该文档可以帮助读者入门 Linux 系统，掌握常用命令和多种软件安装方式。此外还简述了全基因组测序技术，希望读者可以通过此文档初步了解生物信息学。

# Linux 初识

# 目录结构与路径

# 根目录

根目录（root）是系统最顶级目录，以 “/” 表示，其他目录均为根目录的下级目录。

# 家目录

家目录（home）是用户的最顶级目录，以 “~/” 表示，用户所有的目录均为家目录的下级目录。

# 绝对路径

绝对路径指的是目录或文件的绝对位置，是从根目录开始的完整路径，如 “/home/bio/”。可通过 “pwd” 命令获取当前目录的绝对路径。

# 相对路径

相对路径不需要从根目录开始，只要指定与当前目录的相对位置即可。

# 当前目录

当前所在的路径，以 “./“表示。

# 上级目录

也称为父目录，以 “../“表示向上一级的目录，以 “../../” 表示向上两级的目录，以此类推。

# 命名法则

• 文档与目录均以英文命名，可使用字母、数字和下划线；
• 文档与目录的名称不允许存在空格；
• 名称区分大小写。

# 终端工具

终端（terminal）是运行 Linux 命令的工具，类似于 Windows 的命令行工具。Linux 各发行版均自带终端。

远程操控 Linux 服务器时，可以使用第三方的终端工具，如 PuTTy 软件。输入 IP 地址即可远程登录服务器运行命令。

本地计算机与服务器之间的文件传输可以通过 FTP 软件实现，如 FileZilla。输入服务器的 IP 地址、用户名、密码以及端口即可链接服务器。如果服务器采用的时 FTP 协议，则端口填写 21，若采用的是 SFTP 协议，则端口设置为 22。

# 常用的命令

pwd： 获取当前位置的绝对路径

$ pwd

mkdir： 创建目录

$ mkdir

ls： 查看当前目录包含的内容

$ ls

查看所有的目录和文件（包含隐藏的内容）

$ ls -a

查看根目录所含内容

$ ls /

查看家目录所含内容

$ ls ~/

cd： 切换路径

进入 “tools” 目录

$ cd tools

vim： 创建 / 编辑文档

以下所有操作均需在英文输入法状态下进行。首先创建一个新文档 “example.txt”，并输入内容。

$ vim example.txt

此时无法输入内容，需要按一下字母 “i” 键切换到输入模式。当左下角出现 “--NSERT --” 字样时，可以输入文字。

输入相关的内容。

输入完毕时需要先按一下 “ESC” 键退出编辑模式，此时 “--NSERT --” 字样消失。

按住组合键 “shift + :” 切换到 vim 操作模式，此时左下角出现一个 “:”。

输入 “wq!” 保存修改并退出。

查看创建的文件是否在于目录下。

$ ls

cp： 复制目录或文件

将创建的 “example.txt” 文档复制到上一级目录下。

$ cp example.txt ../

查看上一级目录下是否存在刚刚复制的文档。

$ ls ../

rm： 删除目录或文件

删除 tools 目录下的 “example.txt” 文档。

$ rm example.txt

查看文档是否被删除。

$ ls

mv： 移动 / 重命名

将上一级目录下的 “example.txt” 文档移动到当前目录下。

$ mv ../example.txt ./

查看文档是否移动成功。

$ ls ../

$ ls

将 “example.txt” 文档重命名为 “examp2.txt”。

$ mv example.txt examp2.txt

查看重命名结果。

wget： 下载

使用 wget 工具下载基因组拼接软件 “AbySS” 到 tools 目录下。

$ wget http://www.bcgsc.ca/platform/bioinfo/software/abyss/releases/2.1.5/abyss-2.1.5.tar.gz

tar： 压缩 / 解压缩

tar.gz 格式的文件可用 “tar zxvf” 进行解压，将刚才下载的 “abyss-2.1.5.tar.gz” 解压缩。

$ tar zxvf abyss-2.1.5.tar.gz

top： 查看系统进程

$ top

按字母键 “q” 退出。Ubuntu 还带有另一个更加直观的查看系统进程的工具 “htop”。

$ htop

# 环境变量

在软件安装的时候经常需要设置环境变量，所谓的环境变量就是告诉计算机软件的安装位置。存放环境变量的文件在用户的家目录下，为隐藏文件，可通过 “ls -a” 命令查看。

$ ls -a ~/

“.bashrc” 和 “.profile” 均为环境变量配置文件，通常我们只需要编辑 “.bashrc”。

# 软件安装

# 源码编译安装

源码安装适合于所有的 Linux 发行版以及 macOS。以刚下载的 “AbySS” 基因组拼接软件为例演示源码编译安装，一共分三步：配置（./configure）、编译（make）和安装（sudo make install）。首先进入 “AbySS” 软件目录下，并查看目录中的文件，找到配置文件 “configure”，根据 “README.md” 中的指示对软件进行配置。

$ cd abyss-2.1.5/

$ ls

“./configure” 表示运行 configure 进行安装前配置。

$ ./configure

进行编译

$ make

进行安装，需要 “sudo” 命令提供对系统目录的写入权限。

$ sudo make install

注意： 以上只演示了一般的安装方法，但是 “AbySS” 软件依赖其他的一些软件，需要先安装依赖包，最后安装 “AbySS”，否则会安装失败。

# 通过包管理工具安装

不同的 Linux 发行版具有各自的软件包管理器。目前常用的 Linux 发行版主要是基于 “RedHat” 和 “Debian” 而制作的。
RedHat 系列的包管理器为 “yum”，使用方法为在终端输入 “sudo yum install -y 软件名称”。

Debian 系列的包管理器为 “apt-get”，使用方法为在终端输入 “sudo apt-get install 软件名称”。

示例：通过 apt-get 在 Ubuntu 中安装 AbySS 软件，输入命令和密码后，根据提示输入 “Y” 并按回车键进行自动安装。

$ sudo apt-get install abyss

# 添加环境变量

以原核生物基因预测软件 “Prodigal” 为例演示。首先在 Github 上找到 prodigal 的源码，点击 “Clone or download”，并按照图示点击链接右侧的图标以复制 git 地址。

在终端中进入 tools 目录，并输入克隆命令将项目克隆到本地计算机。命令公式为 “git clone link”。

$ git clone https://github.com/hyattpd/Prodigal.git

克隆完成后进入 “Prodigal” 目录。

$ cd Prodigal

编译软件

$ make

报错信息提示找不到 gcc 命令，因此需要首先安装 gcc，输入命令后根据提示输入密码，直至安装完成。

$ sudo apt-get install gcc

重新编译 prodigal

$ make

$ ls

编译完成后得到了可执行程序，但是系统无法找到 prodigal 的路径，因此需要我们将其所在的路径加入到环境变量中。通过 vim 打开环境变量配置文件 “.bashrc”，进入编辑模式。

$ vim ~/.bashrc

在文档末尾添加配置语句 “export PATH=$PATH:$HOME/tools/Prodigal” 。$HOME 代表家目录，“$HOME/tools/Prodigal” 代表 prodigal 可执行程序所在的目录。

编辑完成后保存并退出。然后执行 “source ~/.bashrc” 命令刷新，通知系统 “.bashrc” 文档已经更改。

$ source ~/.bashrc

测试配置是否成功。

$ prodigal -h

若要将其他软件加入到环境变量，只需在后面加入其他软件所在路径即可，各软件的路径间以英文 “:“分割，不得有空格。下图为将多个软件加入到环境变量的示例。

# 创建软链接

软链接（Soft Link）相当于 Windows 系统中的快捷方式，可以将可执行程序的软链接存放至系统默认的环境变量之中，如 “/usr/bin/” 或 “/usr/local/bin” 之中。仍旧以刚编译好的 prodigal 软件为例，创建软链接的公式为 “sudo ln -s /home/bio/tools/Prodigal/prodigal /usr/local/bin/prodigal” ，根据提示输入密码完成创建。

$ sudo ln -s /home/bio/tools/Prodigal/prodigal /usr/local/bin/prodigal

通过 “whereis” 命令查看软链接是否创建成功。

$ whereis prodigal

注意： 创建软链接时要输入绝对路径，否则会报错 “Too many levels of symbolic links”。

# 通过 Anaconda 包管理器进行安装

Anaconda 是一款比较易用的跨平台软件包管理器，Bioconda 是 conda 的一个通道，专门管理生物信息学软件。通过 conda 安装软件时可以一键安装所有的依赖包，大大节约了时间并降低了安装难度。Bioconda 目前有超过 600 个贡献者和 500 个成员，大部分生物信息学软件都被包含其中。用户可以到其官网搜索需要的软件是否被囊括其中。

（1）安装 conda

此处，我们安装 Miniconda，进入官网，选择适应自身系统及 python 版本的安装文件。

查看系统 python 版本

$ python -v

可以看出该系统已经安装了 python3，因此下载 Linux Python 3.7 64-bit (bash installer)。右键单击相应安装包获取链接，使用 wget 下载至 tools 目录下。建议用户安装 Python 3，因为 Python 软件基金会将于 2020 年元旦停止对 Python 2 的维护（https://pythonclock.org/）。

$ wget https://repo.anaconda.com/miniconda/Miniconda3-latest-Linux-x86_64.sh

开始安装 Miniconda

$ bash Miniconda3-latest-Linux-x86_64.sh

根据提示按 “Enter” 键查看 license，并输入 “yes” 按 “Enter” 继续，按 “Enter” 确认安装位置，miniconda 被安装到家目录下的 miniconda3 目录中。最后输入 “yes”，按 “Enter” 进行初始化。最后，通过 “source ~/.bashrc” 命令刷新。

（2）设置 bioconda channel

在终端中输入以下三条命令添加 channels：

$ conda config --add channels defaults

$ conda config --add channels bioconda

$ conda config --add channels conda-forge

至此，bioconda 配置完毕，可以通过 conda 安装生物信息学软件。下面通过 conda 安装 mapping 软件 “bwa”。

$ conda install bwa

根据提示输入 “y” 完成安装。

# MacOS 相关操作

MacOS 与 Linux 系统相似，基本命令相同，但是软件安装存在一些差异。

# MacOS 安装生物信息学软件

# 源码安装

源码安装方式与 Linux 安装方式一致。

# 创建软链接

配置方法与 Linux 一致。

# 环境变量

MacOS 环境变量配置方法与 Linux 配置方法一致，但配置文件为家目录下的 “.bash_profile”，即运行如下命令进行编辑。

$ vim ~/.bash_profile

编辑完成并保存后需要运行 source 命令。

$ source ~/.bash_profile

# 包管理器

MacOS 的软件包管理器为 Homebrew，可以在终端中通过以下命令安装 Homebrew。

$ ruby -e "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/master/install)"

通过 Homebrew 安装 mapping 软件 “bwa”。

$ brew install bwa

# MacOS 配置 Anaconda

安装 Miniconda

$ wget https://repo.anaconda.com/miniconda/Miniconda3-latest-MacOSX-x86_64.sh

$ sh Miniconda3-latest-MacOSX-x86_64.sh

添加 Bioconda 通道

$ conda config --add channels defaults

$ conda config --add channels bioconda

$ conda config --add channels conda-forge

安装软件 bwa

$ conda install bwa

# 现代测序技术

# 二代测序 ("Next-generation" sequencing technology)

第二代测序技术的核心思想是边合成边测序（Sequencing by Synthesis），即通过捕捉新合成的末端的标记来确定 DNA 的序列。应用最广的技术平台主要为 Illumina 公司的产品。其优点为高通量、错误率低、成本低等。

• Illumina 测序中的几个名词
• Read length： 测序的 DNA 片段的碱基长度。
• Insert size： 双端测序时接头（adapter）中间序列的长度。
• Junction： insert 序列中间未被测序的部分。
• Flowcell： 是指 Illumina 测序时，测序反应发生的位置，1 个 flowcell 含有 8 条 lane。
• Lane： 每一个 flowcell 上都有 8 条泳道，用于测序反应，可以添加试剂，洗脱等等。
• Raw data： 测序完成后未去接头、引物以及去除低质量序列的数据。
• Clean data： 去除 Raw data 中的接头序列、linker、低质量 reads、长度较短的 reads 及核糖体 RNA 和 ncRNA 产生的 reads。
• 数据量： read 长度乘以 reads 数目。

# 三代测序

三代测序又称为单分子测序，测序过程无需进行 PCR 扩增，可以产生超长的 reads，因此能够跨越高 GC 含量区域和高度重复区域。目前常用的测序平台包括 Pacific Biosciences（PacBio）和 Oxford Nanopore。

PacBio 以 SMRT Cell 为载体进行测序反应，SMRT Cell 是一张带有纳米孔的超薄金属片。PacBio 采用边合成便测序的方式，测序反应在纳米孔中进行，一个纳米孔中固定一个 DNA 聚合酶和一条 DNA 模板。延伸反应的过程中检测 dNTP 荧光信号以确定碱基顺序。

Oxford 开发的纳米单分子测序技术属于真正的实时测序，它基于电信号来判读碱基。

# 常见序列格式

# Fastq

我们得到的下机序列一般为 fastq 格式，每一条 read 包含 4 行，第一行为测序仪器信息以及测序信息，第二行为碱基序列，第三行一般无信息，第四行为对应第二行中每个碱基的测序质量信息。

# Fasta

FASTA 格式为文本文档，内含核苷酸或氨基酸序列以及其 IDs。每条序列包含两部分，第一部分为 ID 及注释信息，以 ">" 开头，at the start, 第二部分为核苷酸序列或氨基酸序列。

# Genbank

GenBank 格式包含了基因组序列和注释信息。

# GFF3

GFF3 (Generic Feature Format version 3) 格式描述了序列的特征，每一行含有 9 列数据，列与列之间以制表符分割。

# 基因组拼接基本概念

# 测序深度

测序深度（Sequencing depth）指测序得到的总碱基数（read 长度 x reads 数目）与待测基因组大小的比值。假设一个基因组大小为 2M，测序深度为 10X，那么获得的总数据量为 20M。

# 测序覆盖度

指测序获得的序列占整个基因组的比例。由于基因组中的高 GC、重复序列等复杂区域的存在，测序获得的序列经常无法覆盖基因组上所有的区域。例如覆盖度是 96%，表明还有 4% 的序列区域未测到。

# Read、Contig、Scaffold

测序得到的序列被称作 reads，在一个 read 中连续的 N 个碱基所组成的序列称作 k-mer，把 k-mer 集合拼接起来形成的长 DNA 序列称为 contig。通过 pair ends 信息将 contigs 按顺序进行排列得到 scaffold。

# N50

将 contigs 或 scaffolds 根据长度从大到小排列并累加，当其累计长度达到全部组装序列总长度的 50% 时，加上去的最后一个 contig 或 scaffold 的大小即为 N50 的大小，N50 是评价基因组拼接质量的重要参数。

# 参考文献

Besser J, Carleton HA, Gerner-Smidt P, Lindsey RL, Trees E. Next-generation sequencing technologies and their application to the study and control of bacterial infections. Clinical Microbiology and Infection, 2018, 24: 335-341