CC BY
29
Доклады БГУИР
Doklady BGUIR
2018, № 6 (116) 2018, No. 6 (116)
УДК 519.7:614.4.
ПРОГРАММНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС «ОКУНЬ-2» ДЛЯ ОЦЕНКИ МУТАЦИОННОГО ПРОФИЛЯ ГЕНОВ РЕЗИСТЕНТНОСТИ И ВИРУЛЕНТНОСТИ СЕКВЕНИРОВАННЫХ ГЕНОМОВ МИКОБАКТЕРИИ ТУБЕРКУЛЕЗА
М.В. СПРИНДЖУК1, Л.П. ТИТОВ2, В В. СЛИЗЕНЬ3, А.Е. СКРЯГИН4, Е.М. СКРЯГИНА4, О М. ЗАЛУЦКАЯ4, А.П. КОНЧИЦ5
Объединенный институт проблем информатики НАНБеларуси, Республика Беларусь
2РНПЦ эпидемиологии и микробиологии, Республика Беларусь
3Белорусский государственный медицинский университет, Республика Беларусь
4РНПЦ фтизиатрии и пульмонологии, Республика Беларусь
5Институт леса НАН Беларуси, Республика Беларусь
Поступила в редакцию 29 марта 2018
Аннотация. Приводится описание нового программно-вычислительного комплекса, предназначенного для обработки данных полных геномов микобактерии туберкулеза человека с целью получения информации о профиле резистентности и вирулентности туберкулеза.
Ключевые слова: туберкулез, геномика, полногеномное секвенирование, антибиотики, устойчивость к противотуберкулезным лекарственным средствам, биоинформатика.
Abstract. Authors describe a new software and computer complex designed and developed for the processing of the data of the whole genomes of mycobacterium tuberculosis with the purpose of obtaining information about the profile of tuberculosis resistance and virulence.
Keywords: tuberculosis, genomics, whole genome sequencing, antibiotics, resistance to anti-tuberculosis drugs, bioinformatics.
Doklady BGUIR. 2018, Vol. 116, ]Чо. 6, pp. 40-45
«Okun-2» software-computing complex for calculating the mutational profile of samples of the sequenced whole genomes of mycobacteria tuberculosis M.V. Sprindzuk, L.P. Titov, V.V. Slizen, A.E. Skryahin, E.M. Skryahina, O.M. Zalutskaya, A.P. Konchits
Введение
Несмотря на значительные достижения в области клинической медицины, эпидемиологии и микробиологии, проблема туберкулеза остается весьма актуальной и в XXI веке. Согласно данным ВОЗ, ежегодно в мире заболевает около 10,5 млн человек и около 3 миллионов умирает. В популяции возбудителя туберкулеза - Mycobacterium tuberculosis в последние несколько десятилетий произошло ряд существенных изменений: а) появились и широко распространились генетические варианты множественно-и экстремально резистентных к противотуберкулезным препаратам бактерий; б) расширился спектр мутаций в генах, определяющих резистентность и вирулентность микроба;
в) клональное распространение генетических вариантов поражающих человека микобактерий на географических территориях. Одновременно быстрыми темпами происходит развитие молекулярно-генетических технологий, основанных на анализе полимеразной цепной реакции ДНК, мультилокусмном сиквенс-типировании, секвенировании полных геномов, и их внедрение в лабораторную практику с целью ускорения диагностики, определения спектра мутаций резистентности и молекулярных маркеров эпиданализа. К настоящему времени в международных базах данных накопилось значительное количество завершенных и фрагментов незавершенных секвенированных геномов микобактерий туберкулеза, для анализа которых требуются сложные биоинформационные программы и соответствующие специалисты по биоинформатике и смежным дисциплинам.
Вместе с тем разработка качественного программного обеспечения для практических задач современной микробиологии и смежных дисциплин — актуальная тема кибернетики и прикладной математики. Достижения полногеномного секвенирования и развитие его технических аппаратных средств требует разработки и внедрения нового программного обеспечения, способного оптимизировать труд научных сотрудников, работников лабораторий и клинических специалистов. Изучение особо опасных микробов, каким является туберкулезная палочка Коха, очевидно, доминирует по тематическому приоритету научной деятельности [1].
Цели и задачи исследования
Целью работы было разработать и внедрить новый программно-вычислительный комплекс, предназначенный для обработки данных полных геномов микобактерии туберкулеза человека с целью получения информации о профиле резистентности и вирулентности туберкулеза. Для достижения цели были изучены аналоги, подобраны модули программы, был спроектирован алгоритм необходимой обработки данных, разработан программный интерфейс, написан и протестирован программный код, написаны элементы документации программного обеспечения.
Материалы и методы. Обсуждение результатов
Для реализации алгоритма обработки геномных данных были выбраны языки программирования Python 2.7 и Linux Shell. Для создания интерфейса программного обеспечения был отобран пакет Python GTK (см. рис. 1).
One click tuberculosis genome data processor - + X
Is RA accession numbei
Start data processing Facts about ТВ genome Drug resistance report ТВ virulence report Move processed files Archive processed files Upload archives to cloud Close
Рис. 1. Интерфейс разработанного программного обеспечения
Известны многоцелевые программно-вычислительные комплексы для задач биоинформатики: Ugene, NextGene Softgenetics, DNAStar, CLC Genomics Workbench, Galaxy, требующие инвестирования больших объемов времени на настройку, изучение функциональности и т. п. Сществуют специальные базы геномических данных микобактерии туберкулеза и сервисы для их обработки [2, 3, 5, 7, 8, 11]. Имеется целый ряд программного обеспечения, специально разработанного для изучения антибиотикорезистентности патогенных микроорганизмов [4, 6, 9, 10].
Авторами разработан программный комплекс с возможностью исследовать как полный мутационный профиль исследуемого геномного образца, так и фокусироваться на отдельных группах генов. Как компоненты-модули были использованы следующие программные инструменты и библиотеки кодов (см. рис. 2, табл. 1): SRA-tools (1, 2), BWA (3), SAM-
Tools (4), Pilon (5), VT и RTG (6), BedTools и SNPEff (7), Mega.py (8). Текущая версия программного обеспечения способна вычислять мутации в 40 генах резистентности и 20 -вирулентности (см. табл. 2 и 3).
Ввод SRA идентификатора (1) У
Загрузка F ASTQ Файлов (2)
Картирование генома против ссылочного эталона (3)
Конвертация SAM2BAM и сортировка ВАМ
(4) ▼
Запрос вариантов (5)
Постобработка VCF Файла (6)
Аннотация генома, вычисление мутационного профиля резистентности и вирулентности (7)
Архивирование и перемещение файлов облачное хранилище данных (8)
Рис. 2. Алгоритм разработанного программного обеспечения
Таблица 1. Описание данных вычислений и результатов работы программного обеспечения
0001.fastq, 0002.fastq Автоматически переименованные загруженные по SRA идентификатору исходные файлы
aligned_sam_result. sam Первый результат картирования загруженного генома против ссылочного генома-эталона
unsorted_bam.bam Результат конвертации формата SAM в формат BAM
file.sorted.bam Отсортированный ВАМ файл
pilon_output. pilon.vcf Первый файл запроса вариантов, результат работы Pilon
PilonOutputFileFinal. vcf Первый результат предобработки сырого файла запроса вариантов
PilonOutputFileFinalBetter. vcf Второй результат предобработки/нормализации/ декомпозиции сырого файла запроса вариантов
DecomposedPilonReducedresult. vcf VCF файл после обработки VT
PilonSNPEfTOutputStats.html Основной отчет работы программы SNPEff
PilonSNPEffOutputStats. genes.txt Список проаннотированных генов мутаций
PilonAnnotatedSNPeffResults.vcf Проаннотированный SNPEff VCF файл, вышедший из Pilon
reducedPilonOutputFileFinal.vcf.log Лог-файл ReducVCF
pilon output.pilon.fasta FASTA файл с мутациями, результат работы Pilon
SRAIdFromPythonInput.txt Текстовый файл, содержащий SRA идентификаторы, введенные пользователем в форму интерфейса программного обеспечения
converted2bedvcf. bed VCF файл, конвертированный в формат BED
TuberculosisSampleVirulenceReport! ! ! Отчет о мутациях генов, ответственных за вирулентность (txt, текстовый файл)
TuberculosisSampleDrugResistanceReport.csv Отчет о мутациях генов, ответственных за вирулентность (эксель файл, значения, разделенные запятой)
TuberculosisSampleVirulenceReport.csv Отчет о мутациях генов, ответственных за вирулентность (эксель файл, значения, разделенные запятой)
RTG VCF Stats Results.txt Файл с результатами анализа фактов о геноме
)
на^
Хромосома Начало Конец Идентификатор гена
AL123456 2726193 2726780 ahpC
AL123456 593871 594779 cmaA2
AL123456 3274072 3274902 drrC
AL123456 3243697 3245448 fadD26
AL123456 3283335 3285077 fadD28
AL123456 3983125 3984144 fadE28
AL123456 2487615 2489051 glnA1
AL123456 2278498 2278932 hspX
AL123456 557527 558813 icl11
AL123456 3023565 3024257 ideR
AL123456 2153889 2156111 katG
AL123456 199895 200935 mce1B
AL123456 736298 737203 mmaA4
AL123456 2630537 2632075 plcA
AL123456 2628781 2630319 plcB
AL123456 2627172 2628698 plcC
AL123456 1986854 1987696 plcD
AL123456 4161815 4162258 Rv3718c
AL123456 1364413 1365186 sigE
AL123456 3598901 3599551 sigH
Таблица 3. Отобранные гены резистентности микобактерии туберкулеза человека
Хромосома Начало Конец Идентификатор гена
AL123456 2520743 2522164 accD6
AL123456 2726193 2726780 ahpC
AL123456 3153039 3154631 efpA
AL123456 4243233 4246517 embA
AL123456 4246514 4249810 embB
AL123456 4246514 4249810 embB
AL123456 4239863 4243147 embC
AL123456 1416181 1417347 embR
AL123456 4326004 4327473 ethA
AL123456 2516787 2517695 fabD
AL123456 3505363 3506769 fadE24
AL123456 156578 157600
AL123456 408634 409173 furA
AL123456 4407528 4408202 gid
AL123456 7302 9818 gyrA
AL123456 5123 7267 gyrB
AL123456 1674202 1675011 inhA
AL123456 409362 410801 iniB
AL123456 412757 414238 iniC
AL123456 2518115 2519365 kasA
AL123456 2153889 2156111 katG
AL123456 1673440 1674183 mabA
AL123456 2101651 2103042 ndh
AL123456 4007331 4008182 nhoA
AL123456 2725571 2726087 oxyR
AL123456 2288681 2289241 pncA
AL123456 398658 399524 rmlA
AL123456 3646895 3647809 rmlD
AL123456 759807 763325 rpoB
AL123456 781560 781934 rpsL
AL123456 408634 409173 Rv0340
AL123456 408634 409173 Rv0340
AL123456 1792400 1793740 Rv1592c
AL123456 2006636 2006947 Rv1772
AL123456 3489506 3490375 Rv3124
AL123456 3490476 3491651 Rv3125c
AL123456 3491808 3492122 Rv3126
AL123456 3073680 3074471 thyA
AL123456 1917940 1918746 tlyA
Заключение
Разработан новый программно-вычислительный комплекс, предназначенный для обработки данных полных геномов микобактерии туберкулеза человека с целью получения информации о профиле резистентности и вирулентности туберкулеза. Программное обеспечение может быть адаптировано для обработки данных практически любого микроба. Код программного обеспечения доступен для интересующихся исследователей по письменному запросу у авторов.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Исследование выполнялось при поддержке СRDF, ОИПИ НАН Беларуси, БГМУ, РНПЦ эпидемиологии и микробиологии Министерства здравоохранения Республики Беларусь.
Список литературы / References
1. Transmission Electron Microscopy of XDR Mycobacterium tuberculosis Isolates Grown on High Dose of Ofloxacin / M. Arjomandzadegan [et al.] // Sci Pharm. 2017. № 1. P. 3-10.
2. Computational databases, pathway and cheminformatics tools for tuberculosis drug discovery / S. Ekins [et al.] // Trends Microbiol. 2011. № 2. P. 65-74.
3. Bioinformatics tools and databases for whole genome sequence analysis of Mycobacterium tuberculosis / K. Faksri [et al.] // Infect Genet Evol. 2016. № 1. P. 359-368.
4. PhyResSE: a Web Tool Delineating Mycobacterium tuberculosis Antibiotic Resistance and Lineage from Whole-Genome Sequencing Data / S. Feuerriegel [et al.] // J Clin Microbiol. 2015. № 6. P. 1908-1914.
5. Unipro UGENE NGS pipelines and components for variant calling, RNA-seq and ChIP-seq data analyses / O. Golosova [et al.] // PeerJ. 2014. № 2. P. e644.
6. CASTB (the comprehensive analysis server for the Mycobacterium tuberculosis complex): A publicly accessible web server for epidemiological analyses, drug-resistance prediction and phylogenetic comparison of clinical isolates / H. Iwai [et al.] // Tuberculosis (Edinb). 2015. № 6. P. 843-844.
7. Jain N.C. Information retrieval of tuberculosis literature in e-databases // Indian J Tuberc. 2014. № 3. P. 186-188.
8. Shared bioinformatics databases within the Unipro UGENE platform / I.V. Protsyuk [et al.] // J Integr Bioinform. 2015. № 1. P. 257.
9. Mycobacterium tuberculosis resistance prediction and lineage classification from genome sequencing: comparison of automated analysis tools / V. Schleusener [et al.] // Scientific Reports. 2017. № 4. P. 46327.
10. KvarQ: targeted and direct variant calling from fastq reads of bacterial genomes / A. Steiner [et al.] // BMC Genomics. 2014. № 15. P. 881.
11. ExpertDiscovery and UGENE integrated system for intelligent analysis of regulatory regions of genes / Y.Y. Vaskin [et al.] // In Silico Biol. 2011. № 3-4. P. 97-108.
Сведения об авторах
Спринджук М.В., научный сотрудник Объединенного института проблем информатики НАН Беларуси.
Титов Л.П., д.м.н., профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, заведующий лабораторией РНПЦ эпидемиологии и микробиологии.
Слизень В.В., к.м.н., доцент, доцент Белорусского государственного медицинского университета.
Скрягин А.Е., к.м.н., доцент, врач-фтизиатр, анестезиолог-реаниматолог РНПЦ фтизиатрии и пульмонологии.
Скрягина Е.М., д.м.н., профессор, заместитель директора РНПЦ фтизиатрии и пульмонологии.
Information about the authors
Sprindzuk M.V., researcher of United institute of informatics problems of National academy of sciences of Belarus.
Titov L.P., D.Sci, professor, corresponding member of NAS of Belarus, head of laboratory of Republican scientific and practical centre for epidemiology and microbiology.
Slizen V.V., PhD, associate professor, associate professor of Belarusian state medical university.
Skryahin A.E., PhD, associate professor, phthisiatrician, intensive care physician and anesthesiologist of RSPC for pulmonology and pulmonology.
Skriahina E.M., D.Sci, professor, deputy director of RSPC for pulmonology and pulmonology.
Залуцкая О.М., врач-бактериолог Республиканской референс-лаборатории РНПЦ фтизиатрии и пульмонологии.
Кончиц А.П., к.б.н., ведущий научный сотрудник Института леса НАН Беларуси.
Адрес для корреспонденции
220012, Республика Беларусь
г. Минск, ул. Сурганова, 6,
Объединенный институт
проблем информатики НАН Беларуси
тел. +375-33-682-57-55;
e-mail: bioinformatics_bel@yahoo. com;
Спринджук Матвей Владимирович
Zalutskaya A.M., bacteriologist of Republican reference laboratory of RSPC for pulmonology and pulmonology.
Konchits A.P., PhD, leader researcher of Forestry institute of NAS of Belarus.
Address for correspondence
220012, Republic of Belarus
Minsk, Surganova st., 6,
United institute of informatics problems
of National academy of sciences of Belarus
tel. +375-33-682-57-55;
e-mail: bioinformatics_bel@yahoo. com
Sprindzuk Matvey Vladimirovich
