NGS基础 - GTF/GFF文件格式解读和转换

生物信息学习的正确姿势

NGS系列文章包括NGS基础、在线绘图、转录组分析（Nature重磅综述|关于RNA-seq你想知道的全在这）、ChIP-seq分析（ChIP-seq基本分析流程）、单细胞测序分析 (重磅综述：三万字长文读懂单细胞RNA测序分析的最佳实践教程)、DNA甲基化分析、重测序分析、GEO数据挖掘（典型医学设计实验GEO数据分析 (step-by-step)）、批次效应处理等内容。

GFF 文件

GFF全称为general feature format，这种格式主要是用来注释基因组。

从 Ensembl 导出的GFF文件示例：

X    Ensembl    Repeat    2419108    2419128    42    .    .    hid=trf; hstart=1; hend=21
X    Ensembl    Repeat    2419108    2419410    2502    -    .    hid=AluSx; hstart=1; hend=303
X    Ensembl    Repeat    2419108    2419128    0    .    .    hid=dust; hstart=2419108; hend=2419128
X    Ensembl    Pred.trans.    2416676    2418760    450.19    -    2    genscan=GENSCAN00000019335
X    Ensembl    Variation    2413425    2413425    .    +    .
X    Ensembl    Variation    2413805    2413805    .    +    .

GFF文件是以tab键分割的9列组成，以下为每一列的对应信息：

seq_id：序列的编号，一般为chr或者scanfold编号；
source: 注释的来源，一般为数据库或者注释的机构，如果未知，则用点“.”代替
type: 注释信息的类型，比如Gene、cDNA、mRNA、CDS等;
start: 该基因或转录本在参考序列上的起始位置；(从1开始，包含);
end: 该基因或转录本在参考序列上的终止位置；(从1开始，包含);
score: 得分，数字，是注释信息可能性的说明，可以是序列相似性比对时的E-values值或者基因预测是的P-values值，.表示为空;
strand: 该基因或转录本位于参考序列的正链(+)或负链(-)上;
phase: 仅对注释类型为“CDS”有效，表示起始编码的位置，有效值为0、12. (对于编码蛋白质的CDS来说，本列指定下一个密码子开始的位置。每3个核苷酸翻译一个氨基酸，从0开始，CDS的起始位置，除以3，余数就是这个值，，表示到达下一个密码子需要跳过的碱基个数。该编码区第一个密码子的位置，取值0,1,2。0表示该编码框的第一个密码子第一个碱基位于其5’末端；1表示该编码框的第一个密码子的第一个碱基位于该编码区外；2表示该编码框的第一个密码子的第一、二个碱基位于该编码区外；如果Feature为CDS时，必须指明具体值。)；
attributes: 一个包含众多属性的列表，格式为“标签＝值”(tag=value)，以多个键值对组成的注释信息描述，键与值之间用“=”，不同的键值用“；”隔开，一个键可以有多个值，不同值用“,”分割。注意如果描述中包括tab键以及“，= ；”，要用URL转义规则进行转义，如tab键用代替。键是区分大小写的，以大写字母开头的键是预先定义好的，在后面可能被其他注释信息所调用。

预先定义的键主要包括：

ID：注释信息的编号，在一个GFF文件中必须唯一；

name：注释信息的名称，可以重复；Alias：别名；Parent > >

Indicates：该注释所属的注释，值为注释信息的编号，比如外显子所属的转录组编号，转录组所属的基因的编号。

Parent指明feature所从属的上一级ID，用于将exons聚集成transcript，将transripts聚集成gene，值可以为多个；

Target 指明比对的目标区域，一般用于表明序列的比对结果。格式为 “target_idstart end [strand] ,其中strand是可选的(“+”或”-”),target_id中如果包含空格，则要转换成’ ‘。

Gap：T比对结果的gap信息，和Target一起，用于表明序列的比对结果。Derives_from：Note:备注;Dbxref:数据库索引。

GTF 文件

GTF全称为gene transfer format，主要是用来对基因进行注释。

从 Ensembl 导出的 GTF 文件示例：

1 transcribed_unprocessed_pseudogene  gene        11869 14409 . + . gene_id "ENSG00000223972"; gene_name "DDX11L1"; gene_source "havana"; gene_biotype "transcribed_unprocessed_pseudogene";
1 processed_transcript                transcript  11869 14409 . + . gene_id "ENSG00000223972"; transcript_id "ENST00000456328"; gene_name "DDX11L1"; gene_sourc e "havana"; gene_biotype "transcribed_unprocessed_pseudogene"; transcript_name "DDX11L1-002"; transcript_source "havana";

当前所广泛使用的GTF格式为第二版(GTF2)，它主要是用来描述基因的注释。GTF格式大部分与GFF相同，但有两个硬性标准：

feature types是必须注明的;
第9列必须以gene_id以及transcript_id开头。而且GTF文件的第9列同GFF文件不同，虽然同样是标签与值配对的情况，但标签与值之间以空格分开，且每个特征之后都要有分号;(包括最后一个特征);

gene_id “geneA”;transcript_id “geneA.1”;database_id “0012”;modified_by “Damian”;duplicates 0;

GFF 文件与 GTF 文件相互转换

使用Cufflinks里面的工具gffread

#gff2gtf
gffread my.gff3 -T -o my.gtf
#gtf2gff
gffread merged.gtf -o- > merged.gff3

GTF 文件中提取转录本序列(.fa)

Cufflink中的gffread

gffread transcripts.gtf –g genome.fa –w transcripts.output.fa
# 获取CDS序列
gffread transcripts.gtf –g genome.fa -x cds.output.fa
# 获取蛋白序列
gffread transcripts.gtf –g genome.fa -y protein.output.fa

Tophat中的gtf_to_fasta

gtf_to_fasta transcripts.gtf genome.fa out_file

使用前先仔细阅读各个参数的意思，选择适合你的需要的参数

获取启动子区序列

注意正负链基因转录起始位点的确定

基因组版本信息对应

具体见这个链接：https://genome.ucsc.edu/FAQ/FAQreleases.html

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