技術貼 | 宏基因組 + 宏轉錄組分析工具:HUMAnN

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HUMAnN（全稱HMP Unified Metabolic Analysis Network）最早由CurtisHuttenhower團隊針對HMP項目開發的一款可對宏基因組/宏轉錄組測序數據進行物種分類分析和功能（代謝）分析的多功能軟體【1】

一. HUMAnN 第一版 2012

 

Curtis Huttenhower團隊使用該方法還特意分別做了口腔、糞便宏基因組與宏轉錄組關係的研究【2】。該研究於2014年發表於PNAS，他們發現：

 

1）冷凍、乙醇、RNAlater三種保存條件中的微生物群落、宏基因組和宏轉錄組高度一致。不同保存方法對標本內的生物學信息影響不大。

2）口腔微生物能進入腸道並存活下來的數量很少、轉錄活性也很低。口腔和腸道的環境差異很大，人體微生物中能同時適應兩種環境的數量很少；

3）宏基因組和宏轉錄組中的生物功能在有很高的一致性【下圖】；

4）個體間的穩定性：宏基因組 >宏轉錄組 > 微生物群落；

5）多數基因在RNA水平上的變異 > DNA水平上的變異。

 

圖1

說明：

KEGG注釋後一共獲得3,292個相對豐度 > 0.01%的KOs。KOs（基因）和KOs（轉錄本）的平均相對豐度有很高的相關性 (Spearman’s r = 0.76)。圖A至圖H為8個不同的KOs分類：1）紅點是RNA >DNA的KOs；2）藍點是DNA > RNA的KOs；3）x或y軸上的點表示一個數據集中豐度為零，而另一個數據集中的豐度不為零的KOs。

 

二、HUMAnN第二版 2018

 

2018年HUMAnN第二版發表於Nature Methods【3】。與第一版相比，HUMAnN2能將功能分析和物種分類信息整合到一起，通過分層分析快速、準確進行物種水平分析。Curtis Huttenhower團隊進行的IBD患者腸道菌群生態系統的多組學研究在2019年被NATURE雜誌中刊出，其中宏基因組和宏轉錄組的關鍵分析均由HUMAnN2完成【4】。

 

圖2

 

圖3

 

三、HUMAnN 第三版 2020

 

接著2020年又更新到HUMAnN3。第二版與第三版相比：

 

1）物種分類分析部分使用最新版的MetaPhlAn 3.0；

2）蛋白注釋使用UniProt/UniRef 2019_01序列和注釋信息；

3）物種數是HUMAnN2的2倍多，基因家族數量是HUMAnN2的3倍多；

4）更多步驟提供可調節的參數；

5）蛋白序列比對使用diamond 0.9。

 

圖4

 

Github地址：https://huttenhower.sph.harvard.edu/humann3/

 

安裝和測試：

# (Optionally) Create a new conda environment for the installation
conda create --name biobakery3 python=3.7
conda activate biobakery3

# (If you haven't already) Set conda channel priority:
conda config --add channels defaults
conda config --add channels bioconda
conda config --add channels conda-forge
conda config --add channels biobakery

# Install HUMAnN 3.0 software with demo databases:
conda install humann -c biobakery

# Conda-installing HUMAnN 3.0 will automatically install MetaPhlAn 3.0.
# To install only MetaPhlAn 3.0 execute:
conda install metaphlan -c bioconda.

# Run HUMAnN unit tests:
humann_test (~1 minute)

# Run the HUMAnN demo:
humann -i demo.fastq -o sample_results

還在被宏基因組宏轉錄組分析方法選擇和流程搭建困擾的同學，不然試試多快好省的HUMAnN。

 

[1] MetabolicReconstruction for Metagenomic Data and Its Application to the Human Microbiome.PLoS Computational Biology 2012

[2] Relating the metatranscriptome and metagenome of the human gut. PNAS2014

[3] Species-level functional profiling of metagenomes and metatranscriptomes.Nature Methods 2018

[4] Multi-omics of the gut microbial ecosystem in inflammatory boweldiseases. Nature. 2019

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