免疫组库分析工具基础性功能的比较及其应用

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高通量免疫组库测序技术使研究者可以从前所未有的深度和广度追踪免疫组库的特征及其变化,并在感染与疫苗、肿瘤、自身免疫病、过敏等研究中取得了众多成果。然而,大量面向免疫组库高通量数据分析的相似工具让研究者们无从选择。其次,如何科学管理已知和未知抗原受体序列是该领域亟待解决的问题之一。此外,不同研究目的和数据特征导向的个性化分析阻碍了相近研究之间结果的直接平行比较。免疫组库分析工具的低水平分析性能(特别是基因注释及CDR3识别)决定了高水平分析结果的可靠性。本研究系统地探索和比较了常见免疫组库分析工具在一般特征和基础性功能方面的异同,给出了面向不同研究目的以及数据特征的工具选择建议。用户可依次根据文件格式、测序策略、参考序列定制化、基础性功能优劣等选择合适的工具。基于对工具基础性功能异同及其主要影响因素(包括算法、碱基错误、连接区插入/缺失、测序深度)的认识,进一步选择两个不同的工具应用于不同的高水平分析案例。一方面,选用IgBLAST建立了一套通用、高效的流程用于公开数据库中抗体序列数据的收集、筛选、注释和管理;利用该流程从七个公开数据库获得了88,059条的非冗余抗体序列,注释和研究了它们的关键信息。这些序列的V及J基因使用频率存在明显的偏好性。重链、Lambda及Kappa链的CDR3与可变区的长度依次变短。重链长度分布更广而分散。该数据库有助于快速获取目的序列或注释新序列,其构建流程可被推广至TCR数据库。另一方面,选用MiXCR以统一的流程描绘和比较四种不同流感抗原刺激状态下的抗体组库关键特征。静息及各流感抗原刺激状态都有克隆扩增现象,但模式不尽相同。网络聚类图可灵敏地反映克隆扩增的状态及其变化。与先前研究结果一致,V家族、V基因、VJ组合的频率分布具有明显的个体遗传倾向性,且不同刺激状态下仅有微小波动。IGHV3、IGHV4及IGHV1家族共同占据了重链V家族的绝大部分。同一个体不同时间点的CDR3长度有共同的基础分布模式,但各长度的占比随免疫状态改变而波动。大克隆无明显的基因或长度偏好性,但结合大克隆、公共克隆、克隆聚类网络及突变率有助于筛选潜在的抗原反应性克隆。综上,本研究通过指导分析工具的选择、抗体序列数据库的构建及相似研究数据的统一分析促进高通量免疫组库技术的发展和应用。
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