生信流程全自动化方案

分享一下当前接触和应用的生信流程自动化分析的实现

经验一

前言

19年底刚到厦门的时候，接触了一家跟临床医院合作，提供罕见病基因检测服务的公司，生信主要对二代 DNA 杂交捕获的测序数据进行分析，人工操作步骤大致如下：

• 拿到实验室做好的样本信息
• 待测序公司返回数据后，需要第一时间进行 fq 数据的下载
• 根据样本分析类型，拷贝对应的 demo 分析流程
• 根据样本的实际信息，修改分析流程中对应的参数配置
• 提交分析，等待分析完成后检查分析结果
• 数据没问题了就把数据拷贝到指定路径下，交付给下游部门

刚上手分析时，这一整套操作下来就占据了半天的时间了，当分析流程还有一些异常报错，或者数据质控有问题再排查、总结问题反馈给负责人，耗时更久。

自动化方案

自动化实现的核心在于数据信息符合预期的流转。上述步骤可增加对应的脚本替代人工操作，以 python 为例：

• 拿到实验室做好的样本信息

  1. 如果数据在 lims 类系统，可申请 API ，利用 requests 等网络请求模块获取信息。
  2. 如果是邮件附件表格，可设置虚拟邮箱，接收并解析附件的样本信息表，使用 email、pandas 等模块。
     这两操作的可将需要分析的样本信息储存到服务器上，触发方式有两种方式：
     1. 定时任务
        利用系统的 crontab 或者 python 的 schedule 模块设置定时执行，比如每分钟检查一次否有所需的邮件附件
     2. 服务接口
        使用 flask 或 fastapi 模块创建服务接口，当实验完成后，由实验员在上传样本信息表触发信息录入请求，也可以将其跟 lims 系统衔接，直接在lims 系统上触发请求。

• 待测序公司返回数据后，需要第一时间进行 fq 数据的下载
  一般测序公司都是给云盘账号密码，客户自行下载，比如阿里云，可用 oss2 模块检测和下载，同样可以定时任务或服务接口的方式合理设定其触发时机。
  阿里云OSS存储实现文件上传和下载功能

• 根据样本分析类型，拷贝对应的 demo 分析流程
  基础的 python 编程即可实现

• 根据样本的实际信息，修改分析流程中对应的参数配置
  根据之前保存的样本信息操作，也只需基础的 python 编程

• 提交分析，等待分析完成后检查分析结果
  任务提交可以用 python自带的 subprocess 模块，Popen方法允许任务挂起到后台（不阻塞主进程），后续再用对应的方法判断任务完成情况等

• 数据没问题了就把数据拷贝到指定路径下，交付给下游部门
  通过 smtplib 和 email 模块发送分析结果邮件给下游部门

经验二

前言

后续转战另一个体系突变检测的公司，该公司自己有多种测序仪，而且产品十多个，对应的分析流程就更多了，扩增子的、杂交捕获的、单样本的、配对的，甚至繁琐，各流程都是各自存放一个路径，一旦某些比较通用的脚本需要更新，那真是是鼓噪乏味的 copy ，而且容易出错。

考虑到后续更新维护的便捷、高效，在进行自动化之前将之前的流程进行了模块化，尽量同一功能的脚本使用同一份。

自动化方案

实现的大体方向与上面思路一致，但是公司有测序仪，又有外送测序，结果交付方式多种，某些数据流转有差别：

• 拿到实验室做好的样本信息
  由于生信内部有 4 人的 IT 团队，开发了自动化系统（包含样本录入、结果展示、出具报告）， 从 API 上直接可以拿到待分析样本信息的列表（样本导入由报告组的人完成，生信属于研发部下）

• 测序数据监控
  一方面要监控各测序仪的数据下机，通过 IT 部做的备份机制，fq 数据都被同步到 NAS 上，然后自动化分析通过监控备份日志判断芯片是否下机完成。
  另一方面外送数据的返回与之前的方案一样，用阿里云的模块监控即可

• 根据样本分析类型，组装 snakemake 主流程
  也是一些基础的 python 逻辑即可实现

• 根据样本的实际信息，修改分析流程中对应的参数配置
  基础 python 编程即可

• 提交分析
  由于样本量多，大 panel 捕获流程吃服务器资源多，需要多台服务器同时分析这些样本才能保证交付时效，因此将自动化分析分成两个模块，监控模块只需运行在某一台服务器上，将需要分析的样本合理分配给分析服务器（没有配置集群的尴尬。。。）提交分析的模块需要在每一台分析服务器上都部署，然后各服务器挂在同一个 NAS 以实现信息的互通（当时 API 不熟，没有采用 API 的形式进行服务器之间分析任务的通信）
  任务结果核对和结果检查也跟上面那个一致

• 数据交付
  结果会传回 IT 的 web 端，也会拷贝到 NAS 的方式进行交付（报告组目前还习惯用 NAS）

其他功能

一个复杂的系统实现之后，总是能发现可以优化的地方，就好比经验二中的分析系统，其中增加了相当多的特殊功能：

• 样本补测分析
• 样本重测分析（如果是配对分析，重测了其中一个，另一个样本允许不重新分析的）
• 前端删除后又重复录入的样本不重复分析
• 质控异常钉钉提醒
• 流程报错自动重新提交分析（比如未知原因的 I/O 错误）
• 支持集群或多分析服务器两种模式

总结

这两个自动化方案都是基于自身工作的需求，这种重复性很高、麻烦又容易出错的操作，我就会想通过代码的形式取代，空闲出工作时间，才能有时间、精力去接触、学习更多工作上的新东西。因此，从招我做临检的活变成了专职做自动化了，加油，会越来越有价值的！