HiC-Pro: Hi-C数据预处理高效工具

HiC-Pro是一个高效率的Hi-C数据预处理工具，能够应用于dilution Hi-C, in situ Hi-C, DNase Hi-C, Micro-C, capture-C, capture Hi-C 和 HiChip 这些数据。

HiC-Pro的工作流程如下, 简单的说就是先双端测序各自比对，然后进行合并，根据合并的结果筛选有效配对。之后有效配对用于构建contact maps.

安装方法

HiC-Pro依赖于如下的软件

• Bowtie2(>2.2.2), 用于序列比对
• Python2.7, 并安装 Pysam, bx-python, numpy, scipy
• R, RColorBrewer + ggplot2
• samtools > 1.1
• GNU sort, 支持 -V， 按照version进行排序

如果有root权限，更加推荐使用Singularity，比Conda更简单。

# 下载
wget https://zerkalo.curie.fr/partage/HiC-Pro/singularity_images/hicpro_latest_ubuntu.img
# 使用
singularity exec /opt/biosoft/HiC-Pro/hicpro_latest_ubuntu.img HiC-Pro -h

没有Root的安装方法: 为了保证环境的干净，我用conda进行了一个环境进行安装

conda create -y -n hic-pro python=2.7 pysam bx-python numpy scipy samtools bowtie2
conda activate hic-pro

以2.11.1版本为例进行介绍，最新的版本在https://github.com/nservant/HiC-Pro/releases检查

wget https://github.com/nservant/HiC-Pro/archive/v2.11.1.tar.gz
tar -zxvf v2.11.1.tar.gz
cd HiC-Pro-2.11.1

因为我希望把HiC-Pro安装到~/opt/bisofot下，所以我需要修改当前目录下的config-install.txt中的PREFIX部分，

PREFIX =  /home/xzg/opt/bisofot

如果服务器支持任务投递，可以修改CLUSTER_SYS部分, 设置为TORQUE, SGE, SLURM 或 LSF，

我的miniconda的安装目录是~/miniconda3, 所以hic-pro环境的实际路径是~/miniconda3/envs/hic-pro

make configure
make install

安装结束之后，/home/xzg/opt/bisofot文件夹下就出现了HiC-Pro_2.11.1，之后的软件调用方式为

~/opt/biosfot/HiC-Pro_2.11.1/bin/HiC-Pro -h

如果没有出现Error 就说明安装成功了。

处理流程

让我们新建一个项目文件夹，以一个测试数据集为例进行介绍。

下载测试数据并解压缩，该数据来自于Dixon et al. 2012 ， 使用HindIII 进行酶切

mkdir -p hic-pro && cd hic-pro
wget https://zerkalo.curie.fr/partage/HiC-Pro/HiCPro_testdata.tar.gz && tar -zxvf HiCPro_testdata.tar.gz

之后将测序结果移动或者软连接到fastq文件夹下

mkdir -p fastq
mv test_data/* fastq
ls fastq
# dixon_2M  dixon_2M_2

创建注释文件

为了处理原始数据，HiC-Pro需要三个注释文件

• BED文件，记录可能的酶切位点
• table文件，记录每条contig/scaffold/chromosome的长度
• bowtie2索引

其中BED文件和table文件必须要放在HiC-Pro_2.11.1/annotations目录下，该文件夹下已经有了人类hg19和小鼠mm10。 我们以GRCh38为例, 介绍如何创建这三个注释信息

# 切换目录
cd ~/opt/biosfot/HiC-Pro_2.11.1/annotation
# 下载GRCh38的序列
wget ftp://ftp.ensembl.org/pub/release-97/fasta/homo_sapiens/dna/Homo_sapiens.GRCh38.dna.primary_assembly.fa.gz
gunzip Homo_sapiens.GRCh38.dna.primary_assembly.fa.gz
# BED
~/opt/biosoft/HiC-Pro_2.11.1/bin/utils/digest_genome.py -r HindIII  -o GRCh38_HindIII.bed Homo_sapiens.GRCh38.dna.primary_assembly.fa
# chromosome size
seqkit fx2tab -nl Homo_sapiens.GRCh38.dna.primary_assembly.fa | awk '{print $1"\t"$2}' > GRCh38.chrom.size
# bowtie2 index
bowtie2-build --threads 20 Homo_sapiens.GRCh38.dna.primary_assembly.fa GRCh38

配置HiC-Pro

拷贝HiC-Pro的配置文件到项目文件夹下

cp ~/opt/biosfot/HiC-Pro_2.11.1/config-hicpro.txt .

修改配置文件config-hicpro.txt

# 线程数
N_CPU = 80
# bowtie2索引, 绝对路径
BOWTIE2_IDX_PATH = /home/xzg/opt/biosfot/HiC-Pro_2.11.1/annotation
# bowtie2索引时的前缀
REFERENCE_GENOME = GRCh38
# 参考基因组各染色体长度
# 绝对路径
GENOME_SIZE = /home/xzg/opt/biosfot/HiC-Pro_2.11.1/annotationGRCh38.chrom.size
# 酶切位点
# 绝对路径
GENOME_FRAGMENT = /home/xzg/opt/biosfot/HiC-Pro_2.11.1/annotationGRCh38_HindIII.bed
LIGATION_SITE = AAGCTAGCTT

对于LIGATION_SITE，不同酶切位点对应的序列为HindIII(AAGCTAGCTT), MboI(GATCGATC) , DpnII(GATCGATC), NcoI(CCATGCATGG)。

我们要修改的参数其实就是上面几个。当然该配置文件还有许多参数可以修改，具体见https://github.com/nservant/HiC-Pro/blob/master/doc/MANUAL.md

运行如下代码，启动分析项目

~/opt/biosoft/HiC-Pro_2.11.1/bin/HiC-Pro -i fastq -o results -c config-hicpro.txt

HiC-Pro会新建一个工作目录，results, 之后会遍历fastq目录，寻找其中的fastq文件，将其软连接到results下的rawdata, 之后就开始用bowtie2比对以及后续的分析。

测试数据代码运行到Run ICE Normalization就中断了，可能是用的参考基因组和原来的教程(hg19)不一样， 不过我自己的数据集是没有问题的。

最后的结果如下:

$ tree -L 2 results 
results
├── bowtie_results # 比对之后的输出 
│   ├── bwt2
│   ├── bwt2_global
│   └── bwt2_local
├── config-hicpro.txt
├── hic_results
│   ├── data # 有效配对
│   ├── matrix # contact maps
│   ├── pic # 可视化质控信息
│   └── stats #文字版质控信息
├── logs # 各种日志
│   ├── dixon_2M
│   └── dixon_2M_2
├── rawdata -> /home/xzg/project/Tutorial/hic-pro/fastq
└── tmp

一个关键的结果就是data文件里的以*.validPairs*结尾的文件，有7+1列，

read_name chr_reads1  pos_reads1  strand_reads1  chr_reads2  pos_reads2  strand_reads2  fragment_size [allele_specific_tag] 

此外，HiC-Pro提供了一个脚本用于将输出的allValidPairs转成JABT的输入

~/HiC-Pro_2.11.1/bin/utils/hicpro2juicebox.sh \
    -i hic_results/data/dixon_2M/dixon_2M.allValidPairs \
    -g /home/xzg/opt/biosfot/HiC-Pro_2.11.1/annotation/GRCh38.chrom.size \
    -j ~/opt/biosoft/juicer/scripts/common/juicer_tools.jar

最终会输出一个以.hic结尾的文件。

参考资料

• 官方手册: https://github.com/nservant/HiC-Pro/blob/master/doc/MANUAL.md
• 官方帮助文档: https://nservant.github.io/HiC-Pro/MANUAL.html
• Servant N., Varoquaux N., Lajoie BR., Viara E., Chen CJ., Vert JP., Dekker J., Heard E., Barillot E. HiC-Pro: An optimized and flexible pipeline for Hi-C processing. Genome Biology 2015, 16:259 doi:10.1186/s13059-015-0831-x