A Tutorial For the Method of Estimating Haplotype Diversity From Sequences With Unequal Lengths

研究背景

遗传多样性的量化及其空间分布格局的探讨不仅对了解物种进化历史及其种群动态至关重要，而且对于生物多样性保护策略的制定具有借鉴意义。遗传多样性常用的指标有核苷酸多样性 (π) 和单倍型多样性 (h) (Goodall-Copestake, 2016; Miraldo et al., 2016。现有的遗传多样性计算方法依赖于样本DNA序列比对后长度一致的共有区域，然而公用数据库如美国国家生物技术信息中心 (GenBank, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/) 和生命数据条码系统 (BOLD, http://www.boldsystems.org/) 中的大多数序列数据由于初始研究目的以及测序技术的局限，即便在种内水平重叠区域也是不一致的。这为大数据时代挖掘DNA序列数据中的遗传多样性信息带来了重大挑战，因为按传统的算法进行遗传多样性的评估需要对序列进行切齐并仅保留共有区域，这便造成了大量信息位点的丢失。在2016年Miraldo等人开发了一种新的核苷酸计算方法，利用共有区域长度不一致的DNA序列数据来估算物种的核苷酸多样性，并探讨了核苷酸多样性的纬度分布格局 (Miraldo et al., 2016)，尽管该方法得到了普遍的使用， 但这种方法的估算性能尚未得到评估 (Miraldo et al., 2016; Gratton et al., 2017; Millette et al., 2019)。此外，作为遗传多样性常用的指标之一 (Nei and Li, 1979; Nei and Tajima, 1981; Goodall-Copestake et al., 2012)和生物多样性保护的重要参考 (Leitwein et al., 2020)，单倍型多样性在宏观遗传学研究中尚未得到广泛应用。
        单倍型多样性是对样本单倍型信息的量化描述，而核苷酸多样性的计算依赖于样本中不同单倍型之间的核苷酸差异数目 。从概念上看：(1) 核苷酸多样性描述了从群体中随机选取的两条序列间平均的核苷酸差异位点数目；(2) 单倍型多样性描述了从样本中随机选取两条序列为不同单倍型的概率；(3) 判断两条序列是否属于不同单倍型的标准为这两条序列间是否存在核苷酸位点的差异。结合 (2) 和 (3) 可得出单倍型多样性描述了从群体中随机选取的两条序列间存在核苷酸差异的概率。基于此，我们以两条序列间的核苷酸差异为参数重新定义了单倍型多样性的计算方法 (Fan et al., 2021)，该方法不依赖统计样本中的单倍型数目及各单倍型频率信息，并且对共有区域不一致的DNA序列数据同样适用。值得一提的是，作为遗传多样性的衡量指标，与核苷酸多样性相比，单倍型多样性在处理不同长度的DNA序列数据中具有较高的精确度和稳定性 (详细结果请参阅Fan et al., 2021)，为大数据背景下精确量化遗传多样性供了可能，这对于全面了解遗传多样性分布格局及其形成机制至关重要，能够加深我们对于生物多样性成因的理解。为了便于读者理解和使用该方法，本文系统介绍了该方法的基本原理和分析步骤。

基本原理

通过上述论述，我们可得单倍型多样性描述了从群体中随机选取的两条序列间存在核苷酸差异的概率，基于此不难得出 (Fan et al., 2021)：

其中k_ij 是序列 i 和序列 j 之间共有区域的平均每位点核苷酸差异数目，M_kij>0 样本两两配对比较中所有 k_ij >0 的数目, 为样本两两配对比较的数目。
由于公用数据库中大多数数据存在共有区域长度不一致的情况，在遗传多样性的计算过程中主要体现为随机选取的两条序列间重叠区域不一致。基于此，我们采取了Miraldo et al. (2016) 在计算不同长度数据的核苷酸多样性时的策略，即使用序列间共有区域的重叠长度（m_ij）及其核苷酸差异数目（K_ij）对公式1中的kij进行等价替换（即k_ij=K_ij/m_ij）可得公式2 (Fan et al., 2021)。

                                                                                                                            

其中k_ij 是序列 i 和序列 j 之间共有区域的核苷酸差异数目, m_ij 是序列 i 和序列 j 之间共有区域的长度。 M_Kij/m_ij>0是配对比较中 K_ij/m_ij>0 i的数目，为样本配对比较的总数。

分析步骤

以下分析函数脚本下载地址：https://doi.org/10.5281/zenodo.4722108，将下载脚本加载至R语言工作空间即可。在CRAN网站（http://cran-r-project.org/）上可以下载R的各种版本，包括Windows，Linux和Mac OX三个版本，使用者可根据自己的平台选择安装相应的版本。R语言的使用教程可参考Cookbook for R网站(http://www.cookbook-r.com/)，该网站提供了R语言基础、数据分析、图形绘制的详细教程及其示例代码。

1. DNA序列比对
   ClustalW (Larkin et al., 2007), Muscle (Edgar, 2004), MEGA (Tamura et al., 1993) 等常用序列比对软件均可，相关软件的下载安装及使用教程可参考下述网站:
   ClustalW软件的使用教程详见：http://www.clustal.org/omega/
   Muscle软件的使用教程详见：http://www.drive5.com/muscle/manual/
   MEGA软件的使用教程详见：https://www.megasoftware.net/manual.pdf
   
2. 计算DNA序列配对比较结果
   使用"run_pairwise_function()"，该函数输入数据为上述比对完成的序列文件，目前仅支持以*.fas 为后缀名的文件，这里以"example_data.fas"文件为例，输出的计算结果为带result字样的CSV文件如："example_data_result.csv"。输入下列命令即可 (见图1)：
   run_pairwise_function("example_data.fas")
   需要注意的是，具有模糊碱基代码标识 (IUPAC ambiguity codes) 位点的DNA序列可能代表着测序错误，为了避免这种测序误差，该函数在处理过程中将标注为模糊碱基代码标识的位点转化为NA值，进而在计算过程中忽略掉该位点。
   
3. 依据配对比较结果计算单倍型多样性和核苷酸多样性
   将上述计算结果输入遗传多样性计算函数"GD_function()"即可,运行该函数即可输出对应单倍型多样性和核苷酸多样性计算结果 (见图示1)。为了避免丢失掉过多的信息，在计算遗传多样性时，我们仅统计两两配对比较中重叠区域长度超过最短序列长度50%的结果 (Miraldo et al., 2016)。
   GD_function("example_data_result.csv")
   
   
   图1 DNA序列配对比较及遗传多样性计算示例
   
   

致谢

本文摘自发表文章Fan et al., (2021). Fan, P., Fjeldså, J., Liu, X., Dong, Y., Chang, Y., Qu, Y., Song, G. and Lei, F. (2021). An approach for estimating haplotype diversity from sequences with unequal lengths. Methods Ecol Evol 12: 1658-1667, https://doi.org/10.1111/2041-210X.13643

竞争性利益声明

作者声明没有利益冲突

参考文献

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2. Goodall-Copestake, W. P., Tarling, G. A. and Murphy, E. J. (2012). On the comparison of population-level estimates of haplotype and nucleotide diversity: a case study using the gene cox1 in animals. Heredity 109: 50-56.
3. Gratton, P., Marta, S., Bocksberger, G., Winter, M., Keil, P., Trucchi, E. and Kuhl, H. (2017). Which latitudinal gradients for genetic diversity? Trends Ecol Evol 32: 724-726.
4. Nei, M. and Li, W. H. (1979). Mathematical model for studying genetic variation in terms of restriction endonucleases. P Natl Acad Sci USA 76: 5269-5273.
5. Larkin, M. A., Blackshields, G., Brown, N. P., Chenna, R, McGettigan, P. A., McWilliam, H., Valentin, F., Wallace, I. M., Wilm, A., Lopez, R., Thompson, J. D., Gibson, T. J. and Higgins, D. G. (2007). Clustal W and Clustal X version 2.0. Bioinformatics 23: 2947-2948.
6. Leitwein, M., Duranton, M., Rougemont, Q., Gagnaire, P. A. and Bernatchez, L. (2020). Using haplotype information for conservation genomics. Trends Ecol Evol 35: 245-258.
7. Librado, P. and Rozas, J. (2009). DnaSP v5: a software for comprehensive analysis of DNA polymorphism data. Bioinformatics 25: 1451-1452.
8. de Jong, M. A., Wahlberg, N., van Eijk, M., Brakefield, P. M. and Zwaan, B. J. (2011). Mitochondrial DNA signature for range-wide populations of Bicyclus anynana suggests a rapid expansion from recent refugia. PLoS One 6: e21385.
9. Nei, M. and Tajima, F. (1981). DNA polymorphism detectable by restriction endonucleases. Genetics 97: 145-163.
10. Millette, K. L., Fugere, V., Debyser, C., Greiner, A., Chain, F. J. J. and Gonzalez, A. (2019). No consistent effects of humans on animal genetic diversity worldwide. Ecol Lett
11. Miraldo, A., Li, S., Borregaard, M. K., Florez-Rodriguez, A., Gopalakrishnan, S., Rizvanovic, M., Wang, Z., Rahbek, C., Marske, K. A. and Nogues-Bravo, D. (2016). An Anthropocene map of genetic diversity. Science 353: 1532-1535.
12. Fan, P., Fjeldså, J., Liu, X., Dong, Y., Chang, Y., Qu, Y., Song, G. and Lei, F. (2021). An approach for estimating haplotype diversity from sequences with unequal lengths. Methods Ecol Evol 12: 1658-1667
13. Tamura, K., Stecher, G., Peterson, D., Filipski, A. and Kumar, S. (2013). MEGA6: molecular evolutionary genetics analysis version 6.0. Mol Biol Evol 30: 2725-9.