轮状病毒进化分析-Rotavirus

步骤一:数据清洗

将ID重复的进行筛除,经过初步计算进化速率为0.9E-3,将同年序列差异<=3的进行随机筛选,保留一个。最后得到147条VP7序列。我为啥做这一步,我在N多文献里就看到个MERS的做了一点这个。其实我想想也可以不做,计算资源够也没关系吧。

步骤二:了解一些基础知识

进化模型:

基于距离有:

• UPGMA(类平均法)

• ME(Minimum Evolution,最小进化法)

• NJ(Neighbor-Joining,邻接法)

基于特征有:

• MP(Maximum parsimony,最大简约法,认为进化历程中发生碱基替代次数最少的系统发育树为最优树)

• ML(Maximum likelihood,最大似然法,基于碱基替代模型,认为似然值最大的系统发育树为最优树)

• Bayesian Inference (BI,贝叶斯方法,在马尔可夫链(Monte Carlo MarkoChain, MCMC)中取样,选取出现频率最高的系统发育树为最优树;BI法通过后验概率(posterior probability, PP)来评估拓扑结构的可靠性,一般PP > 95%的分支可信度较高)

而ML、BI对碱基/氨基酸替代模型敏感,需要对碱基替代模型做评估。通过modelfinder(iqtree内置)、jModeltest2测试,通过似然率(LRT)检验、BIC、AIC、DT指标筛选模型。最终选择GTR+I+G4。

其实各个模型的差异也就那么几个地方:碱基替代频率是否相等、碱基出现的概率是否相等、transition rate (alpha) 、transversion rate (beta)、(PAUP* rate classification)等。有文献表明,模型选择这一步可以不做,直接上GTR+G+I,或者其他模型,最后得出的差异很小的 [Model selection may not be a mandatory step for phylogeny reconstruction]。我可太谢谢这个文章了,因为前期在模型选择上费了好多时间,整理模型之间的差异。所以最后直接选择GTR+I+G和HKY+I+G。因为看到很多文献也蛮喜欢用这2个的,还有用JC的。但没有太多文献具体说明为啥选择这个模型,最多就是说经过jmodeltest筛出BIC最小的。

步骤三:配置文件

BEAST是用的比较多的一个软件,先要配置好xml文件,其实就是模型标记文件(我记得python的pickle包存模型也是这个格式,于是我测试下是否pickle也识别,哈哈哈,当然不能啦!笨笨笨!)。BEAST是一个软件集,先用BEAUTi进行配置。将比对好的fa文件拖入:

Tips选项,可以把时间自动识别。因为我的ID最末是时间,根据自己的格式处理:

BEATUi tips

Sites选项:这个其实就是位点的意思,每一个碱基/氨基酸:替代模型我这选择的GTR,base freq选择est、G4、codon那选择的(1+2),3  。因为密码子的第三个碱基相对前2个变化要大。可以设置为off、1,2,3看看xml文件里是怎么描述模型的:


codon1 2 3的变异速率不一致
BEAUTi Site
off
(1+2),3
1,2,3[比前者多一个3到3]


Trees选项:种群增长模型,我选择的贝叶斯天际线BS    

clocks 选项:看你想用什么分子钟,我选择的严格分子钟。如何判断自己的数据适合宽松的分子钟还是严格的分子钟?(此处复制From高芳銮教授QQ空间日志教程)

方法一:可以先用uncorrelated relaxed lognormal clock配合默认参数配置个xml文件,MCMC链长不需要很大,运行结束后,将xx.log文件通过Tracer导入查看coefficientOfVariation(或ucld.stdev值,如果该值接近0,说明数据适合严格分子钟,反之说明数据适合宽松分子钟。

方法二:通过贝叶斯因子法(Bayes Factor, BF)来比较分子钟模型和树先验(tree prior)模型之间的组合的边际似然值(Marginal Likelihood),通过BF法分析后,哪个模型对应的LnL值越大,相对更优,此方法既可以确定分子钟模型,也可以用于确定哪种树先验模型更加适合自己的数据。具体也可以通过以下操作来确定:在Tracer 中同时导入两个模型的xx.log 文件,选中所有要比较的模型后,依次点击菜单Analysis--->Model Comparation,Analysistype改为Harmonic mean,Reps=100,最后根据获得的BF值(BF=Pr(D|M1)/Pr(D|M2)至少大于3,则说明M1>M2)范围判断模型间的优劣程度。

 方法三(更新): 同样是采用比较分子钟模型和树先验(tree prior)模型之间的组合的边际似然值(Marginal Likelihood),但是不使用BF法,而是采用path sampling(路径采样)分析,相比BF法,path sampling更加精准。(参考文献:Improving the accuracy of demographic and molecular clock model comparison while accommodating phylogenetic uncertainty)。

priors 选项:我理解的就是对模型初始的分布函数进行设置,比如函数形状、mean、sd等。主要是对你前面进行设置的做模型先验函数预估。

MCMC选项:length of chain ,看资料说是不小于1000*序列数**2。我是147条,我直接设置的200000000,跑了我一天,ESS全部>200,开森!因为前面有设置小一点,有group的ESS<200。所以遇到有的参数不收敛的时候,可以尝试把chain长度设置大一点!另外的参数自己看字面也能理解,不多说。

MCMC

r然后生成xml文件。再丢到服务器上,跑beast。

one thousand years later......

得到了以下4个文件:待tree是树文件啦,自己找个软件/包去美化下,工具很多,在线的也有:

beast结果

把log文件拖到tracer里看看:可以看到进化速率mean值是1.0021E-3/site/year。跟我看的文献里的差不多。

当然,除了BEAST还有iqtree、MEGA都可以做。文献里基本是这几个。iqtree采用极大似然法构建进化树,很快,但我为了准确,-b 1000,然后从昨天跑到我现在写这个文章还没跑完。有manual,可以看看,反正我的命令是:/project/baowenjuan/APP/iqtree/iqtree-1.6.12-Linux/bin/iqtree -s merged_seq_y.mafft.fa -pre iqtree_K3PuFG4_RV -b 1000 -nt AUTO -m K3Pu+F+G4 (这里的模型是iqtree前期评估的最优模型)

jModelTest对模型评估以及构建进化树,自行看manual,都不难。我的命令是:java -jar /project/baowenjuan/APP/jmodeltest-2.1.10/jModelTest.jar -d merged_seq_ymafft.nex -f -g 4 -AIC -AICc -BIC -DT -i -s 11 -a -w -p >jModelTest.o

结果里有它自己根据BIC值选择的模型构建的进化树。

一个礼拜,从0走到现在,一套流程走完啦。具体发现了什么,就需要后续的分析啦!

PS. 今年流年不利,几个项目被砍。肿瘤玩厌了,又搞早筛,现在又“被迫”琢磨了病毒进化。所以接下来我要玩啥呢?逼着我变全能吗?我不想啊,我想专一一点,我想往大数据、建模方向发展呢!加油!

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