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ANNOVAR region-based annotation-上篇

通过gene-based annotation 可以得到变异位点与基因之间的关系,除了与基因的关系之外,变异位点在基因组上某些特征区域的分布(比如转录因子结合区域,启动子区,增强子区等)更引人关注,这一功能通过region-based annotation 来实现。

在进行区域相关注释时,需要各种数据库,不同的特征区域对应的数据库不同。annovar支持下列多种数据库

1. 物种间保守区域

对人,小鼠,大鼠等5个脊椎动物的基因组序列进行多序列比对,然后采用phastCons软件识别在不同物种间保守的基因组区域。在识别保守区域时,软件会对每个保守区域进行打分。

第一步: 下载phastConsElements46way数据库,命令如下

annotate_variation.pl -build hg19 -downdb phastConsElements46way humandb/

代码语言:javascript
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NOTICE: Web-based checking to see whether ANNOVAR new version is available ... Done
NOTICE: Downloading annotation database http://hgdownload.cse.ucsc.edu/goldenPath/hg19/database/phastConsElements46way.txt.gz ... Done
NOTICE: Uncompressing downloaded files
NOTICE: Finished downloading annotation files for hg19 build version, with files saved at the 'humandb' directory

数据库文件内容如下,第二列到第四列代表保守区域在基因组上的位置,第五列代表保守区域的名字,第六列代表该保守守区域的打分score值。

代码语言:javascript
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585     chr1    12002   12085   lod=33  343
585     chr1    12170   12232   lod=123 483
585     chr1    12594   12702   lod=219 545
585     chr1    12994   13054   lod=101 462

第二步,执行注释,命令如下

annotate_variation.pl -regionanno -build hg19 -out ex1 -dbtype phastConsElements46way ex1.avinput humandb/

代码语言:javascript
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NOTICE: Output file is written to ex1.hg19_phastConsElements46way
NOTICE: Reading annotation database humandb/hg19_phastConsElements46way.txt ... Done with 5163775 regions
NOTICE: Finished region-based annotation on 21 genetic variants

输出文件的后缀为hg19_phastConsElements46way, 在输入文件的前面新增了两列,内容如下

代码语言:javascript
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phastConsElements46way    Score=300;Name=lod=22
phastConsElements46way    Score=387;Name=lod=50
phastConsElements46way    Score=420;Name=lod=68
phastConsElements46way    Score=385;Name=lod=49
phastConsElements46way    Score=395;Name=lod=54
phastConsElements46way    Score=545;Name=lod=218

第一列为对应的数据库的名字,第二列为基因组上保守区域的得分和名字。

2. TFBS

TFBS是Transcription factor binding site的缩写,代表转录因子结合位点。在UCSC网站上,提供了转录因子结合位点的数据库。

第一步:下载tfbsConsSites数据库,命令如下

annotate_variation.pl -build hg19 -downdb tfbsConsSites humandb/

代码语言:javascript
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NOTICE: Web-based checking to see whether ANNOVAR new version is available ... Done
NOTICE: Downloading annotation database http://hgdownload.cse.ucsc.edu/goldenPath/hg19/database/tfbsConsSites.txt.gz ... Done
NOTICE: Uncompressing downloaded files
NOTICE: Finished downloading annotation files for hg19 build version, with files saved at the 'humandb' directory

数据库文件内容如下,第二列到第四列代表转录因子在基因组上的结合位置,第五列代表转录因子的名字

代码语言:javascript
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591     chr1    894640  894654  V$P300_01       842     -       1.68
591     chr1    894641  894657  V$ELK1_01       898     -       2.7
591     chr1    894644  894654  V$CETS1P54_01   971     -       2.22

第二步,进行注释,命令如下

annotate_variation.pl -regionanno -build hg19 -dbtype tfbsConsSites ex1.avinput humandb/

代码语言:javascript
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NOTICE: Output file is written to ex1.avinput.hg19_tfbsConsSites
NOTICE: Reading annotation database humandb/hg19_tfbsConsSites.txt ... Done with 5797266 regions
NOTICE: Finished region-based annotation on 21 genetic variants

输出文件的后缀为hg19_tfbsConsSites, 在输入文件的前面新增了两列,内容如下

代码语言:javascript
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tfbsConsSites   Score=767;Name=V$PAX5_02
tfbsConsSites   Score=880;Name=V$CEBPA_01
tfbsConsSites   Score=878;Name=V$FREAC3_01

第一列为对应的数据库的名字,第二列为转录因子结合区域的得分和对应的转录因子的名字。

3. cytoband

UCSC提供了cytoband的数据库。

第一步,下载cytoBand数据库,命令如下

annotate_variation.pl -build hg19 -downdb cytoBand humandb/

代码语言:javascript
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NOTICE: Web-based checking to see whether ANNOVAR new version is available ... Done
NOTICE: Downloading annotation database http://hgdownload.cse.ucsc.edu/goldenPath/hg19/database/cytoBand.txt.gz ... Done
NOTICE: Uncompressing downloaded files
NOTICE: Finished downloading annotation files for hg19 build version, with files saved at the 'humandb' directory

数据库文件内容如下

代码语言:javascript
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chr1    0       2300000 p36.33  gneg
chr1    2300000 5400000 p36.32  gpos25
chr1    5400000 7200000 p36.31  gneg
chr1    7200000 9200000 p36.23  gpos25

第二步,进行注释,命令如下

annotate_variation.pl -regionanno -build hg19 -dbtype cytoBand ex1.avinput humandb/

代码语言:javascript
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NOTICE: Output file is written to ex1.avinput.hg19_cytoBand
NOTICE: Reading annotation database humandb/hg19_cytoBand.txt ... Done with 862 regions
NOTICE: Finished region-based annotation on 21 genetic variants

输出文件的后缀为hg19_cytoBand, 在输入文件的前面新增了两列,内容如下

代码语言:javascript
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cytoBand    1p36.33
cytoBand    1p36.33
cytoBand    1p36.31
cytoBand    1q23.3
cytoBand    1p31.1

第一列为对应的数据库的名字,第二列为对应的cytoband区域的名字。

4. microRNA和snoRNA

UCSC提供了microRNA和snoRNA在基因组上的位置,叫做wgRna,通过这个数据库,可以查看变异位点是否位于microRNA和snoRNA对应的基因组区域上。

第一步,下载数据库,命令如下

annotate_variation.pl -build hg19 -downdb wgRna humandb/

代码语言:javascript
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NOTICE: Web-based checking to see whether ANNOVAR new version is available ... Done
NOTICE: Downloading annotation database http://hgdownload.cse.ucsc.edu/goldenPath/hg19/database/wgRna.txt.gz ... Done
NOTICE: Uncompressing downloaded files
NOTICE: Finished downloading annotation files for hg19 build version, with files saved at the 'humandb' directory

数据库中文件内容如下:

代码语言:javascript
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585     chr1    30365   30503   hsa-mir-1302-2  0       +       0       0       miRNA
593     chr1    1102483 1102578 hsa-mir-200b    0       +       0       0       miRNA
799     chr1    28160911        28161077        ACA35   0       +       0       0       scaRna
804     chr1    28833876        28834083        U17a    0       +       0       0       HAcaBox
804     chr1    28835069        28835274        U17b    0       +       0       0       HAcaBox

第二步,进行注释,命令如下

annotate_variation.pl -regionanno -build hg19 -dbtype wgRna ex1.avinput humandb/

代码语言:javascript
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NOTICE: Output file is written to ex1.avinput.hg19_wgRna
NOTICE: Reading annotation database humandb/hg19_wgRna.txt ... Done with 1341 regions
NOTICE: Finished region-based annotation on 21 genetic variants

输出文件的后缀为hg19_wgRna, 在输入文件的前面新增了两列,内容如下

代码语言:javascript
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wgRna   Name=hsa-mir-1302-2
wgRna   Name=hsa-mir-1290
wgRna   Name=HBII-420

第一列为对应的数据库的名字,第二列为micoRNA/snoRNA的名字。

5. microRNA binding sites

UCSC给出了TargetScanHuman网站预测的microRNA结合位点。

第一步,下载targetScanS数据库,命令如下

annotate_variation.pl -build hg19 -downdb targetScanS humandb/

代码语言:javascript
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NOTICE: Web-based checking to see whether ANNOVAR new version is available ... Done
NOTICE: Downloading annotation database http://hgdownload.cse.ucsc.edu/goldenPath/hg19/database/targetScanS.txt.gz ... Done
NOTICE: Uncompressing downloaded files
NOTICE: Finished downloading annotation files for hg19 build version, with files saved at the 'humandb' directory

数据库中文件内容如下:

代码语言:javascript
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591     chr1    879822  879830  SAMD11:miR-504  90      +
591     chr1    900599  900606  KLHL17:miR-299/299-3p   26      +
591     chr1    900605  900612  KLHL17:miR-124/506      7       +
591     chr1    900933  900941  KLHL17:miR-19   82      +
591     chr1    901054  901061  KLHL17:miR-137  14      +

第二步,进行注释,命令如下

annotate_variation.pl -regionanno -build hg19 -dbtype targetScanS ex1.avinput humandb/

代码语言:javascript
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NOTICE: Output file is written to ex1.avinput.hg19_targetScanS
NOTICE: Reading annotation database humandb/hg19_targetScanS.txt ... Done with 54199 regions
NOTICE: Finished region-based annotation on 21 genetic variants

输出文件的后缀为hg19_targetScanS, 在输入文件的前面新增了两列,内容如下

代码语言:javascript
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targetScanS     Score=90;Name=SAMD11:miR-504
targetScanS     Score=82;Name=KLHL17:miR-19

第一列为对应的数据库的名字,第二列为结合区域的打分和对应的基因和microRNA的名字。

6. segmental duplications

基因组上的重复序列区域,这部分序列在比对时由于同源性,会存在比对情况不正确的情况。

第一步,下载genomicSuperDups 数据库,命令如下

annotate_variation.pl -build hg19 -downdb genomicSuperDups humandb/

代码语言:javascript
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NOTICE: Web-based checking to see whether ANNOVAR new version is available ... Done
NOTICE: Downloading annotation database http://hgdownload.cse.ucsc.edu/goldenPath/hg19/database/genomicSuperDups.txt.gz ... Done
NOTICE: Uncompressing downloaded files
NOTICE: Finished downloading annotation files for hg19 build version, with files saved at the 'humandb' directory

数据库文件列数较多,截取了前5列,内容如下:

代码语言:javascript
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585     chr1    10000   87112   chr15:102446355
585     chr1    10000   20818   chr12:84886
585     chr1    10000   19844   chrY:59352887
585     chr1    10000   19844   chrX:155249881
585     chr1    10464   40733   chr2:114330297

第二步,进行注释,命令如下

annotate_variation.pl -regionanno -build hg19 -dbtype genomicSuperDups ex1.avinput humandb/

代码语言:javascript
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NOTICE: Output file is written to ex1.avinput.hg19_genomicSuperDups
NOTICE: Reading annotation database humandb/hg19_genomicSuperDups.txt ... Done with 51599 regions
NOTICE: Finished region-based annotation on 21 genetic variants

输出文件的后缀为hg19_genomicSuperDups, 在输入文件的前面新增了两列,内容如下

代码语言:javascript
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genomicSuperDups    Score=0.905283;Name=chr1:1439902
genomicSuperDups    Score=0.99612;Name=chr1:13142561
genomicSuperDups    Score=0.991956;Name=chr15:102446355

第一列为对应的数据库的名字,第二列为重复区域的名字和打分。

7. structural variants

DGV数据库中存储了基因组结构变异的信息,annovar利用这个数据库来分析变异位点是否在已发表的结构变异区间上。

第一步,下载dgvMerged数据库,命令如下

annotate_variation.pl -build hg19 -downdb dgvMerged humandb/

代码语言:javascript
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NOTICE: Web-based checking to see whether ANNOVAR new version is available ... Done
NOTICE: Downloading annotation database http://hgdownload.cse.ucsc.edu/goldenPath/hg19/database/dgvMerged.txt.gz ... Done
NOTICE: Uncompressing downloaded files
NOTICE: Finished downloading annotation files for hg19 build version, with files saved at the 'humandb' directory

数据库文件列数较多,截取了前5列,内容如下:

代码语言:javascript
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9       chr1    0       2300000 nsv482937
585     chr1    10000   127330  nsv7879
585     chr1    10000   22118   dgv1n82
585     chr1    10190   10281   nsv958854
73      chr1    10376   1018704 esv2758911

第二步,进行注释,命令如下

annotate_variation.pl -regionanno -build hg19 -dbtype dgvMerged ex1.avinput humandb/

代码语言:javascript
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NOTICE: Output file is written to ex1.avinput.hg19_dgvMerged
NOTICE: Reading annotation database humandb/hg19_dgvMerged.txt ... Done with 392583 regions
NOTICE: Finished region-based annotation on 21 genetic variants

输出文件的后缀为hg19_dgvMerged, 在输入文件的前面新增了两列,内容如下

代码语言:javascript
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dgvMerged    Name=nsv832536,nsv545407
dgvMerged    Name=nsv830937,dgv235n100
dgvMerged    Name=nsv1243
dgvMerged    Name=nsv584699
dgvMerged    Name=esv3638608

第一列为对应的数据库的名字,第二列为DGV数据库中结构变异的ID。

8. GWAS

分析变异位点是否在之前的GWAS研究中报导过。

第一步,下载gwasCatalog数据库,命令如下

annotate_variation.pl -build hg19 -downdb gwasCatalog humandb/

代码语言:javascript
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NOTICE: Web-based checking to see whether ANNOVAR new version is available ... Done
NOTICE: Downloading annotation database http://hgdownload.cse.ucsc.edu/goldenPath/hg19/database/gwasCatalog.txt.gz ... Done
NOTICE: Uncompressing downloaded files
NOTICE: Finished downloading annotation files for hg19 build version, with files saved at the 'humandb' directory

数据库文件列数较多,截取了前5列,内容如下:

代码语言:javascript
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590     chr1    780396  780397  rs141175086
591     chr1    894572  894573  rs13303010
592     chr1    1005805 1005806 rs3934834
593     chr1    1079197 1079198 rs11260603
593     chr1    1173610 1173611 rs6697886

第二步,进行注释,命令如下

annotate_variation.pl -regionanno -build hg19 -dbtype gwasCatalog ex1.avinput humandb/

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NOTICE: Output file is written to ex1.avinput.hg19_gwasCatalog
NOTICE: Reading annotation database humandb/hg19_gwasCatalog.txt ... Done with 75593 regions
NOTICE: Finished region-based annotation on 21 genetic variants

输出文件的后缀为hg19_gwasCatalog, 在输入文件的前面新增了两列,内容如下

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gwasCatalog    Name=Crohn's disease
gwasCatalog    Name=Chronic inflammatory diseases

第一列为对应的数据库的名字,第二列与该变异位点存在关联的疾病或者形状的名字。

在region-based annotation中,相关的数据库非常多,本篇只介绍上述几个数据库,剩余的数据库在后续文章中在进行介绍。

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