Биоинформатический конвейер для обработки данных секвенирования следующего поколения (NGS): полный путеводитель по современным технологиям и практикам

В мире современной биологии и медицины технологии секвенирования нового поколения (NGS) кардинально изменили подходы к исследованию геномов, транскриптомов и других генетических материалов․ В нашей статье мы подробно расскажем оBioinformatics pipeline — цепочке процедур и инструментов, позволяющих автоматизировать и упростить обработку огромных объемов данных, полученных при секвенировании․ Мы совместно разберём все этапы этого конвейера, инструменты, стандарты и лучшие практики, чтобы вы могли понять не только теорию, но и практически применить знания в своих исследованиях․

---

Что такое биоинформатический конвейер NGS: основные понятия и структура

Биоинформатический конвейер, это последовательность автоматических операций и процедур, необходимых для преобразования сырых данных секвенирования в ценные биологические выводы․ В случае с NGS, эти данные требуют значительной подготовки и анализа, чтобы получить структурированную информацию о геномах или транскриптах․

Стандартный конвейер включает следующие ключевые этапы:

• Обработка сырых данных: проверка качества, фильтрация и очистка
• Выравнивание (слияние) полученных последовательностей: картирование на референтный геном
• Обнаружение вариантов: поиск мутаций, SNP, инделов
• Анализ аннотаций: интерпретация данных в рамках биологических функций
• Дополнительные анализы и визуализация

Каждый из этих этапов требует использования специализированных инструментов и программных решений, что зачастую делает конвейер весьма сложным для новичка․ Однако автоматизация этого процесса помогает сокращать время анализа и повышать его точность․

---

Основные этапы bioinformatics pipeline для NGS и применяемые инструменты

Проверка качества исходных данных

Первым и крайне важным шагом является оценка качества полученных последовательностей․ Это помогает выявить возможные проблемы еще на ранней стадии, избежать потери данных и повысить точность всего анализа․

Наиболее популярные инструменты для проверки качества:

Инструмент	Описание	Ключевые функции
FastQC	Обеспечивает визуальный отчет о качестве данных, GC-содержании, длине read’ов и наличии артефактов․	Графики качества, отчёты, предупреждения
MultiQC	Объединяет отчёты FastQC и других инструментов в один обобщающий отчет․	Коллективный анализ, удобство визуализации

Обработка и очистка данных

На данном этапе удаляются низкокачественные чтения, адаптеры и артефакты, что обеспечивает более корректный последующий анализ․ Для этого применяют:

• Trimmomatic
• Cutadapt
• Sickle

В результате получаем чистые, готовые к выравниванию данные, что значительно повышает точность поиска вариантов и других анализов․

Выравнивание reads на референсный геном

Это один из важнейших этапов анализа, от которого зависит успех дальнейших поисков․ В основном используется:

• BWA (Burrows-Wheeler Aligner)
• Bowtie2
• HISAT2

Эти инструменты позволяют максимально точно и быстро соотнести полученные чтения с референсным геномом, создавая файлы в формате BAM/SAM, которые далее служат основой для поиска вариантов и других анализов․

Вариант-детекция и аннотация

Обнаружение мутаций, ключевой аспект многих исследований, особенно в медицине и генетике заболеваний․ Используют:

• GATK (Genome Analysis Toolkit)
• FreeBayes
• VarScan

Выделенные вариации нуждаются в дальнейшей интерпретации, определении их влияния на протеины, функцию или здоровье организма․ Для этого используют базы данных и инструменты аннотации, такие как ANNOVAR или SnpEff․

Визуализация и дополнительные исследования

Чтобы понять результаты анализа, используют программы визуализации, такие как IGV (Integrative Genomics Viewer) или Circos․ Эти инструменты помогают исследовать расположение вариантов, их частоты и возможное влияние на функции организма․

Подробнее

LSI Запрос 1	LSI Запрос 2	LSI Запрос 3	LSI Запрос 4	LSI Запрос 5
Обработка NGS данных	Инструменты для выравнивания	Анализ вариантов NGS	Обработка больших данных	Автоматизация анализа NGS
DNA-seq data processing	Bioinformatics tools for sequencing	Геномные исследования	Обработка данных секвенирования	Работа с большими объёмами данных