一起来了解一下基因区间RangeData

刘小泽写于19.3.30

我们肯定都遇到许多利用坐标去处理范围信息的需求，比如要定位基因组的某个位置，这个位置可能代表了gene model 、genetic variants(包括了SNPs、inser‐tions/deletions)、transposable elements 、binding sites；又或者想看看染色体某个区域的GC含量、统计overlap、计算coverage、提取序列等。这些都属于Range Data的处理范围

推荐一本英文版的书 Bioinformatics Data Skills

处理Range Data一般有两种途径：R中的GenomicRanges和Linux中的bedtools

什么是RangesData？

Ranges are integer intervals that represent a subsequence of consecutive positions on a sequence like a chromosome.

它是一种坐标，记录序列信息。基因组的坐标规定都是整数，所以不会出现类似这样的坐标(50,403,503.53)

坐标有三大要素：

• 染色体/序列名称（因为有的基因组并没拼接完，还在scaffold或contig阶段）：每个基因组都由一组染色体序列组成，我们需要指定在哪个大范围中。但是目前染色体命名没有一个标准，比如UCSC和NCBI的染色体是chr开头chr1，而emsembl直接数字1
• 区间：比如114,414,997 to 114,693,772，由起始位点和终止位点组成
• 链：因为DNA是双链，所以基因的特征信息(gene feature)可以存储在正链(positive/forward)或者负链(negative/reverse)
  strand

需要注意的是，坐标信息与参考基因组相关，因此在讨论ranges的时候要注意基因组的版本号，比如chr15:27,754,876-27,755,076这个区间在不同版本的基因组中就表示不同信息，尤其是在和别人共享信息时可以说我得到的这个范围是基于GRCh38的，或者基于GRCh37/hg19的

如果之前根据旧版本的基因组得到的坐标要迁移到新版，可以使用一些工具，比如CrossMap 【支持BED、GFF/GTF、SAM/BAM、Wiggle、VCF文件格式在不同基因组版本之间的切换】、NCBI Genome Remapping Service 【是一个网页工具】、LiftOver 【基于UCSC基因组浏览器】

不同的range类型

下图中x和y存在1个bp的overlap ；z没有任何overlap，只是自己跨越了1个bp；

通过箭头可以知道，x和z都是正链，分别表示ACTT和C ，y是在负链，其碱基信息就要从3'向5'看，AGCCTTCG

不同range类型

两套坐标基准

• 0-based：就是说序列的第一位坐标记为0，最后一位坐标是序列长度-1，遵循半开半闭区间[start,end) ，包含左边不包含右边。例如：[1,5) 表示坐标为1，2，3，4 ，这个模式就和Python一样

  >>>"CTTACTTCGAAGGCTG"[1:5]
  'TTAC'
  

• 1-based：这个好像比较符合我们的习惯，从1开始，遵循双闭区间[start,end] ，两边都包括。例如：[2,5] 就是2,3,4,5 ，这个模式就和R一样

  > substr("CTTACTTCGAAGGCTG", 2, 5)
  [1] "TTAC"
  

  两种坐标系统

这两种系统各有优劣：

• 尽管我们认为1-based更符合自然计数法则，但是有些情况下并不好用，比如：
  计算区间长度(range width/span)时，使用0-based系统，直接用end-start 就好，这也比较好理解；但是1-based系统需要end-start+1

• 另外，0-based系统支持zero-width feature ，常用来描述两个碱基之间的位置，比如在上图中我们现在找一个酶切位点[12,12) ，然后序列就被分成了CTTACTTCGAAGG 和CTG ；这一点1-based系统也不能实现，它最小就是1个碱基

不同文件支持的坐标系统不同：

不同文件支持的坐标系统不同

比较麻烦的链信息

从https://www.biostars.org/p/3423/看了几个重要的概念：

• forward strand, this means reading left-to-right, and for the reverse strand it means right-to-left
• A gene can live on a DNA strand in one of two orientations. The gene is said to have a coding strand (also known as its sense strand), and a template strand (also known as its antisense strand).
• mRNA sequence always corresponds to the 5-3 coding sequence of a gene.
• mRNA matches the coding sequence of the gene, not the template sequence(看图)
  转录时基因以负链为模板链，从负链的3‘向5’转录（合成的转录本是5‘=》3’，同时与正链/编码链上对应位置的序列一致）

注意：上图中的文件(除了Blast)都是基于参考基因组生成，而参考基因组序列是以正链为基准

这也就是说：我们从UCSC、NCBI或Ensembl下载的参考基因组都是正链碱基序列。
但是基因分布是多样的，有的本身就在正链，即：基因对应的转录本序列恰好和正链上5‘到3’的碱基序列一致；又有的基因存在于负链，基因对应的转录本序列（以及它对应的氨基酸序列）则是和负链的5‘到3’方向的序列一致

因此如果某个基因存在于负链，从bed、GTF等文件中看到的坐标比如是chr1：2,473,087-2,492,258，抽取的这一区间序列比如是TCTTTAC...CCGAA ，其实真正NCBI记录的基因序列是TTCGG...GTAAAGA ，与bed或GTF中记录的序列正好是反向互补

因此，如果想从参考基因组中抽出位于负链的基因序列，需要：1.先抽出参考基因组给的序列；2.将序列反向互补。

对于转录本在负链的情况，exon的实际位置也变了：原来在bed或GTF中forward 5'=>3'记录的第一个位置，实际上是在转录本的末尾；记录的最后一个位置

所以，我们在GTF文件中看到的正负链信息就十分有用了：

• 如果记录+，表示在正链，那么没有问题，和文件中记录的位置和序列都一样；
• 如果记录-，那么真实信息一定是和文件记录的信息反向互补的，实际的位置也会改变

花了15分钟思考做出来这个图

精心制作

最后的补充：

链的信息的确很重要，但是没有做链特异性建库时（表示我们是不知道链的方向信息的），如果要统计有多少reads比对到了某个特定的基因，一般reads会在两条链都有比对，那么这时一般会将两条链的比对结果都统计上，以免漏掉真正基因的区域

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