Hybrid metagenomic assembly enables high-resolution analysis of resistance determinants and mobile elements in human microbiomes

计算生物学 微生物群 基因组 生物 基因组 纳米孔测序 人类微生物组计划 顺序装配 流动遗传元素 遗传学 基因 转录组 基因表达
作者
Denis Bertrand,Jim Shaw,Manesh Kalathiyappan,Amanda Hui Qi Ng,M. S. Binoj Kumar,Chenhao Li,Mirta Dvorničić,Janja Paliska Soldo,Jia Yu Koh,Chengxuan Tong,Oon Tek Ng,Timothy Barkham,Barnaby Edward Young,Kalisvar Marimuthu,Kern Rei Chng,Mile Šikić,Niranjan Nagarajan
出处
期刊:Nature Biotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:37 (8): 937-944 被引量:302
标识
DOI:10.1038/s41587-019-0191-2
摘要

Characterization of microbiomes has been enabled by high-throughput metagenomic sequencing. However, existing methods are not designed to combine reads from short- and long-read technologies. We present a hybrid metagenomic assembler named OPERA-MS that integrates assembly-based metagenome clustering with repeat-aware, exact scaffolding to accurately assemble complex communities. Evaluation using defined in vitro and virtual gut microbiomes revealed that OPERA-MS assembles metagenomes with greater base pair accuracy than long-read (>5×; Canu), higher contiguity than short-read (~10× NGA50; MEGAHIT, IDBA-UD, metaSPAdes) and fewer assembly errors than non-metagenomic hybrid assemblers (2×; hybridSPAdes). OPERA-MS provides strain-resolved assembly in the presence of multiple genomes of the same species, high-quality reference genomes for rare species (<1%) with ~9× long-read coverage and near-complete genomes with higher coverage. We used OPERA-MS to assemble 28 gut metagenomes of antibiotic-treated patients, and showed that the inclusion of long nanopore reads produces more contiguous assemblies (200× improvement over short-read assemblies), including more than 80 closed plasmid or phage sequences and a new 263 kbp jumbo phage. High-quality hybrid assemblies enable an exquisitely detailed view of the gut resistome in human patients. A more accurate metagenomics approach uses a hybrid assembler to incorporate short- and long-read sequences.
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