宏基因组分析(三)humann定量基因家族和通路

1. 病情说明:

机制难寻,肠道菌群

这句话足以说明菌群研究的必要性,毕竟很多工作都表明了菌群与疾病、发育、神经等的紧密联系。另外,从目前国内科研服务相关的企业的战略布局来看,微生物单细胞组和单细胞三代全长是重要的开发方向,这些企业的鼻子可是很灵的。如果5年前,没能抓住单细胞转录组,今天又没有抓住单细胞空间转录组,那两三年后的单细胞全长转录组、微生物单细胞组和单细胞表观组一定不能再错过了。那我们就先来看看怎么把菌株-通路-代谢物-宿主靶点联系起来的关键工具--humann。

HUMAnN采用比对泛基因组的方法鉴定群体的已知物种,并进一步翻译检索末分类的序列,最终定量基因家族和通路。 结果同时获得功能通路中具体物种组成,建立起了物种与功能的联系,可进一步研究功能组成的贡献者。
通过humann的一通分析,我们可以拿到这些代谢通路的丰度差异结果噢!

image.png

2. 治疗方案

import time
import threading
import argparse
import os
from pickle import FALSE
import threading
import shutil
import datetime
import json
import time
import subprocess
import pandas as pd
method_path = 'plot_scripts'
refer_path = 'DB'
# 1: check function

def humann_check(
    data_path: str = None,                             ## path of kneaddout
    input_type: str = None,                            ## choose {fastq,fastq.gz,fasta,fasta.gz,sam,bam,blastm8,genetable,biom}
    search_mode: str = None,                           ## default [uniref90], uniref50,uniref90
    alignment_type : str = None,                       ## software to use for translated alignment,{usearch,rapsearch,diamond}
    pathway_type: str = None,                          ## [DEFAULT: metacyc] {metacyc,unipathway} the database to use for pathway computations
    out_path: str = None,                              ## outpath of humann_check

):
    ## check knead file
    check_file = f'{data_path}/knead_call_file.txt'
    if not os.path.exists(check_file):
        raise SystemExit('No knead file! Please run knead module!')
    else:
        knead_param = pd.read_csv(check_file, header=None)
        cleandata_path = knead_param.at[0,0]
        sampleinfo = knead_param.at[1,0]
    inputtype = f'{input_type}'
    search_mode = f'{search_mode}'
    alignment_type = f"{alignment_type}"
    pathway_type = f'{pathway_type}'
    if not os.path.exists(out_path):
        os.makedirs(out_path, exist_ok=True)
    else:
        pass
    nucleotide_database = os.path.abspath(refer_path+'/full_chocophlan.v201901_v31')
    if search_mode == 'uniref90':
        protein_database = os.path.abspath(refer_path+'/uniref90_annotated_v201901b')
    elif search_mode == 'uniref50':
        protein_database = os.path.abspath(refer_path+'/uniref50_annotated_v201901b')
    else:
        pass
    
    ## output
    out_path = os.path.abspath(out_path)

    check_file_path = f'{out_path}/humann_check_file.txt'
    check_file = pd.DataFrame([
        cleandata_path,
        sampleinfo,
        inputtype,
        search_mode,
        alignment_type,
        pathway_type,
        out_path ,
        nucleotide_database,
        protein_database
        
    ])
    check_file.to_csv(check_file_path,
                      header=None, index=None, sep='\t', mode='w')
    return 0




def execCmd(cmd):
    try:
        print("命令{}开始运行{}".format(cmd, datetime.datetime.now()))
        time.sleep(5)
        os.system(cmd)
        print("命令{}结束运行{}".format(cmd, datetime.datetime.now()))
    except:
        print("{}\t运行失败".format(cmd))   

def humann_call(
    out_path: str = None               # outpath of humann 
):
    ## check humann_check file
    humann_check_path = f'{out_path}/humann_check_file.txt'
    if not os.path.exists(humann_check_path):
        raise SystemExit(' No humann_check_file  ! Please run humann_check !')
    else:
        humann_check = pd.read_csv(f'{out_path}/humann_check_file.txt', 
                                      header=None,delimiter='\t')
        cleandata_path = humann_check.at[0,0]
        sampleinfo = humann_check.at[1,0]
        inputtype =humann_check.at[2,0]
        search_mode= humann_check.at[3,0]
        alignment_type = humann_check.at[4,0]
        pathway_type = humann_check.at[5,0]
        out_path = humann_check.at[6,0]
        nucleotide_database = humann_check.at[7,0]
        protein_database = humann_check.at[8,0]
        
    sample_info_dic = {}
    cmds = []
    for line in open(sampleinfo):
        if not line.startswith("sample"):
            line=line.strip().split()
            sample_info_dic[line[0]]=line[1]
            cmd = f'''/root/miniconda3/envs/Rdoc/bin/humann -i {cleandata_path}/{line[0]}/{line[0]}.{inputtype} --output {out_path} --nucleotide-database {nucleotide_database} --protein-database {protein_database} \
            --input-format {inputtype} --threads 30  --memory-use maximum '''
        cmds.append(cmd)
    threads = []
    for cmd in cmds:
        th = threading.Thread(target=execCmd, args=(cmd,))
        th.start()
        th.join()
        time.sleep(2)
        threads.append(th)
    humann_out_path = os.path.abspath(out_path)
    sampleinfo = os.path.abspath(sampleinfo)
    
    call_file_path = f'{out_path}/humann_call_file.txt'
    call_file = pd.DataFrame([humann_out_path,sampleinfo])
    call_file.to_csv(call_file_path,
                      header=None, index=None, sep='\t', mode='w')
            
    return 0    

humann_call(out_path)

def humann_post(
    out_path:str = None
):
    ## check humann_call file
    # humann_call_path = f'{out_path}/humann_call_file.txt'
    # if not os.path.exists(humann_call_path):
    #     raise SystemExit(' No humann_call_file  ! Please run humann_call !')
    # else:
    #     pass
    merge_path = out_path +'/humann_merge_out'
    
    if not os.path.exists(merge_path):
        os.makedirs(merge_path, exist_ok=True)
        cmd = f'''/root/miniconda3/envs/Rdoc/bin/humann_join_tables -s --input {out_path} --file_name pathabundance --output {merge_path}/humann_pathabundance.tsv && \
        /root/miniconda3/envs/Rdoc/bin/humann_join_tables -s  --input  {out_path} --file_name pathcoverage --output {merge_path}/humann_pathcoverage.tsv && \
        /root/miniconda3/envs/Rdoc/bin/humann_join_tables -s  --input  {out_path} --file_name genefamilies --output {merge_path}/humann_genefamilies.tsv
        '''
        execCmd(cmd)
    else:
        pass

    time.sleep(10)
    cmd_norm = f'''/root/miniconda3/envs/Rdoc/bin/humann_renorm_table --input {merge_path}/humann_pathabundance.tsv \
    --units relab --output {merge_path}/humann_pathabundance_relab.tsv && \
    /root/miniconda3/envs/Rdoc/bin/humann_renorm_table --input {merge_path}/humann_genefamilies.tsv  \
    --units relab --output {merge_path}/humann_genefamilies_relab.tsv
    '''
    execCmd(cmd_norm)
    
    ## split 
    final_path = out_path +'/humann_final_out'
    cmd_split = f'''/root/miniconda3/envs/Rdoc/bin/humann_split_stratified_table --input {merge_path}/humann_pathabundance_relab.tsv --output {final_path} && \
    /root/miniconda3/envs/Rdoc/bin/humann_split_stratified_table --input {merge_path}/humann_genefamilies_relab.tsv --output {final_path} && \
    /root/miniconda3/envs/Rdoc/bin/humann_split_stratified_table --input {merge_path}/humann_pathcoverage.tsv --output {final_path}
    '''
    execCmd(cmd_split)
    return 0 

data_path = 'kneaddout2'
input_type = 'fastq'
search_mode = 'uniref90'
alignment_type = 'diamond'
pathway_type = 'metacyc'
out_path = 'humann_out'

humann_check(data_path,input_type,search_mode,alignment_type,pathway_type,out_path)
humann_call(out_path)

3. 补充说明

下一篇可以画画图了,毕竟我们拿到的这些表格连自己都惊艳不了,又怎么能在组会上搏老板一笑呢。分析环境和测试数据我都整理好啦,一键部署到自己的服务器噢,持续关注,因为我会持续更新的。

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