使用Meta-Apo对16S扩增子的微生物组功能信息进行校正
Calibration of 16S-amplicon-based microbiome function by Meta-Apo   

仪器设备

Meta-Apo仅需要具有约1GB内存的标准计算机即可支持其安装与执行。目前Linux (如Ubuntu、CentOS、RedHat等)、Mac OS或Windows 10内置Linux子系统等操作系统均能够支持Meta-Apo。

软件

Meta-Apo软件最新版本为1.01。该软件主要由C++语言开发编写，所以软件的安装需要C++编译器 (例如g++)。对于Linux操作系统，大多版本已经在系统中安装了g++。对于Mac OS，建议从App Store安装Xcode应用程序，即可完成编译器的安装与配置。

实验步骤

1. 安装Meta-Apo
   我们建议选择步骤 1.1 中自动安装的方式来配置Meta-Apo软件。但如果自动安装程序失败，可以按照步骤 1.2 中的步骤手动安装Meta-Apo软件。
   
   1.1

   自动安装 (首选方案)
   

   1)

   下载安装包
   git clone https://github.com/qibebt-bioinfo/meta-apo.git

   2)

   安装
   运行以下安装命令：
   

   cd meta-apo

   source install.sh

         按照上述步骤操作，该软件包可以在1 min内安装到计算机上，安装成功后提示信息如下 (图1) 所示：
   
   
   图1. Meta-Apo安装成功提示信息
   
         示例数据集在安装包内"examples"文件夹下，可以查看 "examples/Read me"中的内容来获取演示运行的详细信息，或直接运行：
   

   sh Readme

         来自动演示示例数据集的处理运行。

        该示例数据集包含有三个文件，其中，training.16s.ko.abd为训练建模所需的16S扩增子样本的相对丰度表 (图2)，training.wgs.ko.abd为训练建模所需的WGS样本的相对丰度表，16s.ko.abd为待校正16S扩增子样本的相对丰度表。相对丰度表的格式详见表1。
   
   
   图2. 示例数据集中训练建模所需的16S扩增子样本的相对丰度表
   
   
   1.2

   手动安装 (备选方案)
   

   1)

   下载安装包
   git clone https://github.com/qibebt-bioinfo/meta-apo.git
   

   2)

   配置环境变量
   将以下内容写入环境变量配置文件(一般默认的文件是"~/.bashrc")
   

   export MetaApo=Path to MetaApo

   export PATH="$PATH:$MetaApo/bin/"

   并启用环境变量
   

   source ~/.bashrc

   3)

   编译源代码
   

   cd meta-apo

   make
2. Meta-Apo校正原理
   
   
    图3. 通过对少量成对的WGS：16S扩增子样本进行训练来校正微生物组扩增子样本的预测功能图谱
   
   前期工作中，通过比较WGS和16S扩增子测序方法得出的功能谱，两种方法得到的WGS与16S扩增子之间距离高度相关 (Jing et al., 2021)。Meta-Apo仅使用少量的WGS:16S扩增子配对数据 (即每一个样本都分别进行WGS和16S扩增子测序) 用作训练集 (如，15对训练样本)，Meta-Apo就可以为大规模16S扩增子样本 (如，数千例样本) 的功能谱进行校正，使之结果与WGS更加一致 (图3)。Meta-Apo主要包含两个部分：训练和校正。在训练部分中，Meta-Apo使用线性回归建模，利用少量的WGS:16S配对样本来估算等式 (1) 中的f。在校正部分中，将WGS结果视为"黄金标准"，使用模型f校正16S扩增子样本的预测功能图谱。
   
   K_WGS = f(K_16S)                           (1)
3. 样本处理与输入格式
   Meta-Apo仅将少量的WGS：16S扩增子配对数据用作训练集。根据前期对来自4个身体部位超过5,000例人体微生物组的16S扩增子样本进行测试发现，Meta-Apo仅使用15个WGS: 16S扩增子配对样本来进行训练，就可以显著降低两种测序之间功能解析的差异 (Jing et al., 2021) (详见"结果与分析")。因此我们建议训练集中包含10-20例WGS：16S扩增子配对数据即可。
         训练集中每一个WGS：16S扩增子配对样本都分别进行WGS和16S扩增子测序，其功能谱信息需使用KEGG Orthology (Kanehisa et al., 2011) (KO) 来注释。其中，WGS样本我们建议使用HUMAnN2 (Franzosa et al., 2018) 进行功能分析，16S扩增子样本我们建议使用PICRUSt2 (Douglas et al., 2020) 进行功能预测。同时，待校正的16S扩增子样本，需按照与训练集中16S扩增子完全相同的测序流程和分析流程来处理。以上所有样本的输入文件中包含KO号和KO的丰度两类信息。目前Meta-Apo接受以下两种格式的输入文件格式 (可任选其一)。
   
   3.1

   丰度表
   一个丰度表中可以包含多个样本的功能丰度信息。含有N个样本的丰度，表格式如表1所示。表中第一行为表头信息，接下来的N行为功能丰度信息。其中，第一列为样本的名称，其余列均为样本中所含有的KO功能的丰度。
   
   表1. 丰度表格式
   
   
         在训练集中，16S扩增子样本与WGS样本分别用单独的丰度表，两者格式相同，且要求待训练的WGS:16S配对样本在各自丰度表中样本的顺序一致。
   3.2

   样本列表
   一个样本列表中含有多个样本的功能丰度文件的地址路径，如表2所示：
   
   表2. 文件列表格式
   
   
         该文件有两列信息，其中，第一列为样本的名称，第二列表示每个样本单独的功能信息文件的路径。在训练集中，16S扩增子样本与WGS样本分别用单独的文件列表，两者格式相同，且要求待训练的WGS:16S配对样本在各自文件列表中样本的顺序一致。为了保证路径的合法性，我们强烈建议使用绝对地址 (即包含完整的路径名称，如表2所示)。列表中每个样本单独的功能信息文件格式如表3所示：
   
   表3. 样本的功能信息文件
   
   其中，第一列为KO号，第二列为样本中该KO功能的丰度。
   
   
4. 训练与校正
   
   4.1

   以丰度表为输入输出
   训练建模由Meta-Apo程序包中的meta-apo-train程序提供。以WGS样本的KO相对丰度表training.wgs.ko.abd (由"-T"指定) 和其配对的16S扩增子样本的KO相对丰度表training.16s.ko.abd (由"-t"指定) 为例，训练过程如下：
   

   meta-apo-train -T training.wgs.ko.abd -t training.16s.ko.abd -o meta-apo.model
   

   训练过程所输出的模型文件为meta-apo.model。

         接下来，就用生成的模型文件来校正大量的16S扩增子样本的功能信息。校正由Meta-Apo程序包中meta-apo-calibrate程序提供。在该程序中，模型文件由"-m"来指定，以待校正的16S扩增子样本KO相对丰度表16s.ko.abd (由"-t"指定) 为例，校正过程如下：
   

   meta-apo-calibrate -t 16s.ko.abd -m meta-apo.model -o 16s.ko.calibrated.abd
   

         输出的文件16s.ko.calibrated.abd (由"-o"指定) 是校正后的KO丰度表，其格式与输入文件16s.ko.abd一致 (格式参考表1)。
   4.2

   以样本列表为输入输出
   训练建模由Meta-Apo程序包中meta-apo-train程序提供。以WGS样本列表training.wgs.list (由"- L"指定) 和其配对的16S扩增样本列表training.16s.list (由"-l"指定) 为例，训练过程如下：
   

   meta-apo-train -L training.wgs.list -l training.16s.list -o meta-apo.model
   

   训练过程所输出的模型文件为meta-apo.model。

         接下来，就用生成的模型文件来校正大量的16S扩增子样本的功能信息。校正由Meta-Apo程序包中meta-apo-calibrate程序提供。在该程序中，模型文件由"-m"来指定，以待校正的16S扩增子样本列表16s.ko.list (由"-l"指定) 为例，校正过程如下：
   

   meta-apo-calibrate -l 16s.ko.list -m meta-apo.model -o 16s.ko.calibrated.out
   

         输出的文件夹16s.ko.calibrated.out (由"-o"指定) 包含每个输入样本校准后的功能信息文件 (格式参考表3)，同时校准后样本的文件列表也输出到16s.ko.calibrated.out.list中，格式与输入的16s.ko.list列表一致 (格式参考表2)。

         需注意的是，采用4.1和4.2两种不同格式的输入输出，训练程序meta-apo-train所生成的模型是通用的，可以被用于不同输入格式的校正程序，无需重新训练。
5. Meta-Apo的计算过程
   
   5.1

   训练
   每个微生物群落的功能由一系列代谢功能 (例如KEGG Orthology；KO) 及其相对丰度组成，如等式 (2)
   

   

         其中k_{function i}代表功能i的相对丰度，由于WGS和扩增子之间的功能分布存在强线性相关性，对于每个功能k，我们可以在两种办法之间建立联系，如等式 (3)
   

   

         在等式 (3) 中Meta-Apo使用N (例如N=15) 例WGS：16S扩增子配对样本进行训练来计算模型f，通过优化等式 (3) 中的θ₀和θ₁，尽可能地降低k_16S 和K_WGS的差异，即等式 (4) 中的总差值E最小。
   

   

         具体来讲，在训练步骤中，Meta-Apo采用最小二乘法 (Least Square Method) 计算参数θ₀和θ₁，如等式 (5) 和等式 (6) 所示：
   

   
   5.2

   校正
   Meta-Apo利用从训练中得到的模型f，可以利用等式 (7) 估算出16S扩增子样本中每个功能校正后的丰度。
   

   

         由于已经优化了映射模型f，使得从16S rRNA基因预测的功能丰度和来自WGS的真实的功能丰度之间的差异最小化，因此Meta-Apo可以将16S扩增子样本的预测功能谱校准为WGS的水平。

结果与分析

为了验证Meta-Apo对于校准扩增样本功能丰度的可靠性、准确性，本工作采用了5个来自人类微生物组计划HMP (Huttenhower et al., 2012) 的数据集 (表4) 进行验证。

表4. 测试数据集


       以上测试中所有的数据集均可在 Meta-Apo 软件下载页面的"Supplementary"部分中下载。
       我们首先比较了622例配对的人体微生物组功能谱 (数据集1；来自四个身体部位：肠道，皮肤，口腔和生殖道；表4) 来评估两种测序策略之间的差异程度。每个样本都通过WGS和V3-V5区16S rRNA扩增子进行测序。WGS的功能谱由HUMAnN2 (Franzosa et al., 2018) 分析生成。16S扩增子则使用PICRUSt2 (Douglas et al., 2020) 预测得出，均使用KEGG Orthology (Kanehisa et al., 2011) (KO) 注释。通过比较从两种测序方法得出的功能谱，我们发现配对的WGS:16S扩增子之间差异显著高于WGS的内部差异 (即来自同一部位的WGS样本之间的距离；图4A)。两种策略之间的差异十分显著，β多样性也表现出非常不同的模式 (图5A；PC1 双尾配对Wilcox秩和检验p < 0.01；PC2双尾配对Wilcox秩和检验p < 0.01) 并导致了一些错误的分类。例如，一些皮肤的16S扩增子的功能谱与口腔的WGS的功能谱被错误地分成一类。然而，这两种方法得到的WGS与16S扩增子之间距离高度相关 (图5B；Pearson相关性R = 0.86，p < 0.01)，而且其β多样性之间的总体形状相似 (图5A；蒙特卡洛检验p < 0.01)。
       为了定量评估Meta-Apo的效果，我们分别从数据集1中随机选择了N = 5、10、15、20、50和100个WGS:16S扩增子配对样本作为训练集，并使用Meta-Apo校正该数据集中其他16S扩增子样本。当使用N = 15个训练对建立模型f时，Meta-Apo校正效果变得稳定，并且在增加更多训练对之后 (最多100个；图4B)，校正效果也不会明显增加。在校正后 (即N = 15个训练对)，配对的WGS:16S扩增子距离 (0.121 ± 0.055) 显著低于WGS样本的组内距离 (0.136 ± 0.056)。经主坐标分析 (PCoA) 证实，Meta-Apo消除了两种测序策略产生的样本之间的总体功能分布差异 (图5C；PC1双尾配对Wilcox秩和检验p = 0.30，PC2双尾配对Wilcox秩和检验p = 0.29；图5D。与此同时，Meta-Apo对于来自数据集2 (表4) 的V1-V3区16S rRNA序列也同样适用 (图6)。


图4. Meta-Apo显著减少了数据集1中WGS和16S扩增子配对样本之间的功能谱的距离 A. WGS:16S扩增子配对样本之间的Bray-Curtis距离 (未校正，橙色条) 高于WGS体内位点距离 (来自同一部位的WGS样本之间的距离，蓝色条)。B. 仅使用15个训练对，校正的16S扩增子样本与其配对的WGS样本之间的Bray-Curtis距离变得稳定，且显著低于WGS的组内距离。两个图像共用X轴。通过双尾Wilcox秩和检验计算p值，**表示p < 0.05，***表示p < 0.01。


图5. 数据集1的622个WGS:16S扩增子配对样本的beta多样性 A. 16S扩增子和WGS方法的总体功能模式是同构的，但在PC1和PC2分布上存在明显差异。B. 由WGS和16S扩增子计算的Bray-Curtis距离高度相关 (Pearson相关R = 0.86，p < 0.01)。C. Meta-Apo使用15个配对样本进行训练，将16S扩增子样本的预测功能谱与WGS样本的预测功能谱进行比对，从而使校正的功能谱的PC1和PC2比原始的未校正的16S扩增子样品更接近WGS样品。D. WGS:16S扩增子对的ΔPC显著降低。PCoA使用Bray-Curtis距离计算主坐标。通过双尾配对的Wilcox秩和检验计算p值，***表示p < 0.01。


图6. 数据集2的295个WGS:16S扩增子配对样本的beta多样性 A. 16S扩增子和WGS方法的总体功能模式是同构的，但在PC1和PC2分布上存在明显差异。B. 由WGS和16S扩增子计算的Bray-Curtis距离高度相关 (Pearson相关R = 0.90，p < 0.01)。C. Meta-Apo使用15个配对样本进行训练，将16S扩增子样本的预测功能谱与WGS样本的预测功能谱进行比对，从而使校正的功能谱的PC1和PC2比原始的未校正的16S扩增子样品更接近WGS样品。通过双尾配对的Wilcox秩和检验计算p值，***表示p < 0.01。

       我们进一步将Meta-Apo样本扩展至5,350 个V3-V5 16S rRNA扩增子样本和与2,354 个WGS样本 (数据集3，同数据集1一样从四个身体部位收集，并使用相同的方法处理序列；表4)，从而评估大规模16S扩增子功能图谱的校正性能。该数据集尽管是来自于相同的健康宿主队列，并由同一研究进行测序 (HMP)，但WGS和16S扩增子样品并未配对。另外我们发现，无论选择何种测序策略 (Rausch et al., 2019)，由WGS和16S扩增子所得出的物种结构组成是一致的，但在功能图谱上则有显著差异 (图7A；PC1双尾Wilcox秩和检验p < 0.01；PC2双尾Wilcox秩和检验p < 0.01)。例如，在功能图谱上，肠道部位的16S扩增子与口腔中WGS聚类在一起，口腔等相同部位的样本会按照不同的测序策略分离，即身体部位在人类微生物组的功能格局中占主导地位 (Turnbaugh et al., 2009; Huttenhower et al., 2012)。之后，我们使用Meta-Apo，利用数据集1的WGS：16S扩增子对做训练样本 (训练样本N = 15) 构建的模型，对所有扩增子样本的预测功能图谱进行校正。经β多样性的分析证明，Meta-Apo校正后的16S扩增子和WGS样本之间功能谱的偏差大大降低 (图7B； PC1双尾Wilcox秩和检验p = 0.20；PC2双尾Wilcox秩和检验p = 0.03)。
       接下来，为了测试对不同可变区16S数据集的校正效果，我们也将Meta-Apo应用于表4中数据集4的2,186个V1-V3区16S扩增子样本。使用数据集2的WGS:16S扩增子对做训练样本 (训练样本N = 15) 来构建的模型，Meta-Apo也可以有效地提高16S扩增子的功能谱重建的准确性 (图8)。因此，Meta-Apo普遍适用于16S rRNA基因的多个可变区域。


图7. 来自数据集3的2,354个WGS样本和5,350个16S扩增子样本的功能beta多样性 A.16S扩增子和WGS方法获得的功能模式在PC1和PC2分布上有显著差异。B. Meta-Apo使用15个配对样本进行训练，将扩增子样本的预测功能图谱与WGS样本的预测功能图谱进行比较，与原始的未经校正的扩增子样品相比，校正后的扩增子样本的功能谱的PC1和PC2更接近WGS样本。PCoA使用Bray-Curtis距离计算主坐标。通过双尾Wilcox秩和检验计算p值，***表示p <0.01。


图8. 来自数据集4的2,045个WGS样本和2,186个16S扩增子样本的功能beta多样性 A.16S扩增子和WGS方法获得的功能模式在PC1和PC2分布上有显著差异。B. Meta-Apo使用15个配对样本进行训练，将扩增子样本的预测功能图谱与WGS样本的预测功能图进行比较，与原始的未经校正的扩增子样品相比，校正后的扩增子样本的功能谱的PC1和PC2更接近WGS样本。PCoA使用Bray-Curtis距离计算主坐标。通过双尾Wilcox秩和检验计算p值，***表示p <0.01。

失败经验

问题1
    安装提示："make: g++: command not found"
    问题原因：没有安装Meta-Apo所需要的g++编译器。
    解决方法：根据不同的操作系统，利用相应的命令安装 g++，常见的操作系统：
    Ubuntu Linux系统：sudo apt-get install g++
    CentOS Linux系统：sudo yum install g++
    Mac OS 系统：通过App Store安装Xcode应用程序
问题2
       运行提示："Please set the environment variable MetaApo to the directory"
       问题原因：环境变量设置失败。
       解决方法：请参考实验步骤 1.2.2 中手动配置环境变量的方法将 Meta-Apo 所需要的环境变量添加到配置文件中。
问题3
       运行提示："meta-apo-train: command not found"
       问题原因：环境变量设置失败。
       解决方法：请参考实验步骤 1.2.2 中手动配置环境变量的方法将 Meta-Apo 所需要的环境变量添加到配置文件中。
问题4
       运行提示："Error: Cannot open file: XXX"
       问题原因：输入了错误的输入/输出文件路径。
       解决方案：请检查正确的输入文件路径 (可在输入时用Tab 键自动补全)，并确保用户在输出路径下有足够的写权限。
问题5
       运行提示："Argument #X Error : Arguments must start with -"
       问题原因：运行命令中所有参数选项名称必须以"-"开头。
       解决方法：请检查第 X 个参数并更正。

致谢

本项工作得到了国家自然科学基金31771463、32070086和32000389项目，以及山东省自然科学基ZR201807060158项目的资助。

参考文献

1. Douglas, G. M., Maffei, V. J., Zaneveld, J. R., Yurgel, S. N., Brown, J. R., Taylor, C. M., Huttenhower, C. and Langille, M. G. I. (2020). PICRUSt2 for prediction of metagenome functions. Nat Biotechnol 38: 685–688.
2. Franzosa, E. A., Mciver, L. J., Rahnavard, G., Thompson, L. R., Schirmer, M., Weingart, G., Lipson, K. S., Knight, R., Caporaso, J. G. and Segata, N. (2018). Species-level functional profiling of metagenomes and metatranscriptomes. Nat Methods 15: 962–968.
3. Huttenhower, C., Gevers, D., Knight, R., Abubucker, S. and White, O. (2012). The Human Microbiome Project (HMP) Consortium. Structure, function and diversity of the healthy human microbiome. Nature 486(7402): 207–214.
4. Jing, G., Zhang, Y., Cui, W., Liu, L. and Su, X. (2021). Meta-Apo improves accuracy of 16S-amplicon-based prediction of microbiome function. BMC Genomics 22(1): 9.
5. Kanehisa, M., Goto, S., Sato, Y., Furumichi, M. and Tanabe, M. (2011). KEGG for integration and interpretation of large-scale molecular data sets. Nucleic Acids Res 40(D1): D109-D114.
6. Rausch, P., Rühlemann, M., Hermes, B. M., Doms, S. and Baines, J. F. (2019). Comparative analysis of amplicon and metagenomic sequencing methods reveals key features in the evolution of animal metaorganisms. Microbiome 7(1): 133.
7. Turnbaugh, P. J., Hamady, M., Yatsunenko, T., Cantarel, B. L., Duncan, A., Ley, R. E., Sogin, M. L., Jones, W. J., Roe, B. A. and Affourtit, J. P. (2009). A core gut microbiome in obese and lean twins. Nature 457(7228): 480.