Mash：利用MinHash快速评估基因组距离

Published at 2022-04-14 10:24

Author：zhanpc

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MASH是一款快速评估基因组以及宏基因组距离的一款软件。Mash扩展了MinHash降维技术，包括成对变异距离和P值显著性测试，实现了大规模序列集合的高效聚类和搜索。Mash将大序列和序列集简化为小的、有代表性的sketches (这里我们理解为一种数据库)，从中可以快速估计全局突变距离。它的使用主要包含一下几个方面：

评估基因组间距离

genome1.fna和genome2.fna分表代表两个基因组，就可以使用下面命令评估他们之间的距离： 命令：

(mash) [user@server ~]# mash dist genome1.fa genome2.fna

输出结果分为5个字段Reference-ID, Query-ID, Mash-distance, P-value, and Matching-hashes：

genome1.fna   genome2.fna     0.0222766       0       456/1000
  • Mash-distance代表mash距离，数值越小表示距离越近
  • P-value代表p值，越小越可信
  • Matching-hashes表示匹配的hashes，匹配数越多，二者距离越小，物种相似度越高

建立参考基因组的mash数据库

以genome1.fna作为参考基因组与其他的基因组做距离评估，那么建立genome1.fna的mash数据库后可以显著缩短计算时间。 命令：

(mash) [user@server ~]# mash sketch genome1.fna -o genome1
(mash) [user@server ~]# mash dist genome1.msh genome2.fna

通过mash sketch命令为genome1.fna构建mash数据库，输出结果为genome1.msh，再通过mash dist评估两个基因组之间的距离。

mash sketch命令还可以为多个基因组构建mash数据库，节约时间的同时可以实现与多个参考数据的比较。

通过对genome1.fna 和 genome2.fna共同建立reference.msh的数据库，然后与genome3.fna进行比对。

命令：

(mash) [user@server ~]# mash sketch genome1.fna genome2.fna -o reference
(mash) [user@server ~]# mash dist reference.msh genome3.fna

输出结果如下：

genome1.fna genome3.fna 0           0   1000/1000
genome2.fna genome3.fna 0.0222766   0   456/1000

与NCBI Refseq 参考基因组进行比较

以B17这株梭菌的原始reads为例。NCBI Refseq 参考基因组的数据库：refseq.genomes.k21.s1000.msh可以在Mash官网下载。

命令：

(mash) [user@server ~]# cat B17_R1.fq B17_R2.fq > B17.fq
(mash) [user@server ~]# mash sketch B17.fq -o B17
(mash) [user@server ~]# mash dist refseq.genomes.k21.s1000.msh B17.msh

部分输出结果如下：

B17.fq  GCF_000424245.1_ASM42424v1_genomic.fna.gz       0.037311        0       296/1000
B17.fq  GCF_001465175.1_ASM146517v1_genomic.fna.gz      0.0383209       0       288/1000
B17.fq  GCF_000355785.1_CloButy1.0_genomic.fna.gz       0.0384495       0       287/1000
B17.fq  GCF_000878275.1_ASM87827v1_genomic.fna.gz       0.0384495       0       287/1000
B17.fq  GCF_001456065.2_ASM145606v2_genomic.fna.gz      0.0387085       0       285/1000

筛选包含参考基因组的reads数据集

一个reads数据集可能涉及多个基因组，可以利用mash数据库进行 “筛选” 与参考数据库有关的reads (Mash v2.0的新功能)，反过来估计参考基因组是否在reads数据集中有所涉及。

以宏基因组样本DJ3.fastq为例子比对到refseq.genomes.k21.s1000.msh：

(mash) [user@server ~]# mash screen -p 100 refseq.genomes.k21.s1000.msh DJ3.fastq > DJ3.tab

输出结果为6个字段identity, shared-hashes, median-multiplicity, p-value, query-ID, query-comment：

0.999522        990/1000        101     0       GCF_900086185.1_12082_4_85_genomic.fna.gz       [51 seqs] NZ_FLIP01000001.1 Klebsiella pneumoniae strain k1037, whole genome shotgun sequence [...]
0.999329        986/1000        24      0       GCF_002055205.1_ASM205520v1_genomic.fna.gz      [72 seqs] NZ_MYOO01000010.1 Salmonella enterica strain BCW_4904 NODE_10_length_177558_cov_3.07217, whole genome shotgun sequence [...]
0.999329        986/1000        24      0       GCF_002054075.1_ASM205407v1_genomic.fna.gz      [88 seqs] NZ_MYNK01000010.1 Salmonella enterica strain BCW_4936 NODE_10_length_177385_cov_3.78874, whole genome shotgun sequence [...]
0.999329        986/1000        24      0       GCF_000474475.1_CFSAN001184_01.0_genomic.fna.gz [45 seqs] NZ_AUQM01000001.1 Salmonella enterica subsp. enterica serovar Typhimurium str. CDC_2009K1158 isolate 2009K-1158 SEET1158_1, whole genome shotgun sequence [...]
  • identity代表一致性
  • P-value代表p值，值越小代表可信度越高
  • shared-hashes表示匹配的hashes，匹配数越多，二者距离越小，物种相似度越高
  • query-comment表示query基因组包含的contig数量和contig名称

获得基因组mash数据库的详细信息

(mash) [user@server ~]# mash info all_clostridium_refer.msh       #以99株梭菌的mash数据库为例

Mash数据库信息包括sketch的数量，基因组序列长度，基因组序列的contig数量等。

Header:
  Hash function (seed):          MurmurHash3_x64_128 (42)
  K-mer size:                    21 (64-bit hashes)
  Alphabet:                      ACGT (canonical)
  Target min-hashes per sketch:  1000
  Sketches:                      99
Sketches:
  [Hashes]  [Length]  [ID]                                    [Comment]
  1000      4132880   endophytes_genomes/GCA_000008765.1.fna  [2 seqs] AE001437.1 Clostridium acetobutylicum ATCC 824, complete genome [...]
  1000      1835704   endophytes_genomes/GCM10015198.fna      [32 seqs] FRBG01000001.1 [Clostridium] paradoxum JW-YL-7 = DSM 7308 genome assembly, contig: Ga0056075_scaffold00001.1, whole genome shotgun sequence [...]
......

参考文献

  • Ondov BD, Treangen TJ, Melsted P, et al. Mash: fast genome and metagenome distance estimation using minhash. Genome Biol. 2016;17(1):132. doi:10.1186/s13059-016-0997-x.
  • Ondov BD, Starrett GJ, Sappington A, et al. Mash Screen: high-throughput sequence containment estimation for genome discovery[J]. Genome biology, 2019, 20(1).doi:10.1186/s13059-019-1841-x.