-28mb -p triangular ./example.hic -m 4000000 \
-vmin 0 -vmax 0.05 -p line ./example.insulation_1mb.bed \
./example.insulation_2mb.bed -l "1mb" "2mb"

insulation score 曲线

参考资料

[1]

dekker: https://github.com/dekkerlab/crane-nature-2015

[2]

Nature: https://www.nature.com/articles/nature14450#citeas

[3]

公式: https://www.jianshu.com/p/fd39eeaf1e75

[4]

FAN-C: https://fan-c.readthedocs.io/en/latest/index.html