新冠病毒变异株核酸检测引物设计——代码实现2

2023-12-09 23:37:39

上一期代码实现1中，我们利用kermer的思路，通过条件语句得到两个数据集，一个集合为包含单一毒株所有基因序列的20bp片段，另一个集合为同时出现同一株所有（不同基因组）的基因组中，本期内容我们将得到能满足基本要求候选引物。

一、计算每个毒株kermer出现的百分比

上一期我们的想法比较理想化，使用“全”和“无”的思路去解决问题，事实上，我初步的结果无法满足我的要求。因此今天的文章我们做了更正，首先我们统计相应毒株kermer的序列在总kermer中出现的比例。

代码如下：

f = open("Alpha_kermer.txt","a+")
f.write("kermer" + "\t" + "genome" + "\t" + "used_genome" + "\t" + "kermer_number" + "\t" + "frequency" + "\t" + "freq_percent" + "\n")
k_number = 0
for key,value in bb:
  f.write(key + "\t" + str(i) + "\t" + str(ii) + "\t" + str(len(bb)) + "\t" + str(value) + "\t" + str('%.2f'%(value * 100 / ii)) + "%" + "\n")

f.close()

结果如下展示，从左到右分别是kermer序列，基因组数量，本次使用的基因组数量，kermer的总数，该kermer出现的次数，以及kermer出现的比例。

上图展示了Alpha毒株kermer的部分数据，其他毒株的结果使用查找替换上面的“Alpha”为相应的毒株名称即可。

二、计算单一毒株kermer在其他毒株kermer中出现的比例

f2 = open("Alpha_kermer.txt","r")
f4 = open("Beta_kermer.txt","r")
f6 = open("Gamma_kermer.txt","r")
f8 = open("Delta_kermer.txt","r")
Alpha_kermer = []
i = 0
for line in f2.readlines():
  i += 1
  if i > 1:
    Alpha_kermer.append(line.replace("\n",""))

f2.close()
Beta_kermer = []
i = 0
for line in f4.readlines():
  i += 1
  if i > 1:
    Beta_kermer.append(line.replace("\n",""))

f4.close()
Gamma_kermer = []
i = 0
for line in f6.readlines():
  i += 1
  if i > 1:
    Gamma_kermer.append(line.replace("\n",""))

f6.close()
Delta_kermer = []
i = 0
for line in f8.readlines():
  i += 1
  if i > 1:
    Delta_kermer.append(line.replace("\n",""))

f8.close()
f9 = open("Alpha_in_Beta_Gamma_Delta.txt","a+")
f9.write("A_kermer" + "\t" + "per_A_kermer" + "\t" + "per_B_kermer" + "\t" + "per_G_kermer" + "\t" + "per_D_kermer" + "\n")
for i in range(len(Alpha_kermer) - 1):
  Alpha = Alpha_kermer[i].split("\t")
  m = 0
  for ii in range(len(Beta_kermer) - 1):
    Beta = Beta_kermer[ii].split("\t")
    if Alpha[0] == Beta[0]:
      f9.write(Alpha[0] + "\t" + Alpha[5] + "\t" + Beta[5] + "\t")
    else:
      m += 1
       if m == (len(Beta_kermer) - 1):
        f9.write(Alpha[0] + "\t" + Alpha[5] + "\t" + "0.00%" + "\t")
  m = 0
  for ii in range(len(Gamma_kermer) - 1):
    Gamma = Gamma_kermer[ii].split("\t")
    if Alpha[0] == Gamma[0]:
      f9.write(Gamma[5] + "\t")
    else:
      m += 1
       if m == (len(Gamma_kermer) - 1):
        f9.write("0.00%" + "\t")
  m = 0
  for ii in range(len(Delta_kermer) - 1):
    Delta = Delta_kermer[ii].split("\t")
    if Alpha[0] == Delta[0]:
      f9.write(Delta[5] + "\n")
    else:
      m += 1
       if m == (len(Delta_kermer) - 1):
        f9.write("0.00%" + "\n")
f9.close()

结果如下图所示，从左到右分别是Alpha的kermer序列，以及其kermer在Alpha、Beta、Gamma、Delta中出现的比例。

上图展示了Alpha毒株kermer的部分数据，其他毒株的结果方法类似。

三、筛选高特异性的kermer

筛选方法为高频率出现在特定毒株而低频率出现在其他毒株的kermer。

f9 = open("Alpha_in_Beta_Gamma_Delta.txt","r")
Alpha = []
i = 0
for line in f9.readlines():
  i += 1
  if i > 1:
    Alpha.append(line.replace("\n",""))

f9.close()
f9_1 = open("Alpha_little_in_Beta_Gamma_Delta.txt","a+")
f9_1.write("A_kermer" + "\t" + "per_A_kermer" + "\t" + "per_B_kermer" + "\t" + "per_G_kermer" + "\t" + "per_D_kermer" + "\n")
for i in range(len(Alpha) - 1):
  Alpha_little = Alpha[i].split("\t")
  if (float(Alpha_little[1].replace("%","")) > 95) & (float(Alpha_little[2].replace("%","")) < 5) & (float(Alpha_little[3].replace("%","")) < 5) & (float(Alpha_little[4].replace("%","")) < 5):
    f9_1.write(Alpha[i] + "\n")

f9_1.close()

结果如下图所示：

四、筛选候选引物

以每个毒株的第一条序列作为索引的模板，将其分成20bp的kermer片段纳入数组中，那么其中第一个元素索引为0，第二个元素索引为1，第n个元素索引为n-1，那么，引物所扩增的产物大小应该在75-250bp之间，所以Forward Primer和Reverse Primer的索引数值的关系为：75 < Fm - Rn + 20 < 250，其中m、n分别为前引物和后引物索引值。

引物筛选另外一个要考虑的是序列的Tm值，PCR扩增时的退火温度跟Tm值息息相关，Tm值叫做熔解温度（melting temperature,Tm）是指吸光值增加到最大值的一半时的温度称为DNA的解链温度或熔点。通俗讲Tm值是DNA的熔解温度，是DNA变性过程中紫外吸收达到最大值一半时的温度。不同序列的DNA，Tm值不同，DNA中C-G含量越高，Tm值就越大，当核苷酸长度小于等于20bp时，其计算公式为Tm = 4℃(G + C)+ 2℃(A + T)，公式中A、G、C、T表示碱基的数量，一般qpcr扩增程序如下所示：

防污染阶段：50度2min

预变性阶段：95度10min

变性和延伸阶段：95度10s，60度40s，记录荧光信号，40个循环

Tm值通常比退火温度高2度左右，也就是在62度左右，一般我们设置一个比较宽泛的范围如50度到70度之间。

除此之外，引物要求5‘端以“A”或“T”开始，3’端以“C”或“G结尾，并且序列中不能有连续”A“或”G“或”C“或”T“，完成上述要求的python程序语言如下：

Alpha_only = []
f9_1 = open("Alpha_little_in_Beta_Gamma_Delta.txt","r")
n = 0
for line in f9_1.readlines():
  n += 1
  if n > 1:
    Alpha_element = line.replace("\n","").split("\t")
    Alpha_only.append(Alpha_element[0])

f9_1.close()

AA = len(Alpha_only)
Alpha0 = []
i = 0
a = ""
f = open("/home/lxh/Alpha.fasta","r")
for line in f.readlines():
  if ">" in line:
    i += 1
    Alpha0.append(a)
    a = ""
  if ">" not in line:
    a += line.replace("\n","")

del Alpha0[0]
f.close()
Alpha0_kermer = []
for mm in range(len(Alpha0[0]) - 20):
  Alpha0_kermer.append(Alpha0[0][mm:(20 + mm)])

index_Alpha = {} 
for i in range(AA - 1):
  index = Alpha0_kermer.index(Alpha_only[i])
  index_Alpha[Alpha_only[i]] = index

index_sort_A = sorted(index_Alpha.items(),key = lambda x:x[1],reverse = False)

Alpha_num = []
for x,y in index_sort_A:
  Alpha_num.append(y)

f_primer = open("Alpha_primer.txt","a+")
NN = len(Alpha_num)
for e in range(NN - 1):
  mgb = ''.join(Alpha0_kermer[Alpha_num[e]])
  A = mgb.count("A")
  G = mgb.count("G")
  C = mgb.count("C")
  T = mgb.count("T")
  Tm1 = 4 * (G + C) + 2 * (A + T)
  if (Tm1 < 70) & (Tm1 > 50) & ("AAA" not in mgb) & ("GGG" not in mgb) & ("CCC" not in mgb) & ("TTT" not in mgb) & ((mgb[0] == "A") or (mgb[0] == "T")) & ((mgb[19] == "C") or (mgb[19] == "G")):
    number = 0
    for r in range((e + 1),NN):
      if ((Alpha_num[r] - Alpha_num[e]) > 55) & ((Alpha_num[r] - Alpha_num[e]) < 230): 
        mgb = ''.join(Alpha0_kermer[Alpha_num[r]])
        A = mgb.count("A")
        G = mgb.count("G")
        C = mgb.count("C")
        T = mgb.count("T")
        Tm2 = 4 * (A + T) + 2 * (G + C)
        if (Tm2 < 70) & (Tm2 > 50) & (abs(Tm2 - Tm1) < 10) & ("AAA" not in mgb) & ("GGG" not in mgb) & ("CCC" not in mgb) & ("TTT" not in mgb) & ((mgb[0] == "C") or (mgb[0] == "G")) & ((mgb[19] == "A") or (mgb[19] == "T")):
          number += 1
          f_primer.write(Alpha0_kermer[Alpha_num[r]] + "\n")
    if number > 0:
      f_primer.write("<" + Alpha0_kermer[Alpha_num[e]] + ">" + "\n" + str(number) + "\n")

f_primer.close()

如果候选引物序列少或者不存在，可适当对上述部分要求放宽松。

下面展示其中一个候选特异性检测Alpha毒株的引物：

Forward_Primer: 5'-ACAGTCATGTACTTAACATC-3'

Reverse_Primer: 5'-TTACCGATATCGATGCACTG-3'

扩增序列（168bp）为：

ACAGTCATGTACTTAACATCAACCATATGTAGTTGATGACCCGTGTCCTATTCACTTCTATTCTAAATGGTATATTAGAGTAGGAGCTATAAAATCAGCACCTTTAATTGAATTGTGCGTGGATGAGGCTGGTTCTTAATCACCCATTCAGTGCATCGATATCGGTAA

五、引物验证——特异性检验

物种特异性检验——NCBI blast

national center for biotechnology information,简称NCBI，是生命科学最重要的数据库之一，包含发表的文章、各种序列、结构等，还有其附加功能如：比对、注释信息、分类信息、SNP分析、引物在线设计等功能。我们利用NCBI的blast功能进行引物的比对，看其是否会mapping到其他物种。

比对结果全部为新冠基因组，特异性很好！一个检测新冠变异株试剂盒的研发项目，其最基础也是最重要的部分就完成了。

码农公寓

相关文章