Zusammenfassung Advanced Bioinformatics

Metagenomics – VL07
Shotgun metagenomics
Der Shotgun-Metagenomik-Kurs befasste sich mit der Anwendung der Shotgun-
Sequenzierungstechnologie auf mikrobielle Gemeinschaften. Dabei wurden die Schritte der
Probenvorbereitung, der Sequenzierung und der bioinformatischen Analyse behandelt, um
Informationen über die genetische Vielfalt und Funktionen von Mikroben in komplexen
Gemeinschaften zu gewinnen.

1. Read-based taxonomic profiling
Die readbasierte taxonomische Profilierung ist eine Methode zur Bestimmung der
taxonomischen Zusammensetzung einer mikrobiellen Gemeinschaft basierend auf den
Sequenzierungsreads, die aus der Probe generiert wurden. Dabei werden die Reads mit
Referenzdatenbanken oder genetischen Markern abgeglichen, um die Taxonomie der
Mikroorganismen in der Probe zu bestimmen. Diese Methode ermöglicht eine schnelle und
kostengünstige Identifizierung von Mikroorganismen, ist jedoch anfällig für Fehler bei der
Zuordnung und erfordert eine sorgfältige Qualitätssicherung und Validierung der Ergebnisse.
Identifying and quatifying microbes
Die Identifizierung und Quantifizierung von Mikroben beinhaltet die Zuordnung von
Sequenzierungsreads zu bekannten Referenzgenomen, um die Mikroorganismen in einer
Probe zu identifizieren und ihre relative Häufigkeit zu bestimmen. Allerdings können einige
Sequenzierungsreads mehrdeutig sein und sich gleichermaßen gut an verschiedenen
Positionen in verschiedenen Genomen abgleichen. Um dieses Problem zu lösen, gibt es
verschiedene Ansätze:
1. Identifizierung von Marker-Genen: Einige spezifische Gene sind exklusiv für bestimmte
taxonomische Ränge. Durch die Suche nach diesen Marker-Genen in den
Sequenzierungsreads kann man die Taxonomie der Mikroorganismen genauer bestimmen.
Beispiele für Tools, die diese Methode verwenden, sind MetaPhlAn, mOTUs und Bracken.


2. Identifizierung der gemeinsamen Vorfahren (LCA) im taxonomischen Baum: Einige Tools
wie Kraken verwenden diese Methode, um die wahrscheinlichsten taxonomischen
Kategorien für mehrdeutige Sequenzierungsreads zu identifizieren. Sie bestimmen den
gemeinsamen Vorfahren, der am wenigsten spezifisch ist und die möglichen Quellen des
Reads am besten repräsentiert.
MetaPhlAn
MetaPhlAn ist ein bioinformatisches Tool, das für die taxonomische Identifizierung von
Mikroorganismen in Metagenomdaten entwickelt wurde. Es basiert auf der Analyse von
spezifischen Marker-Genen, die charakteristisch für verschiedene mikrobielle Arten und Taxa
sind. MetaPhlAn identifiziert diese Marker in den Sequenzierungsreads und ordnet sie den
entsprechenden taxonomischen Gruppen zu, wodurch eine schnelle und präzise Bestimmung
der taxonomischen Zusammensetzung einer mikrobiellen Gemeinschaft ermöglicht wird.

, Kraken
Kraken ist ein Softwaretool zur taxonomischen Klassifizierung von Sequenzierungsreads in
Metagenomdaten. Es verwendet eine spezielle Methode, um die wahrscheinlichsten
taxonomischen Zuordnungen für die Reads zu bestimmen, indem es den gemeinsamen
Vorfahren (Least Common Ancestor, LCA) im taxonomischen Baum identifiziert. Auf diese
Weise können auch mehrdeutige Reads effizient klassifiziert werden, indem sie dem am
wenigsten spezifischen taxonomischen Rang zugeordnet werden, der alle möglichen Quellen
des Reads repräsentiert. Kraken ermöglicht eine schnelle und robuste taxonomische
Zuordnung großer Datensätze von Metagenomsequenzen.
 Metagenom: Komposition erschließen
 MetaPhLan
o Welche Markergene sind vorhanden
 Kraken
 Tools können, wie sie funktionieren; Funktionsweise, was steckt
dahinter
MetaPhlAn und Kraken sind zwei Tools zur taxonomischen Klassifizierung von
Metagenomdaten, die auf unterschiedlichen Prinzipien basieren:
1. MetaPhlAn:
- MetaPhlAn (Metagenomic Phylogenetic Analysis) identifiziert Mikroorganismen in
Metagenomdaten anhand von spezifischen Marker-Genen.
- Es verwendet eine Datenbank mit bekannten Marker-Genen, die charakteristisch für
verschiedene Taxa sind, um das Vorhandensein und die Abundanz bestimmter Organismen
zu bestimmen.
- Die Hauptmarker sind die 16S rRNA-Gene für Bakterien und die 18S rRNA-Gene für
Eukaryoten, aber MetaPhlAn verwendet auch andere Marker für eine breitere
Taxonomieabdeckung.
- MetaPhlAn funktioniert durch das Ausrichten von Sequenzen gegen die Marker-Gene-
Datenbank und das Identifizieren von Übereinstimmungen.
2. Kraken:
- Kraken ist ein Metagenomklassifizierungstool, das auf k-mer-basierten Ansätzen basiert.
- Es erstellt ein Index aus einer Referenzdatenbank taxonomischer Genome und verwendet
diesen Index, um kurze DNA-Sequenzfragmente (k-mere) aus den Metagenomdaten zu
klassifizieren.
- Kraken unterscheidet sich von MetaPhlAn dadurch, dass es nicht nur auf spezifischen
Marker-Genen basiert, sondern das gesamte Genom für die Klassifizierung verwendet.
- Die Klassifizierung erfolgt durch das Vergleichen von k-mere-Sequenzen aus dem
Metagenom mit den im Index gespeicherten k-mere-Sequenzen.