【佳学基因检测】基因解码基础：VCF格式文件是怎么贮存基因信息的？

遗传病、罕见病基因检测导读：

正确理解并应用基因信息包含两个阶段，一是基因测序阶段，一个是建立《人的基因序列变化与人体疾病表征》的关系两个阶段。尽管后者有数据库比对法和基因解码法，但是获取基因序列，并对基因序列进行正确记录和传递是先进个阶段。本文介绍了用来来贮存人体基因序列的一种格式文件，理解VCF格式文件及其贮存基因序列的方式，是基因库比对方法和基因解码的基础。

1. 什么是VCF？

VCF是用于描述SNP，INDEL和SV结果的文本文件。在GATK软件中得到贼好的支持，当然SAMtools得到的结果也是VCF格式，和GATK的VCF格式有点差别。

2. VCF的主体结构

先给出一个VCF文件的范例：

##fileformat=VCFv4.0
##FILTER=<ID=LowQual,Description="QUAL < 50.0">
##FORMAT=<ID=AD,Number=.,Type=Integer,Description="Allelic depths for the ref and alt alleles in the order listed">
##FORMAT=<ID=DP,Number=1,Type=Integer,Description="Read Depth (only filtered reads used for calling)">
##FORMAT=<ID=GQ,Number=1,Type=Float,Description="Genotype Quality">
##FORMAT=<ID=GT,Number=1,Type=String,Description="Genotype">
##FORMAT=<ID=PL,Number=3,Type=Float,Description="Normalized, Phred-scaled likelihoods for AA,AB,BB genotypes where A=ref and B=alt; not applicable if site is not biallelic">
##INFO=<ID=AC,Number=.,Type=Integer,Description="Allele count in genotypes, for each ALT allele, in the same order as listed">
##INFO=<ID=AF,Number=.,Type=Float,Description="Allele Frequency, for each ALT allele, in the same order as listed">
##INFO=<ID=AN,Number=1,Type=Integer,Description="Total number of alleles in called genotypes">
##INFO=<ID=DB,Number=0,Type=Flag,Description="dbSNP Membership">
##INFO=<ID=DP,Number=1,Type=Integer,Description="Total Depth">
##INFO=<ID=DS,Number=0,Type=Flag,Description="Were any of the samples downsampled?">
##INFO=<ID=Dels,Number=1,Type=Float,Description="Fraction of Reads Containing Spanning Deletions">
##INFO=<ID=HRun,Number=1,Type=Integer,Description="Largest Contiguous Homopolymer Run of Variant Allele In Either Direction">
##INFO=<ID=HaplotypeScore,Number=1,Type=Float,Description="Consistency of the site with two (and only two) segregating haplotypes">
##INFO=<ID=MQ,Number=1,Type=Float,Description="RMS Mapping Quality">
##INFO=<ID=MQ0,Number=1,Type=Integer,Description="Total Mapping Quality Zero Reads">
##INFO=<ID=QD,Number=1,Type=Float,Description="Variant Confidence/Quality by Depth">
##INFO=<ID=SB,Number=1,Type=Float,Description="Strand Bias">
##INFO=<ID=VQSLOD,Number=1,Type=Float,Description="log10-scaled probability of variant being true under the trained gaussian mixture model">
##UnifiedGenotyperV2="analysis_type=UnifiedGenotyperV2 input_file=[TEXT CLIPPED FOR CLARITY]"
#CHROM  POS ID      REF ALT QUAL    FILTER  INFO    FORMAT  NA12878
chr1    873762  .       T   G   5231.78 PASS    AC=1;AF=0.50;AN=2;DP=315;Dels=0.00;HRun=2;HaplotypeScore=15.11;MQ=91.05;MQ0=15;QD=16.61;SB=-1533.02;VQSLOD=-1.5473 GT:AD:DP:GQ:PL   0/1:173,141:282:99:255,0,255
chr1    877664  rs3828047   A   G   3931.66 PASS    AC=2;AF=1.00;AN=2;DB;DP=105;Dels=0.00;HRun=1;HaplotypeScore=1.59;MQ=92.52;MQ0=4;QD=37.44;SB=-1152.13;VQSLOD= 0.1185 GT:AD:DP:GQ:PL  1/1:0,105:94:99:255,255,0
chr1    899282  rs28548431  C   T   71.77   PASS    AC=1;AF=0.50;AN=2;DB;DP=4;Dels=0.00;HRun=0;HaplotypeScore=0.00;MQ=99.00;MQ0=0;QD=17.94;SB=-46.55;VQSLOD=-1.9148 GT:AD:DP:GQ:PL  0/1:1,3:4:25.92:103,0,26
chr1    974165  rs9442391   T   C   29.84   LowQual AC=1;AF=0.50;AN=2;DB;DP=18;Dels=0.00;HRun=1;HaplotypeScore=0.16;MQ=95.26;MQ0=0;QD=1.66;SB=-0.98 GT:AD:DP:GQ:PL  0/1:14,4:14:60.91:61,0,255

从范例上看，VCF文件分为两部分内容：以“#”开头的注释部分；没有“#”开头的主体部分。

值得注意的是，注释部分有很多对VCF的介绍信息。实际上不需要本文章，只是看看这个注释部分就有效明白了VCF各行各列代表的意义。我们先讲VCF文件主题部分的结构，如下所示：

[HEADER LINES]
#CHROM  POS ID      REF ALT QUAL    FILTER  INFO          FORMAT          NA12878
chr1    873762  .       T   G   5231.78 PASS    [ANNOTATIONS] GT:AD:DP:GQ:PL  0/1:173,141:282:99:255,0,255
chr1    877664  rs3828047   A   G   3931.66 PASS    [ANNOTATIONS] GT:AD:DP:GQ:PL  1/1:0,105:94:99:255,255,0
chr1    899282  rs28548431  C   T   71.77   PASS    [ANNOTATIONS] GT:AD:DP:GQ:PL  0/1:1,3:4:25.92:103,0,26
chr1    974165  rs9442391   T   C   29.84   LowQual [ANNOTATIONS] GT:AD:DP:GQ:PL  0/1:14,4:14:60.91:61,0,255

以上去掉了头部的注释行，只留下了代表每一行意义的注释行。主体部分中每一行代表一个Variant的信息。

3. VCF格式文件怎么记录一个人的基因信息？

CHROM 和 POS：记录的是基因序列染色体和坐标，如果是INDEL的话，位置是INDEL的先进个碱基位置，有这两个参数，就可以将测序结果与人体的特定的一个基因信息固定下来。

ID：数据库中已经有过的变异序列的代码。比如在dbSNP中有该SNP的代码，则会在此行给出；若没有，则用’.’表示这是一个受检者所特有的突变序列，在其他人身上没有。由于这是是用一个"."来表示，经过测序后，这样的点有很多，数据库比对就无法对这一突变对体的影响进行分析，需要采用新的分析策略。

REF 和 ALT：参考序列的DNA字母和可能出现的不同的DNA字母。

QUAL：Phred格式(Phred_scaled)的质量值，表示在该位点存在variant的可能性；该值越高，则variant的可能性越大；计算方法：Phred值 = -10 * log (1-p) p为variant存在的概率; 通过计算公式可以看出值为10的表示错误概率为0.1，该位点为variant的概率为90%。

FILTER：使用上一个QUAL值来进行过滤的话，是不够的。GATK能使用其它的方法来进行过滤，过滤结果中通过则该值为”PASS”;若variant不高效，则该项不为”PASS”或”.”。

INFO：这一行是variant的详细信息，内容很多，以下再具体详述。

FORMAT 和 NA12878：这两行合起来提供了’NA12878’这个sample的基因型的信息。’NA12878’代表这该名称的样品，是由BAM文件中的@RG下的 SM 标签决定的。

4. 基因型信息

chr1    873762  .       T   G   [CLIPPED] GT:AD:DP:GQ:PL    0/1:173,141:282:99:255,0,255
chr1    877664  rs3828047   A   G   [CLIPPED] GT:AD:DP:GQ:PL    1/1:0,105:94:99:255,255,0
chr1    899282  rs28548431  C   T   [CLIPPED] GT:AD:DP:GQ:PL    0/1:1,3:4:25.92:103,0,26

看上面贼后两列数据，这两列数据是对应的，前者为格式，后者为格式对应的数据。

GT：样品的基因型（genotype）。两个数字中间用’/’分开，这两个数字表示双倍体的sample的基因型。0 表示样品中有ref的allele； 1 表示样品中variant的allele； 2表示有第二个variant的allele。因此： 0/0 表示sample中该位点为纯合的，和ref一致； 0/1 表示sample中该位点为杂合的，有ref和variant两个基因型； 1/1 表示sample中该位点为纯合的，和variant一致。

AD 和 DP：AD(Allele Depth)为sample中每一种allele的reads覆盖度,在diploid中则是用逗号分割的两个值，前者对应ref基因型，后者对应variant基因型； DP（Depth）为sample中该位点的覆盖度。

GQ：基因型的质量值(Genotype Quality)。Phred格式(Phred_scaled)的质量值，表示在该位点该基因型存在的可能性；该值越高，则Genotype的可能性越大；计算方法：Phred值 = -10 * log (1-p) p为基因型存在的概率。

PL：指定的三种基因型的质量值(provieds the likelihoods of the given genotypes)。这三种指定的基因型为(0/0,0/1,1/1)，这三种基因型的概率总和为1。和之前不一致，该值越大，表明为该种基因型的可能性越小。 Phred值 = -10 * log (p) p为基因型存在的概率。

5. VCF第8列的信息

该列信息贼多了，都是以 “TAG=Value”,并使用”;”分隔的形式。其中很多的注释信息在VCF文件的头部注释中给出。以下是这些TAG的解释

AC，AF 和 AN：AC(Allele Count) 表示该Allele的数目；AF(Allele Frequency) 表示Allele的频率； AN(Allele Number) 表示Allele的总数目。对于1个diploid sample而言：则基因型 0/1 表示sample为杂合子，Allele数为1(双倍体的sample在该位点只有1个等位基因发生了突变)，Allele的频率为0.5(双倍体的sample在该位点只有50%的等位基因发生了突变)，总的Allele为2；基因型 1/1 则表示sample为纯合的，Allele数为2，Allele的频率为1，总的Allele为2。

DP：reads覆盖度。是一些reads被过滤掉后的覆盖度。

Dels：Fraction of Reads Containing Spanning Deletions。进行SNP和INDEL calling的结果中，有该TAG并且值为0表示该位点为SNP，没有则为INDEL。

FS：使用Fisher’s正确检验来检测strand bias而得到的Fhred格式的p值。该值越小越好。一般进行filter的时候，可以设置 FS < 10～20。

HaplotypeScore：Consistency of the site with at most two segregating haplotypes

InbreedingCoeff：Inbreeding coefficient as estimated from the genotype likelihoods per-sample when compared against the Hard-Weinberg expectation

MLEAC：Maximum likelihood expectation (MLE) for the allele counts (not necessarily the same as the AC), for each ALT allele, in the same order as listed

MLEAF：Maximum likelihood expectation (MLE) for the allele frequency (not necessarily the same as the AF), for each ALT alle in the same order as listed

MQ：RMS Mapping Quality

MQ0：Total Mapping Quality Zero Reads

MQRankSum：Z-score From Wilcoxon rank sum test of Alt vs. Ref read mapping qualities

QD：Variant Confidence/Quality by Depth

RPA：Number of times tandem repeat unit is repeated, for each allele (including reference)

RU：Tandem repeat unit (bases)

ReadPosRankSum：Z-score from Wilcoxon rank sum test of Alt vs. Ref read position bias

STR：Variant is a short tandem repeat

(责任编辑：佳学基因)