软件影响10（2021）100149原始软件出版物Ribose PreferenceAnalysis：分析嵌入基因组DNA的rNMP的偏好性Penghao XuJiang，Francesca Storici佐治亚理工学院生物科学学院，亚特兰大，GA，30332，美国自动清洁装置保留字：rNTP掺入rNMP捕获技术Ribose-seqA B标准核糖核苷酸三磷酸（rNTP）掺入DNA是许多物种的普遍现象。rNTPs被DNA聚合酶错误掺入，并成为嵌入DNA中的核糖核苷酸单磷酸（rNMP）。揭示嵌入的rNMP的模式和偏好是基因组稳定性和DNA生物学领域的重要课题。因此，我们开发了RibosePreferenceAnalysis软件来识别rNTP掺入偏好并研究嵌入的rNMP的基因组背景。该软件是对嵌入式rNMP数据感兴趣的研究人员的易于使用的工具，并提供有用的研究结果rNTP掺入、嵌入的rNMP去除和rNMP功能。代码元数据当前代码版本V21此代码版本所用代码/存储库的永久链接https://github.com/SoftwareImpacts/SIMPAC-2021-105Reproducible Capsule的永久链接https://codeocean.com/capsule/6187013/tree/v1法律代码许可证GPL-3.0使用的代码版本控制系统无软件代码语言使用Python3编译要求，操作环境依赖Matplotlib，Seaborn，Scipy如果可用，链接到开发人员文档/手册https://github.com/xph9876/RibosePreferenceAnalysis/blob/master/README.md支持电子邮件，以了解问题软件元数据当前软件版本1.1此版本可执行文件的永久链接https://github.com/xph9876/RibosePreferenceAnalysis/releases/tag/v1.1可再生胶囊的永久链接https://codeocean.com/capsule/6187013/tree/v1法律软件许可证GPL-3.0计算平台/操作系统Linux，OS X安装要求依赖Python3，Matplotlib，Seaborn，Scipy如果可用，用户手册链接-如果正式出版，请在参考列表https://github.com/xph9876/RibosePreferenceAnalysis/blob/master/README.md问题支持电子邮件pxu64@gatech.edu1. 介绍脱氧核糖核苷酸三磷酸（dNTPs）是DNA的基本结构单元，其在DNA复制过程中通过DNA聚合酶掺入。掺入的dNTPs嵌入在掺入过程中除去两个磷酸基团（PP）后，以脱氧核糖核苷酸单磷酸（dNMP）的形式存在然而，有时DNA聚合酶不能区分三磷酸核糖核苷酸（rNTP ）和dNTP，导致rNTP 的错误掺入和单磷酸核糖核苷酸（rNMP）的嵌入[1]。本文中的代码（和数据）已由Code Ocean认证为可复制：（https://codeocean.com/）。更多关于生殖器的信息徽章倡议可在https://www.elsevier.com/physical-sciences-and-engineering/computer-science/journals上查阅。*通讯作者。电子邮件地址：pxu64@gatech.eduwww.example.com Xu）.https://doi.org/10.1016/j.simpa.2021.100149接收日期：2021年8月22日;接收日期：2021年9月17日;接受日期：2021年9月22日2665-9638/©2021由Elsevier B. V.发布。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表软件影响杂志 首页：www.journals.elsevier.com/software-impactsP.Xu和F. Storici软件影响10（2021）1001492为=Fig. 1.嵌入不同酵母菌株的线粒体DNA中的rNMP的归一化频率。显示嵌入酵母DNA中每列代表一个rNMP文库，而每行是一种类型的rNMP。色标显示在图的右侧嵌入的rNMP改变DNA的骨架，导致DNA结构和机械变化[2]、基因组不稳定性[3]和疾病[4虽然rNMP嵌入的机制是相当清楚和广泛接受的，但rNMP嵌入的模式，偏好和功能仍有待发现，特别是在哺乳动物DNA中。随着rNMP捕获技术的发展，包括核糖-seq [7-rUMP ） 。 使 用 BED 文 件 中 的 rNMP 坐 标 和 参 考 基 因 组 序 列 ，RibosePreferenceAnalysis在参考基因组中定位每个嵌入的rNMP，并找到 它 是 哪 种 类 型 的 rNMP 。通 过 重 复 此 步 骤 ，RibosePreferenceAnalysis计算了每种类型的rNMP的计数。二核苷酸和三核苷酸背景分析可以类似地进行。RibosePreferenceAnalysis发现嵌入的rNMP，并计算每个rNMP的模式，它的邻居。由于存在四种类型的dNMP和四种类型的rNMP，因此总共存在16种二核苷酸模式和64种三核苷酸模式。RibosePreferenceAnalysis也可以计算每个模式的出现 次 数 。 此 外 ， 使 用 相 同 参 考 基 因 组 的 多 个 rNMP 文 库 通 过RibosePreferenceAnalysis同时计数，这显著加快了分析通常，如果dNMP和dNMP模式在参考基因组中频繁显示，则相应的rNMP和rNMP模式也具有高计数。因此，当计算归一化频率时，dNMP和dNMP模式的出现充当背景频率。RibosePreferenceAnalysis还可以使用参考基因组生成dNMP和dNMP模式使用嵌入的rNMP计数和背景dNMP频率计算归一化频率。每种类型的rNMP基于对应的dNMP频率被归一化，并且进一步归一化，使得四个归一化频率的总和是一个。设，∈{A，U}表示rNMP的计数;，∈{A，}表示相应的背景dNMP频率。rNMP的归一化频率，∈ {A，U}可以 计算：任何来源的DNA。随后进行核糖图谱比对[13，14]，将嵌入的rNMP与所选参考进行为A+U在单核苷酸水平上的基因组，这提供了分析rNTP掺入签名，模式和热点的机会。所有rNTP掺入研究的基本分析是确定rNMP嵌入背景的偏好。在这项研究中，我们开发了一个软件，命名为RibosePreferenceAnalysis，计算-类似地，二核苷酸和三核苷酸频率可以用计数和背景频率计算。比如说，因此，由rCMP及其上游dAMP组成的二核苷酸模式的归一化频率可以使用下式计算：延迟rNMP包埋频率，揭示rNMP包埋的偏好性，鉴定rNMP所处的基因组背景=AA优选地嵌入，并且找到嵌入的rNMP和在距嵌入的rNMP位点特定距离内的相邻dNMP之间的关系。RibosePreferenceAnalysis软件可轻松应用于所有rNMP捕获技术生成的rNMP包埋数据。它产生热图以可视化rNTP的选择偏好。此外，该软件还可以格式化rNMP测序数据，用于研究人员感兴趣的其他分析，例如各种统计测试和比较研究。RibosePref-erenceAnalysis软件提供了一种简单灵活的方法来分析rNMP包埋数据。2. 描述和用途RibosePreferenceAnalysis软件使用选定的物种参考基因组和从rNMP图谱技术（包括Ribose-Map）生成的BED文件计算归一化rNTP掺入偏好[13]。参考基因组包含所选实验DNA样品的基因组序列，其由以下组成：四种类型的dNMP（dAMP、dCMP、dGMP和dTMP）。BED文件存储嵌入的rNMP的坐标。例如，在参考基因组中的dAMP的基因座处发现的嵌入的rNMP是rAMP。除了嵌入的rNMP本身之外，RibosePreference-Analysis还可以分析嵌入的rNMP的基因组背景，例如由rNMP及其dNMP邻居组成的二核苷酸或三核苷酸背景。通过计算二核苷酸和三核苷酸背景的归一化频率，RibosePreferenceAnalysis软件可以揭示不同物种、细胞类型和基因型中嵌入的rNMP模式。计 算归 一化 频率 的第 一步 是计 算四 种类 型的 rNMP （ rAMP 、rCMP、rGMP和rNMP）的数量。具有归一化高频率的rNMP、二核苷酸和三核苷酸背景表明对rNTP掺入的偏好。为了可视化归一化频率，RibosePreferenceAnalysis可以绘制每种类型的rNMP、二核苷酸和三核苷酸背景的热图。在归一化频率热图中，红色表示归一化高频，蓝色表示归一化低频。如果rNMP、二核苷酸或三核苷酸背景没有优选的模式，则以白色显示。在图中所示的示例中， 1，rCMP在大多数文库中是优选的。为了分析dNMP是否可以从远处影响rNTP掺入，软件使用二核苷酸背景下dNMP和rNMP之间的空位长度参数。例如，通过比较具有不同空位长度的二核苷酸热图，研究人员可以发现随着邻近dNMP和嵌入的rNMP之间空位长度的增加，偏好降低（图2）。类似的方法应用于三核苷酸热图。3. 影响确定rNTP掺入的序列背景偏好性RibosePreferenceAnalysis软件计算归一化的rNMP频率并将其可视化为热图，提供了一种找到rNTP掺入模式并进行比较的简单方法。RibosePreferenceAnalysis软件易于使用，因为它采用Ribose-Map或其他方法生成的rNMP包埋数据，而无需任何预处理。由于同时处理多个rNMP库，因此软件运行速度也很快。此外，二核苷酸和三核苷酸模式分析揭示了P.Xu和F. Storici软件影响10（2021）1001493图二. 不同空位长度的二核苷酸热图（NR）。嵌入的rNMP及其上游dNMP（NR）的热图，在它们之间具有不同的间隙长度。所有文库都是野生型RNA酶H2文库（WT）或突变体（rnh201）。随着间隙长度的增加，热图倾向于变浅，这表明附近的影响减少。dNMP对rNTP掺入DNA的影响。嵌入的rNMP和附近的dNMP之间的关系，这可能与rNTP掺入，嵌入的rNMP去除和嵌入的rNMP功能在基因组中的机制有关。在不同物种、细胞类型、基因型和遗传元件中识别出这些偏好后，可以进行许多比较研究。例如，比较源自芽殖酵母的野生型和核糖核酸酶（RNase）H2敲除细胞的文库中的归一化rNMP频率，研究人员发现了rNTP掺入的优选模式，其与RNase H2的功能直接相关[9]。最近，RibosePreferenceAnalysis已应用于rNMP测序数据的分析，以确定酵母和藻类基因组中的rNTP掺入模式[9，14]，包括正在进行的酵母自主复制序列周围的rNTP 掺入模式的研究[15]。总体而言，RibosePreferenceAnalysis是处理嵌入DNA中的rNMP的测序数据、分析嵌入的rNMP的基因组背景以及可视化rNTP掺入偏好的有用工具。4. 局限性和未来发展RibosePreferenceAnalysis软件可以计算和可视化rNMP嵌入频率，并显示基因组背景的偏好。然而，最多可以使用该软件分析含有三核苷酸的rNMP。这是因为由四个或更多个核苷酸组成的模式数量目前，我们正在研究仅使用一种类型的rNMP制作热图的功能，这可以减少模式的数量，并使我们有可能在热图中显示四种以上的核苷酸模式我们也在尝试为四种以上的核苷酸模式设计新的可视化。5. 结论我们开发了RibosePreferenceAnalysis软件来分析嵌入DNA中的rNMP的测序数据，并揭示嵌入任何来源的基因组DNA中的rNMP使用该软件，研究人员可以很容易地计算出rNMP、含有rNMP的二核苷酸和三核苷酸背景的归一化频率。这些归一化频率可用于鉴定rNTP掺入模式，并揭示与基因组中rNTP掺入、rNMP去除和rNMP功能竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作致谢我们感谢佐治亚理工学院高级计算环境合作伙伴关系我们获得了美国国立卫生研究院的资助，R01 ES 026243（F.S.），美国霍华德·休斯医学研究所（F.S.获得学院奖学金55108574），和W. M.凯克基金会，美国赠款支持这项工作。引用[1]J.S. Williams，S.A. Lujan，T.A. Kunkel，在真核DNA复制过程中掺入的加工核糖核苷酸，Nat.Rev.Mol.CellBiol.17（2016）350http://dx.doi.org/10.1038/nrm.2016.37[2] H.C. 邱国德高，M。Evich等人，RNA侵入改变DNA弹性性质和结构，Nanoscale 6（2014）10009http://dx.doi.org/[3] H.L. Klein，DNA中核糖核苷酸引起的基因组不稳定性，DNA修复56（2017）26-32。[4] C.F. 莫斯身份证Rosa，L.E.Hunt等人，异常核糖核苷酸掺入和鼠 MPV17 疾 病 模 型 的 线 粒 体 DNA 中 的 多 重 缺 失 ， Nucleic Acids Res. （ 2017 ）http://dx.doi.org/10.1093/nar/gkx1009。[5] B. Hiller，A.霍普角Haase等人，核糖核苷酸切除修复至关重要预防皮肤鳞状细胞癌，Cancer Res.（2018）http：//dx.doi.org/10.1158/0008-5472.CAN-18-1099网站。[6] K.亚丁湾Bartsch，J. Dahl等人，上皮RNA酶H2保持基因组完整性并防止小鼠肠道肿瘤发生，胃肠病学（2019）http://dx.doi.org/10.1053/j.gastro.2018.09.047。[7] K.D. Koh，S.巴拉钱德Hesselberth，F.Storici，Ribose-seq：全局映射的核糖核苷酸，NatureMethods12（2015）251http://dx.doi.org/10.1038/nmeth.3259[8] S. Balachander，T. Yang，G. Newnam等人， 核糖核苷酸的捕获在酵母基因组DNA使用核糖测序，在：分子生物学方法，2019年。P.Xu和F. Storici软件影响10（2021）1001494[9] S.作者声明：A. Yang等人，酵母基因组DNA中的核糖核苷酸掺入显示出对胞嘧啶 和 鸟 苷 的 偏 好 ， 在 脱 氧 腺 苷 之 前 ， Nature Commun.11 （ 2020 ）http://dx.doi.org/10.1038/s41467-020-16152-5.[10] M.A.M. Reijns，H. Kemp，J. Ding等人，滞后链复制塑造基因组的突变景观，Nature 518（2015）502 http://dx.doi。org/10.1038/nature14183。[11]Z.X. 公 司 Zhou ， S.A. Lujan ， A.B. Burkholder 等 人 ， Roles for DNApolymeraseReactionininitiatingandterminatingleadingstrandDNAreplication，Nature Commun. 10（2019）1http://dx.doi.org/10.1038/s41467-019-11995[12] T. Iida，N. Iida，J. Sese，T. Kobayashi，通过基因组中核糖核苷酸的定量评估修复活性，Genes Cells 00（2021）1//dx.doi.org/10.1111/GTC.12871网站。[13] A.L. Gombolay，F.O. Vannberg，F. Storici，Ribose-Map：一个生物信息学工具包绘 制 嵌 入 基 因 组 DNA 中 的 核 糖 核 苷 酸 ， Nucleic Acids Res. 47 （ 2019 ） e5 ，http://dx.doi.org/10.1093/nar/gky874。[14] A.L. Gombolay ， F. Storici ， Mapping ribonucleotides embedded in genomicDNA to single-nucleotide resolution using Ribose-Map，Nat. Protocols 2021 16（7）（2021）16，http://dx.doi.org/10.1038/s41596-021-00553。[15] P. Xu ， F. 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