MOLECULAR INFORMATION ENGINEERING 11-6

Sequencing Libraries Coverage and FASTQ

라이브러리 커버리지와 FASTQ

시퀀싱 라이브러리 / Read cycle과 coverage / FASTQ와 품질 점수 / 원본 파일 복원

송영준 Youngjun Song / 인천대학교 / 75분

분자에서 디지털 read까지

  • 표적 DNA의 준비와 정량
  • Adapter가 붙은 sequencing library
  • Run 설정과 신호 측정
  • Basecalling, 시료 분류, FASTQ

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Sequencing library의 정의

정의 Definition
  • insert: 읽고 싶은 DNA 조각 (게놈 절편, 올리고 한 가닥)
  • adapter: 플로셀 표면 올리고(P5 · P7)와 붙는 서열 + read primer 자리
  • index(바코드): 샘플마다 다른 6–10 nt 꼬리표 → 여러 샘플을 한 런에 섞은 뒤 다시 나눔(multiplexing)
  • 비유: 편지(insert)를 봉투(adapter)에 넣고 주소(index)를 적어 한 우체통(플로셀)에 넣기
예제 Example
  • 직지 올리고 한 가닥 = 150 nt insert
  • 앞 adapter 약 58 nt + 뒤 adapter 약 63 nt (우리 overhang primer 78 · 83 nt에서 주형과 겹치는 20 nt를 뺀 값)
  • 완성 라이브러리 길이 ≈ 150 + 58 + 63 = 271 bp
  • 샘플 8개를 서로 다른 index로 붙이면 → 한 플로셀에서 한 번에 읽고, FASTQ 단계에서 index로 8개 파일로 분리
왜 필요한가

플로셀은 P5 · P7 서열만 붙잡음 · read primer 자리가 없으면 SBS가 시작되지 않음

한 줄

라이브러리 준비의 목표 = 모든 insert가 같은 양 끝 서열을 갖도록 만들기 — 방법(절편화 · 연결 · PCR)은 insert의 종류에 따라 다름

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Adapter index read primer의 위치

5′3′ P5 i5 Rd1 SP insert (직지 올리고 150 nt) Rd2 SP i7 P7 플로셀 결합index 2Read 1 시작점Read 2 시작점index 1플로셀 결합 ① Read 1 — 150 cycle ④ Read 2 — 150 cycle (반대 가닥) ② Index 1 (i7) — 8 cycle ③ Index 2 (i5) — 8 cycle 한 클러스터에서 네 번 읽음: Read 1 → Index 1 → Index 2 → Read 2 · 순서와 길이는 런 설정(Run Manager)에 입력

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Library preparation의 단계

a. 절편화 (초음파 · 효소)b. 말단 수선 (end repair)c. A-tailingd. adapter 연결 (ligation) 끝이 들쭉날쭉 (5′ · 3′ 돌출) → 평활 말단 AA 3′ 끝에 A 하나 T T A–T 한 염기 짝 → adapter끼리 · insert끼리 붙는 오류 감소
a · 절편화 또는 tagmentation

초음파 · 효소로 자르기, 또는 Tn5 transposome이 자르면서 동시에 adapter 일부를 끼움(tagmentation) · 비드에 고정한 BLT는 insert 약 350 bp로 균일

b · c · 말단 수선과 A-tailing

돌출 끝을 채우거나 깎아 평활 말단 → 3′에 dA 하나 추가 (실험 기록: ERP2 30 °C 30 min · ATL 37 °C 30 min)

d · 연결

3′-T 돌출 adapter를 ligase로 연결 (LIG 30 °C 10 min) → 이후 짧은 PCR(8 cycle)로 완전한 P5 · P7 · index 부여

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PCR 크기 선별 정량 pooling

크기 선별 (AMPure 비드 · 겔) adapter 이합체 남길 구간 분자 길이 (bp) → 정량 → 같은 몰농도로 맞춰 섞기 S128 nM S214 nM S340 nM 모두10 nM pool각 10 µL + PhiX5–20 %
PCR (enrichment)

P5 · P7이 완전한 분자만 증폭 · cycle 수는 최소로(사례: TruSeq Nano 8 cycle) — 많을수록 중복 read · GC 편향 증가

크기 선별 · 정제

비드 부피 비로 길이 창을 고름 · adapter 이합체(약 120 bp)는 클러스터만 차지하고 정보가 없음

정량 두 가지

Qubit(형광 · 질량 ng/µL) — 모든 dsDNA를 셈
qPCR(P5 · P7 primer) — 읽힐 수 있는 분자만 셈 · 로딩 정확도 높음

pooling

샘플마다 몰농도를 같게(예 10 nM) 맞춰 같은 부피씩 섞기 → read가 샘플 수만큼 고르게 나뉨 (PART 3 ④)

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질량 농도와 몰농도의 환산

정의 Definition
  • 이중가닥 DNA 1 bp의 평균 질량 ≈ 660 g/mol
  • 길이 L bp 분자의 몰질량 = 660 × L g/mol
  • nM = (ng/µL) × 10⁶ ÷ (660 × L)
  • 같은 ng이라도 짧은 분자일수록 개수가 많음 → 크기(Bioanalyzer · 겔) 확인이 필요한 이유
예제 · 손계산 Example
  • 우리 라이브러리: L ≈ 271 bp, Qubit 5.0 ng/µL
  • 5.0 × 10⁶ ÷ (660 × 271) = 5,000,000 ÷ 178,860 ≈ 28 nM
  • 10 nM로 희석: C₁V₁ = C₂V₂ → 28 × V₁ = 10 × 28 µL → V₁ = 10 µL + 버퍼 18 µL
  • iSeq 로딩 농도 50 pM = 10 nM의 1/200 → 1 µL + 199 µL
흔한 실수

adapter 이합체가 섞이면 Qubit ng은 같아도 nM 계산이 틀어짐 → 클러스터가 짧은 분자에 낭비

실험 기록

라이브러리 10 nM 정규화 → PhiX 1 nM 4 µL + 라이브러리 16 µL = 20 µL (PhiX 20 %) · 최종 로딩 50 pM, PhiX 10–20 %

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데이터 올리고 풀의 library 준비

올리고 한 가닥 (150 nt) F 20 ntpayload · 주소R 20 nt PCR 1 — overhang primer (78 · 83 nt), 10 cycle 5′ 꼬리 = adapter 58 nt adapter 63 nt PCR 2 — 바깥 primer, 20 cycle → 완성 58 + 150 + 63 = 271 bp — 절편화 · 수선 · A-tailing · ligation 없음 겔 크기 선별 · 정제 후 바로 로딩
왜 절편화가 필요 없나

올리고 150 nt ≈ Illumina read 길이(150) · 이미 짧고, 양 끝 20 nt primer 서열을 모두 공유 → PCR primer 하나로 모든 가닥에 adapter를 붙일 수 있음

primer 구조

3′ 쪽 20 nt = 주형(올리고 끝)과 상보 · 5′ 쪽 꼬리 = Illumina adapter 서열 → 첫 cycle엔 꼬리가 떠 있다가 다음 cycle부터 주형이 됨

덤: read 방향 고정

F 쪽에 어느 adapter를 달지 정해 두므로 Read 1은 항상 올리고의 앞(F)부터 시작 — PART 4에서 실제 FASTQ로 확인

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낮은 염기 다양성과 PhiX

cycle별 염기 조성 — J6 R1 첫 10,000 read (2026 런) 100%50%0 1102025 cycle → ACGT 1–21 cycle: 한 염기 ≈ 96–99 % (primer 구간)
무엇이 문제인가

Illumina 기기는 첫 몇 cycle의 영상으로 클러스터 위치를 찾고 색(채널)을 보정 · 한 염기만 빛나면 기준을 잡지 못해 %PF · 품질 하락

해결: PhiX spike-in

염기가 고르게 섞인 PhiX 게놈(약 5.4 kb) 라이브러리를 일정 비율 섞어 매 cycle 네 염기를 모두 보이게 함 · 서열을 알므로 오류율 대조군 역할도 함

권장 비율 (Illumina)

iSeq 100 · MiSeq: 저다양성 최소 5 % · NextSeq 1000/2000: 10–50 % · 사례: 10–20 %
대가: PhiX 20 % → 데이터 read의 20 %를 포기 (PART 3 ④)

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Cycle과 read 길이

정의 Definition
  • 1 cycle = dNTP 결합 → 영상 → 절단의 한 바퀴 = 클러스터마다 1 염기
  • read 길이(nt) = 그 read에 쓴 cycle 수
  • cycle이 쌓일수록 일부 분자가 박자를 놓침(phasing) → 뒤쪽 품질 하락 → 최대 길이 제한
  • 제 박자 비율 ≈ (1 − p)ⁿ
예제 · 손계산 Example
  • 150 cycle → 150 nt read
  • 박자 놓칠 확률 p = 0.5 %, n = 150:
    0.995¹⁵⁰ ≈ e^(−0.75) ≈ 0.47 → 신호 절반만 제 박자
  • p = 0.1 %면 0.999¹⁵⁰ ≈ 0.86 → 화학 개선이 read를 길게 만든 이유
  • 우리 데이터: 2026 런 마지막 cycle(151) 평균 Q ≈ 38.6, iSeq cycle 150 ≈ 27 (PART 4 그래프)
한 줄

cycle = 시간 · 시약 · 품질을 함께 소모하는 단위

연결

p 값은 설명용 예시 · 실제 값은 기기 · 화학마다 다름

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Paired-end run의 cycle 예산

Read 1 — 150 (+1) cycle i7 8 i5 8 Read 2 — 150 (+1) cycle 키트 이름의 300 = 150 + 150 index cycle — 이름에 미포함 실제 런 예: 151 + 8 + 8 + 151 = 318 cycle · 2026 런 R1 길이 151 nt = 150 + 1
같은 키트, 다른 설정

300 cycle → 2×150 PE · 또는 1×300 SR(장비가 허용하면) · 2×75 등 짧게 쓰는 것은 가능, 길게는 불가

올리고 150 nt에 2×150

Read 1이 앞에서 끝까지, Read 2가 뒤에서 끝까지 → 한 분자를 두 번 읽음 · 겹치는 부분으로 오류 교차 확인

손계산 — 출력

iSeq 4 M 클러스터 × 300 nt = 1.2 Gb
MiSeq v3 “600 cycle” = 2×300 → 25 M × 600 = 15 Gb

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Paired-end와 insert 길이

a. 올리고 insert 150 nt R1 150R2 150 겹침 150 nt = 100 % → 한 염기를 두 번 관찰 b. 게놈 절편 insert 350 bp 가운데 350 − 300 = 50 bp는 읽지 않음 대신 두 read 사이 거리(≈ 350)를 알아 정렬 · 조립에 이용
DNA 저장 쪽 이득

R1 · R2를 겹쳐 합치면(merge) 한 가닥을 두 번 본 합의 서열 · 두 read가 다른 염기에서는 Q 값이 높은 쪽을 택함

파일은 두 개

한 클러스터의 R1 → *_1.fastq.gz, R2 → *_2.fastq.gz · 같은 줄 번호 = 같은 클러스터 (PART 4)

read 수 세기 주의

“8 M paired-end reads” = 4 M 클러스터 × 2 · 우리 환산은 R1 기준(= 클러스터 수)으로 통일

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Read 수와 염기 출력

정의 Definition
  • N = read 수 (클러스터 수, R1 기준) · L = read 길이(nt)
  • 출력 B = N × L × (PE면 2)
  • 단위: 1 kb = 10³ · 1 Mb = 10⁶ · 1 Gb = 10⁹ · 1 Tb = 10¹² 염기
  • 파일 크기(GB, 바이트)와 다름 — FASTQ는 염기 1개당 서열 1 byte + 품질 1 byte + 헤더
예제 · 손계산 Example
  • iSeq 사양: 4 × 10⁶ × 150 × 2 = 1.2 × 10⁹ = 1.2 Gb
  • 직지 J6 (iSeq, R1): 2,289,024 × 148.9 ≈ 340.8 × 10⁶ = 340.8 Mb
  • 2026 런 J6 R1: 12,662,679 × 151 ≈ 1.91 × 10⁹ = 1.91 Gb · R1 + R2 = 3.82 Gb
  • 파일: 340.8 Mb → 815 MB (압축 없음) ≈ 염기당 2.4 byte

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Reads Mb Gb 단위 환산

read 수 (R1)12,662,679 염기 수 (R1)1,912,064,529 Gb (R1)1.91 Gb Gb (R1 + R2)3.82 Gb × 151 nt÷ 10⁹× 2 검산: 12.66 M × 151 ≈ 12.66 × 151 M = 1,912 M = 1.91 G
연습 1

MiSeq에서 15 M reads × 2×250 → ? 답: 15 × 10⁶ × 500 = 7.5 Gb

연습 2

“0.5 Gb가 필요하다” — 2×150 PE로 read 몇 개? 답: 0.5 × 10⁹ ÷ 300 ≈ 1.67 M 클러스터

연습 3

iSeq J6: 2,289,024 read 평균 148.9 nt — 왜 150이 아닌가? 답: 기기에서 adapter · 품질 끝 자르기(trimming)로 길이가 147–150으로 달라짐

자주 틀리는 곳

M reads vs M read pairs · Gb(염기) vs GB(바이트)

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게놈 coverage의 정의

정의 Definition
  • N = read 수 · L = read 길이 · G = 게놈 크기(bp)
  • C = N · L / G = 총 염기 수 / 게놈 크기
  • read는 게놈 위 무작위 위치에서 시작 → 평균이 C여도 어떤 곳은 0번, 어떤 곳은 2C번
  • 30× = 사람 전장 게놈 분석에서 널리 쓰는 기준 깊이
예제 · 손계산 Example
  • 대장균 G = 4.6 Mb, iSeq 1.2 Gb:
    C = 1.2 × 10⁹ ÷ 4.6 × 10⁶ ≈ 261×
  • 사람 G = 3.1 Gb, 30× 목표:
    30 × 3.1 = 93 Gb → iSeq 78런 · NovaSeq X 1.5B 한 장(0.5–0.7 Tb)에 5–7명
  • 필요 클러스터: 93 × 10⁹ ÷ 300 = 3.1 × 10⁸ (310 M 쌍)

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균일 sampling과 미관측 비율

100%50%0 012345 평균 커버리지 C (×) C=1 → 36.8 %C=2 → 13.5 %C=3 → 5.0 % P(0번) = e−C
C빠진 비율 e−C3.1 Gb 게놈에서 빠진 염기
1×36.8 %1.1 Gb
3×5.0 %154 Mb
5×0.67 %21 Mb
10×0.0045 %141 kb
30×9 × 10−14≈ 0
손계산

e ≈ 2.718 → e−3 = 1 ÷ 20.1 ≈ 0.050 · 3.1 × 10⁹ × 0.050 ≈ 1.5 × 10⁸

실제는 더 나쁨

GC 편향 · 반복 서열 · PCR 편향 → 포아송보다 넓게 퍼짐 → 30×를 쓰는 이유 (⑥ 균일도)

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올리고 풀의 read depth

정의 Definition
  • M = 설계한 가닥 수 · N = read 수(R1)
  • 가닥당 평균 depth = N ÷ M
  • 게놈 식과 같음: G = M × L(가닥 길이), 각 read 길이 = L →
    C = N·L / (M·L) = N / M
  • depth = 같은 가닥을 몇 번 읽었나 → 다수결(consensus)의 표 수
예제 · 손계산 (직지 J6, M = 1,018) Example
  • iSeq: 2,289,024 ÷ 1,018 = 2,248.6 → 약 2,249×
  • 2026 런 R1: 12,662,679 ÷ 1,018 = 12,438.7 → 약 12,439×
  • 검산: 2,249 × 1,018 = 2,289,482 ≈ 2,289,024 ✓
  • 논문 J6 평균 depth ×2593.5 — 집계 기준(어느 read를 세는가)에 따라 값이 달라짐 [기준 확인필요]
게놈과 다른 점

read 시작 위치가 무작위가 아님 — 모두 가닥의 처음(primer)에서 시작 · “빠진 염기”가 아니라 “빠진 가닥(dropout)”이 문제

필요한 depth는 작다

오류율 0.1 %의 read로 다수결이면 가닥당 수십 × 로 충분 — 2,249×는 크게 넉넉 (4주차 다수결 정확도)

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시료별 read 배분

정의 Definition
  • Ntot = 런 전체 PF read · φ = PhiX 비율 · fi = 샘플 i의 몰 비율
  • Ni = Ntot × (1 − φ) × fi
  • 같은 몰농도로 k개를 섞으면 fi = 1/k
  • depthi = Ni ÷ Mi (③과 연결)
예제 · 손계산 Example
  • iSeq 4 M, PhiX 20 %, 직지 파일 8개 같은 비율:
    4,000,000 × 0.8 ÷ 8 = 400,000 read/샘플
  • 샘플마다 1,018 가닥이면 400,000 ÷ 1,018 ≈ 393×
  • PhiX를 5 %로 줄이면 4 M × 0.95 ÷ 8 = 475,000 → +19 %
  • 한 샘플만 2배로 섞으면 f = 2/9 → 그 샘플 711,111 · 나머지 355,556

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필요 read 수의 역산

정의 Definition
  • d = 원하는 평균 depth · M = 가닥 수 · η = 통과율(완전 일치 · 품질 필터를 통과한 read 비율) · φ = PhiX
  • N필요 = d × M ÷ η ÷ (1 − φ)
  • 최소 depth가 목표면 d = 목표 최소 ÷ (최소/평균 비) — ⑥의 균일도로 보정
예제 · 손계산 Example
  • 우리 데이터 η: iSeq 완전 일치 1,592,501 ÷ 2,289,024 = 0.70
  • J6 (M = 1,018), 평균 30×: 30 × 1,018 ÷ 0.70 ÷ 0.8 ≈ 54,536 read → iSeq 한 런(4 M)에 약 73개 샘플
  • 큰 파일 M = 100,000, 최소 30× 원함, 최소 ≈ 평균의 0.5 → d = 60:
    60 × 10⁵ ÷ 0.70 ÷ 0.8 ≈ 10.7 M → iSeq(4 M) 부족 → MiSeq v3 · NextSeq P1
왜 η를 나누나

오류가 있는 read · adapter read · 짧은 read는 디코딩 전에 버려짐 → 버릴 몫만큼 더 읽어야 함

주문 문장으로

“J6 한 샘플, 2×150, 최소 5만 read” — 외주 시퀀싱은 보통 Gb 단위 주문 → 54,536 × 300 ≈ 16 Mb

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평균과 분포의 차이

파일 복원과 커버리지
Organick et al., Nature Communications 11, 616 (2020), Fig. 3
  • 같은 평균 depth에서도 서열별 편차 존재
  • 증폭·표본화·적재·필터의 공동 영향
  • 드문 가닥의 손실이 복원에 영향
  • 분포와 파일 복원 성공률의 동시 보고

https://www.nature.com/articles/s41467-020-14319-8

FASTQ의 네 줄

@example_read_001
ACGTTGCA
+
IIIIIIII
  • 1행: @로 시작하는 read 이름
  • 2행: 판독 염기서열
  • 3행: + 구분자
  • 4행: 각 염기에 대응하는 품질 문자

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Illumina read header의 구성

필드뜻 (KJW 해설)iSeq 100 J6 (2021)2026 런 J6
instrument기기 ID — 장비마다 고유FS10001703LH00688
run number그 기기의 몇 번째 런12330
flow cell ID플로셀 바코드BRB11620-160923NVTCLT4
lane레인 번호16
tile타일(촬영 구역) 번호11011101
x · y타일 안 클러스터 좌표1000 · 100048043 · 1042
read1 = Read 1, 2 = Read 2 (PE의 짝)11
is filtered필터에 걸렸으면 Y, 아니면 NNN
controlcontrol bit 없으면 0, 있으면 짝수00
sample / index샘플시트 번호 또는 index 서열2 (샘플 번호)CGATGTAT (8 nt index)
장비 ID로 기종 추정

FS… = iSeq 100 (장비 화면의 FS10001703과 일치) · LH… = NovaSeq X 계열로 추정 [추정]

쓸모

좌표로 같은 클러스터의 R1 · R2를 짝지음 · 타일별 품질 문제(FastQC “per tile”) 추적 · 런 · 플로셀로 데이터 출처 기록

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Phred quality score

정의 Definition
  • P = 이 염기가 틀렸을 확률
  • Q = −10 log₁₀ P ⇔ P = 10−Q/10
  • Q 10 올라갈 때마다 오류 1/10 · Q20 = 1 %, Q30 = 0.1 %, Q40 = 0.01 %
  • 문자 = ASCII(Q + 33) ⇔ Q = ASCII 코드 − 33
  • 33을 더하는 이유: 0–32는 공백 · 제어 문자라 눈에 안 보임 → !(33) = Q0부터 시작
예제 · 손계산 Example
  • I = 73 → 73 − 33 = Q40 → P = 10⁻⁴ = 1/10,000
  • F = 70 → Q37 → P = 10⁻³·⁷ ≈ 1/5,000
  • : = 58 → Q25 → P ≈ 1/316
  • 9 = 57 → Q24 → P = 10⁻²·⁴ ≈ 1/251
  • , = 44 → Q11 → P ≈ 1/12.6
  • # = 35 → Q2 → P = 10⁻⁰·² ≈ 0.63 — 거의 추측

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Q 점수의 해석

  • Q10: 예측 오류 확률 0.1
  • Q20: 예측 오류 확률 0.01
  • Q30: 예측 오류 확률 0.001
  • Q40: 예측 오류 확률 0.0001

Q = −10 log₁₀ P(error)

확인·실습 문제

Q20과 Q30의 예측 오류 확률 비율 계산

https://support.illumina.com/content/dam/illumina-marketing/documents/products/techspotlights/techspotlight_sequencing.pdf

품질 binning과 저장

Q20 Q30 Q40 1 50 100 150 cycle (read 안 위치) → 2026 런 (I · 9 · * · #) ≈ Q39 iSeq (F · : · ,) ≈ Q35–36 첫 cycle · 마지막 cycle에서 하락 cycle별 평균 Q — 첫 10,000 read
문자QiSeq2026 런
I40—95.9 %
F3791.7 %—
:254.7 %—
924—3.2 %
,113.6 %—
*9—0.9 %
손계산 — read 하나의 기대 오류 수

iSeq: 150 × (0.917·10⁻³·⁷ + 0.047·10⁻²·⁵ + 0.036·10⁻¹·¹) ≈ 0.48개
2026 런: 150 × 0.00135 ≈ 0.20개 — 가닥당 depth 수천이면 다수결로 충분

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R1 R2와 read pair 이름

J6_1.fastq.gz @LH00688:330:23NVTCLT4:6:1101:48043:1042 1:N:0:CGATGTAT TNGCCTTGTGTCCATCAATCC CTAGAGGGTAATTCG … GCGCTATGGTTTGGCTAATA J6_2.fastq.gz @LH00688:330:23NVTCLT4:6:1101:48043:1042 2:N:0:CGATGTAT ATTAGCCAAACCATAGCGC AGGTGAGATGGGTATCG … CTAGGGATTGATGGACACAAGGCTAA
FR R1: F primer부터 → 151 nt R2: R primer의 역상보부터 ← 151 nt R2를 역상보로 뒤집으면 R1과 같은 서열 → 겹쳐 합침
짝 맞추기 규칙

두 파일의 n번째 레코드끼리 짝 · 헤더는 read 번호(1/2)만 다름 · 한 파일만 필터링하면 짝이 깨짐

손으로 확인

R1 끝 …GCTAATA ↔ R2 시작 ATTAGC… — 역상보 관계 (A↔T, G↔C, 방향 반대)

https://support.illumina.com/content/dam/illumina-marketing/documents/products/techspotlights/techspotlight_sequencing.pdf

QC trimming과 데이터 보존

  • Adapter와 primer의 제거 기준
  • 짧은 read·저품질 read의 필터
  • 처리 전후 read 수와 길이 분포
  • 원본 FASTQ와 처리 이력의 보존

https://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/fastqc/

분석의 지도 — FASTQ 다음에 하는 일

FASTQread + PhredQC·전처리FastQC·adapter→정렬 / 조립BAM / contig→목적별 결과VCF·counts·파일→
  • 원시 신호 → basecalling → 시료 index 분리 → FASTQ
  • QC 전후를 비교하고, 실험 목적에 맞는 참조·도구·버전을 고정
  • DNA 변이는 VCF, RNA 발현은 count matrix, de novo는 contig FASTA
  • DNA 저장은 주소별 reads → consensus → ECC → 파일 무결성 확인

Babraham · FastQC help

FastQC — 초록·주황·빨강을 읽는 순서

모듈보는 것해석·다음 확인
Per base quality위치별 Q의 중앙값·상자·꼬리후반 품질 저하? R1/R2를 따로 확인
Adapter / overrepresented어댑터·반복 등장 서열짧은 insert read-through인지 실제 표적인지 확인
GC / base content조성·위치별 염기 비율혼입·편향·primer 구조·설계 서열을 함께 고려
Duplication / lengths / N중복·길이·불명확 염기RNA·amplicon·DNA 저장에서는 중복이 자연스러울 수 있음
빨강은 원인 조사의 출발점

FastQC는 실험 목적을 모른다. 설계 올리고·낮은 diversity·강한 RNA 발현을 무조건 실패로 처리하거나 중복을 일괄 삭제하지 않는다.

Babraham · FastQC help

FastQC 품질 그래프 — 평균 하나보다 분포

Q40Q30Q20read 안의 염기 위치 →설명용 모형
  • 가로축: read 내부 위치; 세로축: Phred Q
  • 상자: 25–75 백분위, 가운데 선: 중앙값
  • 수염: 10–90 백분위; 실제 FastQC의 파란 선은 평균
  • 뒷부분의 넓은 상자는 일부 read의 품질 저하를 뜻할 수 있음
  • 도식은 실측 결과가 아니다. 실제 보고서에서는 cycle·R1/R2·표본 수를 함께 본다.

FastQC · Per base sequence quality

Phred 통계 — Q를 더해 오류 수를 세지 않는다

pᵢ = 10−Qᵢ/10
E[오류 수] = Σ pᵢ
기댓값은 독립 가정 없이 합산 가능

모든 염기가 맞을 확률 ∏(1−pᵢ)를 계산할 때는 독립 가정이 필요하다. Q는 보정된 오류 확률 추정값이지 참값 보증이 아니다.

  • Q20 → p=0.01, Q30 → 0.001, Q40 → 0.0001
  • 100 nt가 모두 Q30이면 예상 오류 수 0.1
  • Q10·Q50 두 염기의 평균 Q는 30이지만 평균 오류율은 약 0.05
  • 따라서 평균 Q와 평균 오류율에서 환산한 Q는 다르다.
  • Run QC의 %Q30, read별 expected errors, 위치별 분포를 함께 본다.

Ewing & Green (1998), Phred error probabilities

RPKM · FPKM · TPM — RNA 양을 비교하는 단위

지표정의기억할 점
RPKM10⁹ Cᵢ / (N × Lᵢ,bp)C=유전자 reads, N=집계 기준 total mapped reads
FPKM10⁹ Fᵢ / (Nfragment × Lᵢ,bp)paired-end의 두 reads를 한 fragment로 계수
TPM10⁶ × (Cᵢ/Lᵢ,kb) / Σⱼ(Cⱼ/Lⱼ,kb)먼저 길이 보정 후 전체 합으로 정규화
목적·분모·길이 정의

RNA 발현량의 기술적 길이·library 크기 효과를 줄이는 단위다. Transcript 정량에서는 유효 길이·다중매핑 모형을 쓴다. DNA 저장의 가닥별 읽기 깊이에 TPM을 적용하지 않는다.

Wagner et al. (2012), doi:10.1093/bioinformatics/bts488

TPM 예제와 차등발현 통계

유전자count길이count / kb
A1001 kb100
B1002 kb50
계산

합계 150 → A=666,667 TPM, B=333,333 TPM. 같은 count라도 긴 유전자는 길이 보정 후 낮다. 강의용 가상 두 유전자 예다.

  • TPM 합계는 표본마다 10⁶이지만 RNA 조성이 다르면 표본 간 절대 발현량 비교가 되지는 않는다.
  • 차등발현은 생물학적 반복·batch·분산을 고려한다.
  • DESeq2/edgeR는 count 기반 모형을 쓴다. DESeq2에 임의의 TPM/RPKM 행렬을 넣지 않는다.
  • 여러 유전자 검정에서는 p-value와 FDR 보정값을 구분한다.

Wagner et al. (2012), doi:10.1093/bioinformatics/bts488 · Bioconductor · DESeq2 vignette

무엇을 분석하나? 기본 다음의 선택지

목적흔한 분석도구 예
DNA / WGS정렬·SNV/indel·구조변이·CNV·phasingBWA-MEM2·minimap2·GATK·DeepVariant
RNA-seq발현 정량·차등발현·splicingSTAR·Salmon·featureCounts·DESeq2
미생물 / 16S종 분류·기능·ASV·다양성Kraken2·MetaPhlAn·DADA2 / QIIME2
고도화단일세포 UMI·공간·ATAC/ChIP·methylation목적별 세포 QC·peak·변형 염기 모형
DNA 저장주소별 분류·가닥 consensus·소실·ECC설계별 demultiplex·정렬·복호·hash
공통 전처리

FastQC→MultiQC로 표본 간 비교, 필요 시 Cutadapt/fastp로 adapter 처리. 도구 이름보다 입력·출력·가정·검증 기준을 먼저 확인한다.

Illumina · Sequencing applications · Bioconductor · DESeq2 vignette

분석을 검증하고 NGS decoding으로

  • 참고한 AI-NGS 작업: FASTQ/BAM→featureCounts→count matrix→DESeq2의 단계와 입력 검증 방식
  • 예: BAM과 GTF의 chrM/chrMT 이름이 다르면 reads가 있어도 유전자 count가 0으로 나올 수 있다.
  • 참조 버전·strandedness·paired-end fragment 기준·분모를 기록한다. 상관계수 하나만으로 결과를 검증하지 않는다.
  • AI는 명령·정리·설명을 돕는다. 원본 보존·실행 로그·숫자 검산·생물학적 반복 확인이 필요하다.
  • 다음 디코딩: FASTQ → adapter/index 분리 → 주소별 reads → consensus → ECC → 파일 hash. 그 전에 긴 판독 PacBio와 ONT를 비교한다.

Bioconductor · DESeq2 vignette

Read에서 원본 파일까지

  • 시료·파일·가닥별 분류
  • 여러 read의 consensus
  • Inner·outer 오류정정
  • Payload 조립 후 byte·해시 검증

https://support.illumina.com/content/dam/illumina-marketing/documents/products/techspotlights/techspotlight_sequencing.pdf

시퀀싱 설계 확인 문제

  • Read와 pair 단위를 구분한 출력 계산
  • 게놈 coverage와 올리고 depth의 차이
  • FASTQ 네 줄과 품질 문자 길이 확인
  • 평균 depth가 높아도 실패하는 이유
확인·실습 문제

10,000개 올리고와 1,000,000개 read의 평균 depth 계산 후 균일성 가정 설명

https://support.illumina.com/content/dam/illumina-marketing/documents/products/techspotlights/techspotlight_sequencing.pdf