背 景

  在基因组分析领域的很多不同场景中，需要合并VCF文件。

  VCF文件。简单来说，就是记录样本基因型的文件。但多数VCF文件不只记录了基因型，也包含有关该基因型的来源的细节。

  其它文件。VCF文件的上游是BAM文件，主要记录Reads与参考基因组的比对信息；更上游的，就是FASTQ测序数据，以及物种的参考基因组。

  不同类型的VCF文件。VCF文件有单样本的、多样本的；也有普通VCF文件 (只记录变异，未测到的、野生型的都不记录)，及GVCF文件 (野生型的、变异的都记录，未测到的不记录)。

一个典型的GVCF文件

  因此，本篇文章的使用者，需要首先了解GVCF文件与普通VCF文件的不同。因为二者对应的生信处理方法也非常不同。但具体有哪些不同，这里不再继续讲，可自行在网络资源上按照相应的关键词检索。

  合并VCF文件需要注意的问题。VCF文件有时是多个样本、多个个体、或多个病例的合并；有时是不同染色体区域的VCF合并。上述每个场景都涉及不同的软件、程序，甚至算法，需要非常小心、谨慎地操作。

合并：不同样本的GVCF文件

  GATK的CombineGVCFs  + GenotypeGVCFs

  上面2个程序是一套组合，不可拆分，不可单独使用。

  那为什么GATK开发者将二者分开呢，推测有两个原因：① 二者分别有些特定的参数；② 第1个程序非常耗时，第2个程序相对较快、但算法复杂。这个问题对使用者也无关紧要。

# 合并队列中每个样本的每一个变异 (GVCF文件)
gatk CombineGVCFs \
    -R $ref \
    $(for i in `tail -n +2 metadata.txt | cut -f 1 `; do echo "--variant ${i}.hg38.raw.g.vcf " ;done) \
    -O cohort.g.vcf.gz
# 获取具体基因型，完成变异Calling
gatk  GenotypeGVCFs \
     -R $ref \
     --dbsnp ${dbSNP} \
     --variant cohort.g.vcf.gz \
     -O Genotype.cohort.dbSNP.g.vcf

  当样本很多、数据量也大时，CombineGVCF程序很消耗内存，并且一旦中断（文件不全）就得重新来。其"-L"参数 (如"-L chr1:1-10000") 也不推荐使用 (否则GenotypeGVCFs步骤可能报错)，但"-L chr1"没问题。

  解决方法：① 限制内存：用"--java-option Xmx20g"等；② 分染色体，用"-L chrX"等。③ 组合使用①和②。

  需要了解的是，GenomicsDB可以替代：CombineGVCFs  + GenotypeGVCFs，将多个样本GVCF处理生成一起的工作空间。两种方案各有各的优缺点。

  根据GATK官网的描述，GenomicsDB更适用于几百个样本以上的情形。

合并：不同染色体区域的VCF文件

cat chr.list.25 
# chr1
# chr2
# chr3
# ...
# chr22
# chrX
# chrY
# chrM
gatk MergeVcfs \
   $(for i in `cat chr.list.25 | cut -f 1 `; do echo "-I Genotype.cohort.${i}.dbSNP.g.vcf " ;done) \
   -O Genotype.cohort.dbSNP.g.vcf

  MergeVcfs与CombineGVCFs不同。前者用于单纯地合并：样本相同、位点独立的VCF文件。如：同一个(或一组)样本的不同染色体的结果。

  不像CombineGVCFs，MergeVcfs不做"gVCF block"的计算。此外MergeVcfs会检测两个VCF文件里的样本名是否相互"match"。

  如果只查看MergeVcfs程序的介绍，根本看不出来它的用法的特点 (例如：对GVCF文件的合并可能无效)，那么必然容易踩坑：

MergeVcfs (Picard) - Combines multiple variant files into a single variant file. 

  事实上，MergeVcfs及其等价的程序 (GatherVcfs) 不可用于合并不同样本的GVCF文件。但用来合并不同基因组区域的文件非常方便。

  此场景除了MergeVcfs、GatherVcfs外的其它程序：

vcf-concat      sample1.chr1.vcf sample.chr2.vcf ... > sample1.chrAll.vcf
bcftools concat sample1.chr1.vcf sample.chr2.vcf ... -o sample1.chrAll.vcf

  其中，通过conda安装的vcftools，可能不带vcf-concat等程序。从这一点看，bcftools更方便。

  1个经验是：既然有GATK的MergeVcfs可用，那就尽量不用vcftools或bcftools，否则可能踩到另一个坑：不同程序对VCF文件的索引格式的要求不同、VCF的"FORMAT"列等也可能改变。

合并：不同样本的普通VCF文件

  普通VCF文件只记录变异，即：① 无0/0基因型 (测序测到了、但未变异，即"Wild type") ；② 无"./."基因型 (即"缺失"，测序未测到，即"No call") 。

  对不同样本的⽂件合并，共有位点会合并、统计；非共有位点若在某1个样本中无变异，则会⾃动记为缺失 ("./.") 。

1个典型的普通VCF文件 (只查看了第9、10列)

vcftools和bcftools在使用之前一般都需要对VCF文件：压缩、索引 (略)。

vcf-merge # 略 (对于连软件安装都麻烦的程序)
bcftools sample1.vcf sample2.vcf ... -o sample.all.vcf

vcf-merge重新计算了AC、AN等指标的值

合并分型质量 ("QUAL"列) 时，vcf-merge取了平均取值，bcftools取了最⼤值， (下图的)gatk CombineVariants (不是CombineGVCFs，也不是MergeVcfs/GatherVcfs)取了最⼩值 (gatk4)

图片来源：https://wenku.baidu.com/view/a0ecad5602f69e3143323968011ca300a7c3f643.html

gatk CombineVariants (GATK4已无此程序)

# 压缩、索引单个VCF文件
ls sorted.*.vcf | while read id;do
 bcftools view $id -Oz -o $id.gz
 bcftools index $id.gz
done
# 合并
bcftools merge --threads 8 -m id -O z sorted.*.vcf.gz \
  -o bcftools.merged.103samps.vcf.gz
 # -m, --merge (关于多等位基因)Allow multiallelic records for <snps|indels|both|all|none|id>, see man page for details [both]
 # -O, --output-type <b|u|z|v> 'b' compressed BCF; 'u' uncompressed BCF; 'z' compressed VCF; 'v' uncompressed VCF [v]
  # gVCF参数（可能不适用于gVCF文件）：
  # -g, --gvcf <-|ref.fa> merge gVCF blocks, INFO/END tag is expected. Implies -i QS:sum,MinDP:min,I16:sum,IDV:max,IMF:max
# 测试某个位点
  # zcat bcftools.merged.103samps.vcf.gz | grep '1        12626   '
  # 有返回结果。但无DP等信息
# 索引合并后的文件
bcftools index bcftools.merged.103samps.vcf.gz &

  bcftools merge虽然有"--gvcf"参数，但根据之前的测试，可能不适用于对gVCF文件的合并。

总 结

  总之，① 合并VCF文件要区分其文件类型，如：是否为gVCF文件，是否为基因组的不同区域，其内部的样本名称等；② 考虑到整个流程的兼容性和流畅性，建议当GATK有相应的工具时，优先使用之；③ 其它场景可依次考虑：bcftools、vcftools。

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