使用Snakemake搭建分析流程
目前已有的框架
A review of bioinformatics pipeline framework 的作者对已有的工具进行很好的分类
作者的看法：
- implicit，也就是Make rule语法更适合用于整合不同执行工具
- 基于配置的流程更加稳定，也比较适合用于集群分配任务。
最后作者建议是：
- 如果实验室既不是纯粹的生物学试验（不需要workbench这种UI界面），也不需要高性能基于类的流程设计， 不太好选， 主要原则是投入和产出比
- 如果实验室进行的是重复性的研究，那么就需要对数据和软件进行版本控制， 建议是 configuration-based pipelines
- 如果实验室做的是探索性的概念证明类工作（exploratory proofs-of-concept)，那么需要的是 DSL-based pipeline。
- 如果实验室用不到高性能计算机(HPC)，只能用云服务器，就是server-based frameworks.
目前已有的流程可以在awesome-pipeline 进行查找。
就目前来看，pipeline frameworks & library 这部分的框架中 nextflow 是点赞数最多的生物学相关框架。只可惜nextflow在运行时需要创建fifo，而在NTFS文件系统上无法创建，所以我选择 snakemake , 一个基于Python写的DSL流程框架。
环境准备
为了能够顺利完成这部分的教程，请准备一个Linux环境，如果使用Windows，则按照biostarhandbook(一)分析环境和数据可重复 部署一个虚拟机，并安装miniconda3。
如下步骤会下载所需数据，并安装所需要的软件，并且启动工作环境。
wget https://bitbucket.org/snakemake/snakemake-tutorial/get/v3.11.0.tar.bz2
tar -xf v3.11.0.tar.bz2 --strip 1
cd snakemake-snakemake-tutorial-623791d7ec6d
conda env create --name snakemake-tutorial --file environment.yaml
source activate snakemake-tutorial
# 退出当前环境
source deactivate
当前环境下的所有文件
├── data
│ ├── genome.fa
│ ├── genome.fa.amb
│ ├── genome.fa.ann
│ ├── genome.fa.bwt
│ ├── genome.fa.fai
│ ├── genome.fa.pac
│ ├── genome.fa.sa
│ └── samples
│ ├── A.fastq
│ ├── B.fastq
│ └── C.fastq
├── environment.yaml
└── README.md
基础：一个案例流程
如果你编译过软件，那你应该见过和用过make, 但是你估计也没有仔细想过make是干嘛用的。Make是最常用的软件构建工具，诞生于1977年，主要用于C语言的项目，是为了处理编译时存在各种依赖关系，尤其是部分文件更新后，Make能够重新生成需要更新的文件以及其对应的文件。
Snakemake和Make功能一致，只不过用Python实现，增加了许多Python的特性，并且和Python一样非常容易阅读。下面将使用Snakemake写一个变异检测流程。
第一步：序列比对
Snakemake非常简单，就是写各种rule来完成不同的任务。我们第一条rule就是将序列比对到参考基因组上。如果在命令行下就是bwa mem data/genome.fa data/samples/A.fastq | samtools view -Sb - > mapped_reads/A.bam。 但是按照Snakemake的规则就是下面的写法。
# 用你擅长的文本编辑器
vim Snakefile
# 编辑如下内容
rule bwa_map:
input:
"data/genome.fa",
"data/samples/A.fastq"
output:
"mapped_reads/A.bam"
shell:
"""
bwa mem {input} | samtools view -Sb - > {output}
"""
解释一下：这几行定义了一个规则(rule)，在这个规则下，输入(input)有两个，而输出(output)只有一个，在shell中运行命令，只不过里面的文件都用{}形式替代。伪执行一下:snakemake -np mapped_reads/A.bam检查一下是否会出错，真实运行情况如下（不带规则，默认执行第一个规则）:
第二步：推广序列比对规则
如果仅仅是上面这样子处理一个文件，还无法体现snakemake的用途，毕竟还不如手动敲代码来的方便。snakemake的一个有点在于它能够使用文件名通配的方式对一类文件进行处理。将上面的A改成{sample},就可以将符合*.fastq的文件处理成*.bam.
rule bwa_map:
input:
"data/genome.fa",
"data/samples/{sample}.fastq"
output:
"mapped_reads/{sample}.bam"
shell:
"""
bwa mem {input} | samtools view -Sb - > {output}
"""
那么，用snakemake -np mapped_reads/{A,B,C}.bam，就会发现，他非常机智的就比对了B.fastq和C.fastq，而不会再比对一遍A.fastq, 也不需要你写一堆的判断语句去手动处理。
当然，如果你用touch data/samples/A.fastq改变A.fastq的时间戳，他就会认位A.fastq文件发生了改变，那么重复之前的命令就会比对A.fastq。
第三步：比对后排序
比对后的文件还需要进一步的排序，才能用于后续分析，那么规则该如何写呢？
rule samtools_sort:
input:
"mapped_reads/{sample}.bam"
output:
"sorted_reads/{sample}.bam"
shell:
"samtools sort -T sorted_reads/{wildcards.sample}"
" -O bam {input} > {output}"
以之前的输出作为输出文件名，输出到另一个文件夹中。和之前的规则基本相同，只不过这里用到了wildcards.sample来获取通配名用作-T的临时文件的前缀sample实际名字。
运行snakemake -np sorted_reads/B.bam，你就会发现他就会非常智能的先比对再排序。这是因为snakemake会自动解决依赖关系，并且按照依赖的前后顺序进行执行。
第四步： 建立索引和对任务可视化
这里我们再写一个规则，对之前的排序后的BAM文件建立索引。
rule samtools_index:
input:
"sorted_reads/{sample}.bam"
output:
"sorted_reads/{sample}.bam.bai"
shell:
"samtools index {input}"
目前已经写了三个规则，那么这些规则的执行和依赖关系如何呢？ snakemake提供了--dag选项用于dot命令进行可视化
snakemake --dag sorted_reads/{A,B}.bam.bai | dot -Tsvg > dag.svg
第五步：基因组变异识别
基因组变异识别需要整合之前所有的BAM文件，你可能会打算这样写
rule bcftools_call:
input:
fa="data/genome.fa",
bamA="sorted_reads/A.bam"
bamB="sorted_reads/B.bam"
baiA="sorted_reads/A.bam.bai"
baiB="sorted_reads/B.bam.bai"
output:
"calls/all.vcf"
shell:
"samtools mpileup -g -f {input.fa} {input.bamA} {input.bamB} | "
"bcftools call -mv - > {output}"
这样写的却没有问题，但是以后每多一个样本就需要多写一个输入，太麻烦了。这里就体现出Snakemake和Python所带来的特性了，我们可以用列表推导式的方法搞定。
["sorted_reads/{}.bam".format(sample) for sample in ["A","B"]]
进一步，可以在规则外定义SAMPLES=["A","B"]，则规则内的输入可以写成bam=["sorted_reads/{}.bam".format(sample) for sample in SAMPLES]. 由于列表推导式比较常用，但是写起来有点麻烦，snakemake定义了expand进行简化, 上面可以继续改写成expand("sorted_reads/{sample}.bam", sample=SAMPLES)
那么最后的规则就是
SAMPLES=["A","B"]
rule bcftools_call:
input:
fa="data/genome.fa",
bam=expand("sorted_reads/{sample}.bam", sample=SAMPLES),
bai=expand("sorted_reads/{sample}.bam.bai", sample=SAMPLES)
output:
"calls/all.vcf"
shell:
"samtools mpileup -g -f {input.fa} {input.bam} | "
"bcftools call -mv - > {output}"
小练习： 请用snakemake生成当前的DAG图。
第六步：编写报告
上面都是在规则里执行shell脚本，snakemake的一个优点就是可以在规则里面写Python脚本，只需要把shell改成run，此外还不需要用到引号。
rule report:
input:
"calls/all.vcf"
output:
"report.html"
run:
from snakemake.utils import report
with open(input[0]) as vcf:
n_calls = sum(1 for l in vcf if not l.startswith("#"))
report("""
An example variant calling workflow
===================================
Reads were mapped to the Yeast
reference genome and variants were called jointly with
SAMtools/BCFtools.
This resulted in {n_calls} variants (see Table T1_).
""", output[0], T1=input[0])
这里还用到了snakemake的一个函数，report，可以对markdown语法进行渲染生成网页。
第七步：增加目标规则
之前运行snakemake都是用的snakemake 目标文件名, 除了目标文件名外，snakemake还支持规则名作为目标。通常我们按照习惯定义一个all规则，来生成结果文件。
rule all:
input:
"report.html
基础部分小结：
总结下学习过程，知识点如下：
- Snakemake基于规则执行命令，规则一般由
input, output,shell三部分组成。 - Snakemake可以自动确定不同规则的输入输出的依赖关系，根据时间戳来判断文件是否需要重新生成
- Snakemake
以{sample}.fa形式进行文件名通配，用{wildcards.sample}获取sample的实际文件名 - Snakemake用
expand()生成多个文件名，本质是Python的列表推导式 - Snakemake可以在规则外直接写Python代码，在规则内的
run里也可以写Python代码。 - Snakefile的第一个规则通常是
rule all，因为默snakemake默认执行第一条规则
进阶：对流程进一步修饰
在基础部分中，我们完成了流程的框架，下一步则是对这个框架进行不断完善，比如说编写配置文件，声明不同rule的消耗资源，记录运行日志等。
第一步： 声明所需进程数
对于一些工具，比如说bwa，多进程或者多线程运行能够大大加速计算。snakemake使用threads来定义当前规则所用的进程数，我们可以对之前的bwa_map增加该指令。
rule bwa_map:
input:
"data/genome.fa",
"data/samples/{sample}.fastq"
output:
"mapped_reads/{sample}.bam"
threads:8
shell:
"bwa mem -t {threads} {input} | samtools view -Sb - > {output}"
声明threads后，Snakemake任务调度器就会在程序运行的时候是否并行多个任务。这主要和参数中的--cores相关。比如说
snakemake --cores 10
由于总体上就分配了10个核心，于是一次就只能运行一个需要消耗8个核心的bwa_map。但是当其中一个bwa_map运行完毕，这个时候snakemaek就会同时运行一个消耗8个核心的bwa_map和没有设置核心数的samtools_sort,来保证效率最大化。因此对于需要多线程或多进程运行的程序而言，将所需的进程单独编码，而不是硬编码到shell命令中，能够更有效的使用资源。
第二步：配置文件
之前的SAMPLES写在了snakefile，也就是意味这对于不同的项目，需要对snakefile进行修改，更好的方式是用一个配置文件。配置文件可以用JSON或YAML语法进行写，然后用configfile: "config.yaml"读取成字典，变量名为config。
config.yaml内容为:
samples:
A: data/samples/A.fastq
B: data/samples/B.fastq
YAML使用缩进表示层级关系，其中缩进必须用空格，但是空格数目不重要，重要的是所今后左侧对齐。上面的YAML被Pytho读取之后，以字典保存，形式为
{'samples': {'A': 'data/samples/A.fastq', 'B': 'data/samples/B.fastq'}}
而snakefile也可以改写成
configfile: "config.yaml"
...
rule bcftools_call:
input:
fa="data/genome.fa",
bam=expand("sorted_reads/{sample}.bam", sample=config["samples"]),
bai=expand("sorted_reads/{sample}.bam.bai", sample=config["smaples])
output:
"calls/all.vcf"
shell:
"samtools mpileup -g -f {input.fa} {input.bam} | "
"bcftools call -mv - > {output}"
虽然sample是一个字典，但是展开的时候，只会使用他们的key值部分。
关于YAML格式的教程，见阮一峰的博客：http://www.ruanyifeng.com/blog/2016/07/yaml.html
第三步：输入函数
既然已经把文件路径都存入到配置文件中，那么可以进一步的改写之前的bwa_map里的输入部分。也就是从字典里面提取到存放的路径。最开始我就是打算这样写
rule bwa_map:
input:
"data/genome.fa",
config['samples']["{sample}"]
output:
"mapped_reads/{sample}.bam"
threads:8
shell:
"bwa mem -t {threads} {input} | samtools view -Sb - > {output}"
毕竟"{sample}"从理论上应该得到sample的名字。但是snakemake -np显示出现错误
KeyError in line 11 of /home6/zgxu/snakemake-snakemake-tutorial-623791d7ec6d/Snakefile:
'{sample}'
这可能是{sample}的形式只能在匹配的时候使用，而在获取值的时候应该用基础第三步的wildcards.sample形式。于是继续改成config["samples"][wildcards.sample]。然而还是出现了错误。
name 'wildcards' is not defined
为了理解错误的原因，并找到解决方法，我们需要理解Snakemake工作流程执行的一些原理，它执行分为三个阶段
- 在初始化阶段，工作流程会被解析，所有规则都会被实例化
- 在DAG阶段，也就是生成有向无环图，确定依赖关系的时候，所有的通配名部分都会被真正的文件名代替。
- 在调度阶段，DAG的任务按照顺序执行
也就是说在初始化阶段，我们是无法获知通配符所指代的具体文件名，必须要等到第二阶段，才会有wildcards变量出现。也就是说之前的出错的原因都是因为第一个阶段没通过。这个时候就需要输入函数推迟文件名的确定，可以用Python的匿名函数，也可以是普通的函数
rule bwa_map:
input:
"data/genome.fa",
lambda wildcards: config["samples"][wildcards.sample]
output:
"mapped_reads/{sample}.bam"
threads: 8
shell:
"bwa mem -t {threads} {input} | samtools view -Sb - > {output}"
第四步：规则参数
有些时候，shell命令不仅仅是由input和output中的文件组成，还需要一些静态的参数设置。如果把这些参数放在input里，则会因为找不到文件而出错，所以需要专门的params用来设置这些参数。
rule bwa_map:
input:
"data/genome.fa",
lambda wildcards: config["samples"][wildcards.sample]
output:
"mapped_reads/{sample}.bam"
threads: 8
params:
rg="@RG\tID:{sample}\tSM:{sample}"
shell:
"bwa mem -R '{params.rg}' '-t {threads} {input} | samtools view -Sb - > {output}"
写在rule中的params的参数，可以在shell命令中或者是run里面的代码进行调用。
第五步： 日志文件
当工作流程特别的大，每一步的输出日志都建议保存下来，而不是输出到屏幕，这样子出错的时候才能找到出错的所在。snakemake非常贴心的定义了log,用于记录日志。好处就在于出错的时候，在log里面定义的文件是不会被snakemake删掉，而output里面的文件则是会被删除。继续修改之前的bwa_map.
rule bwa_map:
input:
"data/genome.fa",
lambda wildcards: config["samples"][wildcards.sample]
output:
"mapped_reads/{sample}.bam"
params:
rg="@RG\tID:{sample}\tSM:{sample}"
log:
"logs/bwa_mem/{sample}.log"
threads: 8
shell:
"(bwa mem -R '{params.rg}' -t {threads} {input} | "
"samtools view -Sb - > {output}) 2> {log}"
这里将标准错误重定向到了log中。
第六步：临时文件和受保护的文件
由于高通量测序的数据量通常很大，因此很多无用的中间文件会占据大量的磁盘空间。而特异在执行结束后写一个shell命令清除不但写起来麻烦，而且也不好管理。Snakemake使用temp()来将一些文件标记成临时文件，在执行结束后自动删除。
rule bwa_map:
input:
"data/genome.fa",
lambda wildcards: config["samples"][wildcards.sample]
output:
temp("mapped_reads/{sample}.bam")
params:
rg="@RG\tID:{sample}\tSM:{sample}"
log:
"logs/bwa_mem/{sample}.log"
threads: 8
shell:
"(bwa mem -R '{params.rg}' -t {threads} {input} | "
"samtools view -Sb - > {output}) 2> {log}"
修改之后的代码，当samtools_sort运行结束后就会把"mapped_reads"下的BAM删掉。同时由于比对和排序都比较耗时，得到的结果要是不小心被误删就会浪费大量计算时间，最后的方法就是用protected()保护起来
rule samtools_sort:
input:
"mapped_reads/{sample}.bam"
output:
protected("sorted_reads/{sample}.bam")
shell:
"samtools sort -T sorted_reads/{wildcards.sample} "
"-O bam {input} > {output}"
最后，snakemake就会在文件系统中对该输出文件写保护，也就是最后的权限为-r--r--r--, 在删除的时候会问你rm: remove write-protected regular file ‘A.bam’?.
进阶部分小结
- 使用
threads:定义不同规则所需线程数，有利于snakemake全局分配任务，最优化任务并行 - 使用
configfile:读取配置文件，将配置和流程分离 - snakemake在DAG阶段才会知道通配的具体文件名，因此在input和output出现的
wildcards就需要推迟到第二步。 - 在
log里定义的日志文件，不会因任务失败而被删除 - 在
params定义的参数，可以在shell和run中直接调用 -
temp()中的文件运行结束后会被删除，而protected()中的文件会有写保护，避免意外删除。
高级：实现流程的自动部署
上面的分析流程都是基于当前环境下已经安装好要调用的软件，如果你希望在新的环境中也能快速部署你的分析流程，那么你需要用到snakmake更高级的特性，也就是为每个rule定义专门的运行环境。
全局环境
我建议你在新建一个snakemake项目时，都先用conda create -n 项目名 python=版本号创建一个全局环境，用于安装一些常用的软件，例如bwa、samtools、seqkit等。然后用如下命令将环境导出成yaml文件
conda env export -n 项目名 -f environment.yaml
那么当你到了一个新的环境，你就可以用下面这个命令重建出你的运行环境
conda env create -f environment.yaml
局部环境
当然仅仅依赖于全局环境或许还不够，对于不同的规则(rule)可能还有Python2和Python3的区别，所以你还得为每个规则创建环境。
snakemake有一个参数--use-conda,会解析rule中的conda规则，根据其提供的yaml文件安装特定版本的工具，以基础第一步的序列比对为例，
rule bwa_map:
input:
"data/genome.fa",
"data/samples/A.fastq"
output:
"mapped_reads/A.bam"
conda:
"envs/map.yaml"
shell:
"""
mkdir -p mapped_reads
bwa mem {input} | samtools view -Sb - > {output}
"""
随后在snakemake执行的目录下创建envs文件夹，增加map.yaml, 内容如下
name: map
channels:
- https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/cloud/bioconda/
- https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/cloud/conda-forge/
- https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/main/
- https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/free/
- defaults
dependencies:
- bwa=0.7.17
- samtools=1.9
show_channel_urls: true
注意: YAML文件的name行不是必要的，但是建议加上。
那么当你用snakmake --use-conda执行时，他就会在.snakemake/conda下创建专门的conda环境用于处理当前规则。对于当前项目，该conda环境创建之后就会一直用于该规则，除非yaml文件发生改变。
如果你希望在实际运行项目之前先创建好环境，那么可以使用--create-envs-only参数。
由于默认情况下，每个项目运行时只会在当前的.snakemake/conda查找环境或者安装环境，所以在其他目录执行项目时，snakemake又会重新创建conda环境，如果你担心太占地方或者环境太大，安装的时候太废时间，你可以用--conda-prefix指定专门的文件夹。
代码总结
最后的代码如下
configfile: "config.yaml"
rule all:
input:
"report.html"
rule bwa_map:
input:
"data/genome.fa",
lambda wildcards: config["samples"][wildcards.sample]
output:
temp("mapped_reads/{sample}.bam")
params:
rg="@RG\tID:{sample}\tSM:{sample}"
log:
"logs/bwa_mem/{sample}.log"
threads: 8
shell:
"(bwa mem -R '{params.rg}' -t {threads} {input} | "
"samtools view -Sb - > {output}) 2> {log}"
rule samtools_sort:
input:
"mapped_reads/{sample}.bam"
output:
protected("sorted_reads/{sample}.bam")
shell:
"samtools sort -T sorted_reads/{wildcards.sample} "
"-O bam {input} > {output}"
rule samtools_index:
input:
"sorted_reads/{sample}.bam"
output:
"sorted_reads/{sample}.bam.bai"
shell:
"samtools index {input}"
rule bcftools_call:
input:
fa="data/genome.fa",
bam=expand("sorted_reads/{sample}.bam", sample=config["samples"]),
bai=expand("sorted_reads/{sample}.bam.bai", sample=config["samples"])
output:
"calls/all.vcf"
shell:
"samtools mpileup -g -f {input.fa} {input.bam} | "
"bcftools call -mv - > {output}"
rule report:
input:
"calls/all.vcf"
output:
"report.html"
run:
from snakemake.utils import report
with open(input[0]) as vcf:
n_calls = sum(1 for l in vcf if not l.startswith("#"))
report("""
An example variant calling workflow
===================================
Reads were mapped to the Yeast
reference genome and variants were called jointly with
SAMtools/BCFtools.
This resulted in {n_calls} variants (see Table T1_).
""", output[0], T1=input[0])
执行snakemake
写完Snakefile之后就需要用snakemake执行。snakemake的选项非常多，这里列出一些比较常用的运行方式。
运行前检查潜在错误：
snakemake -n
snakemake -np
snakemake -nr
# --dryrun/-n: 不真正执行
# --printshellcmds/-p: 输出要执行的shell命令
# --reason/-r: 输出每条rule执行的原因
直接运行:
snakemake
snakemake -s Snakefile -j 4
# -s/--snakefile 指定Snakefile，否则是当前目录下的Snakefile
# --cores/--jobs/-j N: 指定并行数，如果不指定N，则使用当前最大可用的核心数
强制重新运行：
snakemake -f
# --forece/-f: 强制执行选定的目标，或是第一个规则，无论是否已经完成
snakemake -F
# --forceall/-F: 也是强制执行，同时该规则所依赖的规则都要重新执行
snakemake -R some_rule
# --forecerun/-R TARGET: 重新执行给定的规则或生成文件。当你修改规则的时候，使用该命令
可视化：
snakemake --dag | dot -Tsvg > dag.svg
snakemake --dag | dit -Tpdf > dag.pdf
# --dag: 生成依赖的有向图
snakemake --gui 0.0.0.0:2468
# --gui: 通过网页查看运行状态
集群执行：
snakemake --cluster "qsub -V -cwd -q 投递队列" -j 10
# --cluster /-c CMD: 集群运行指令
## qusb -V -cwd -q， 表示输出当前环境变量(-V),在当前目录下运行(-cwd), 投递到指定的队列(-q), 如果不指定则使用任何可用队列
# --local-cores N: 在每个集群中最多并行N核
# --cluster-config/-u FILE: 集群配置文件
参考资料
- snakemake官方文档
- 用snakemake写RNA-Seq流程
- 阮一峰的YAML教程
- 阮一峰的Make命令教程
- conda管理环境