Snakemake：简单好用的生信流程搭建工具

Snakemake是什么？

大多数生物信息初学者最早接触的生物信息分析流程，大多数是用脚本语言（Perl、shell、R、Python等）将生物信息流程中的各个功能写成一个个脚本，再用大脚本套小脚本的方式将整个流程打包封装。这种方式对编程能力有很高的要求，否则很容易出现流程bug、无法监控任务运行状态、无法有效查看任务日志等问题。等实验室终于出了个大牛将这些问题都解决了，可能大牛又要毕业了，新来的生信小白又只能看着层层叠叠的嵌套脚本“望洋兴叹”……

这时候就需要 Snakemake 闪亮登场了，因为snakemake可能是处理这类问题最简单、有效的一个方法了。比如将流程像下图这样搭建起来，清晰明了：

PS：这张流程图也是 snakemake 通过命令自动生成的奥，具体命令后面会有介绍。

Snakemake是一个工作流程管理系统。它是基于Python的、用于创建可重现和可扩展的数据分析的工具（当然现在也可以直接将它当做Python的一个模块）。Snakemake所创建的流程还可以无缝扩展到服务器、集群和云环境等不同环境，当然前提是你需要提前将所需的软件和依赖配置好，一起打包封装在conda环境中。

snakemake的用法介绍

Snakemake 是基于 Python 的一款工具，所以它也继承了 Python 语言简单易读、逻辑清晰、便于维护的特点，同时它还支持 Python 语法，非常适合新手用户。snakemake 的基本组成单位叫“规则”，即 rule；每个 rule 里面又有多个元素（input、output、run等）。它的执行逻辑就是将各个 rule 利用 input/output 连接起来，形成一个完整的工作流，当检测到 input，就执行相应 rule；检测到 output，就跳过相应rule，根据这一规则，snakemake 还可以实现断点续投。

更多规则元素，请参考官方文档https://snakemake.readthedocs.io/en/stable/snakefiles/rules.html

话不多说，让我们以一个变异检测流程为例，开始实操吧。

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操作环境

本教程全程在Linux环境下完成，为了顺利完成教程内容，请准备一个Linux环境。如果是windows用户，可以安装一个虚拟机；如果是win10用户，可以使用win10自带的子系统（WSL）安装Linux系统。

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软件安装

这里建议使用conda安装软件，可以轻松解决各种依赖问题。同时建议将本教程中用到的软件安装在一个新的conda环境中，以避免不同版本软件间的依赖冲突。由于篇幅有限，conda的安装方法不再赘述。

该命令创建了一个名为snakemake_env的conda环境，并在该环境中安装了 snakemake 。

进入 snakemake_env 环境，查看上面要安装的软件，可以发现都已将安装完成。

如果你的conda安装很慢或者获取不了最新版本的软件，可以使用下面的命令安装：

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数据准备

我们直接下载官网提供的测试数据：

解压后得到一个 data 文件夹，目录如下：

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创建工作流文件：Snakefile

当然工作流文件 Snakefile 文件名并不是固定的，位置也不是固定的。当你的工作流文件就在当前目录下，且名称正好是 Snakefile 时，就可以像上面的示例一样，不用指定具体的工作流文件，snakemake 会自动调取当前路径的名为 Snakefile 的文件去执行。如果你要执行其他路径的 Snakefile 或者其他的文件名的工作流文件，可以使用 -s 参数，例如：

PS：建议将工作流文件命名为 py 文件，这样你在写 Python 代码时会有语法高亮奥。

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创建第一条规则 bwa

我们继续 dry run  一下，可以加上 -p 参数让终端打印出 shell 运行的命令：

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使用通配符升级规则

上面的 bwa 规则仅仅比对了一个样本，可是实际项目中有几十上百的样本时，我们就不能这样直接写样本名来运行了，这样很不 pythonic。snakemake 允许使用通配符（wildcard）来批量运行命令，示例如下：

其中，我们使用通配符 来匹配所有样品，花括号里的 sample 也可以使用其他字符。然后再次 dry run：

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添加 sort 规则

比对完成之后需要使用 samtools 进行排序，那我们就可以继续写下一个规则：

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建立索引

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添加 calling 规则

前面三步都是各个样品批量、并行运行同样的步骤，所以可以全部使用通配符 完成匹配；但在变异检测这一步需要将所有样本的bam文件传递给一个命令而不再并行，这种方法就不在适用了。针对这种情况，snakemake 有它独特的解决办法：

1. 首先在工作流文件开头定义一个变量：

2. 然后使用 snakemake 的内置函数 expand：

PS：这个 expand 函数其实是 Python 的列表推导式转化而来，有兴趣的同学可以自己研究一下。

最后，calling 规则如下：

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调用自己写的脚本

当然，有时候在某个步骤想实现的功能并不能用简单的几句命令来实现，而且你自己也已经有了一个现成的脚本了，那么你就可以直接调用该脚本实现相应功能：

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最重要的一条规则：all

前面我们已经讲过，snakemake 通过各个规则的输入、输出来确定执行顺序和依赖关系，snakemake 每次默认执行第一个规则之后，会通过该规则的依赖关系（输入）来决定接下来执行哪个规则。所以，为了将所有规则都调用起来，我们需要在工作流文件最开始写下第一个规则：all 规则，来调取各支线最后一条规则的输出，这样层层递推，就可以将所有关联规则都调用起来。示例如下：

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生成可视化流程图

Snakemake 可以将整个工作流以流程图的形式导出（结合 dot 命令），文件格式可以使png、pdf等。命令如下：

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完整工作流

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文：支永强

排版：市场部

参考资料：

1. snakemake官方文档 https://snakemake.readthedocs.io/en/stable/

2.snakemake github https://snakemake.github.io

3. Snakemake技术手册https://snakemake.readthedocs.io/en/stable/tutorial/tutorial.html#tutorial

4. Snakemake常见问题https://snakemake.readthedocs.io/en/stable/project_info/faq.html#project-info-faq

5. Snakemake进阶https://snakemake.readthedocs.io/en/latest/executor_tutorial/tutorial.html#executor-tutorial