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nextstrain / nextclade

Viral genome alignment, mutation calling, clade assignment, quality checks and phylogenetic placement
https://clades.nextstrain.org
MIT License
214 stars 58 forks source link

Using Nextclade for clade assignment with short stretches, such as Spike only #571

Closed gbbio closed 2 years ago

gbbio commented 2 years ago

I noticed that nextclade works if I only give the S gene sequence as input instead of the full genome. The nextclade.tsv file does not show any errors as far as I can see and I get a clade classification. I wonder if someone knows if the output is reliable because there are some clade specific mutations outside the S gene.

I see a warning icon in the webinterface but it does not indicate that it is not possible. It just tells that ORF1a is not included in the alignment for example. I think I was expecting a "sequence to short" error so got curious.

corneliusroemer commented 2 years ago

Thanks for your question @gbbio. Could you explain your feature request in a bit more detail so I can understand your use case etc?

corneliusroemer commented 2 years ago

Yes, it is possible to assign clades using just short stretches, the question is of course how reliable is the assignment. Nextclade (currently) doesn't answer that question.

To try out this use case, I took a stretch of Wuhan reference sequence, mutated it manually and pasted it in Nextclade.

This is what the result looks like: image

You do get warnings that genes are missing, but placement on reference tree works.

gbbio commented 2 years ago

I just tested it with the below sequence. A full genome from ncbi and an extracted spike sequence from that same genome. And the results are not the same. (20I and 20B) guess this answers my question.

>FR991324.1_Severe_acute_respiratory_syndrome_coronavirus_2_isolate_Switzerland/GE-33070502/2021_genome_assembly__chromosome:_1
GTAACAAACCAACCAACTTTCGATCTCTTGTAGATCTGTTCTCTAAACGAACTTTAAAATCTGTGTGGCTGTCACTCGGCTGCATGCTTAGTGCACTCACGCAGTATAATTAATAACTAATTACTGTCGTTGACAGGACACGAGTAACTCGTCTATCTTCTGCAGGCTGCTTACGGTTTCGTCCGTGTTGCAGCCGATCATCAGCACATCTAGGTTTTGTCCGGGTGTGACCGAAAGGTAAGATGGAGAGCCTTGTCCCTGGTTTCAACGAGAAAACACACGTCCAACTCAGTTTGCCTGTTTTACAGGTTCGCGACGTGCTCGTACGTGGCTTTGGAGACTCCGTGGAGGAGGTCTTATCAGAGGCACGTCAACATCTTAAAGATGGCACTTGTGGCTTAGTAGAAGTTGAAAAAGGCGTTTTGCCTCAACTTGAACAGCCCTATGTGTTCATCAAACGTTCGGATGCTCGAACTGCACCTCATGGTCATGTTATGGTTGAGCTGGTAGCAGAACTCGAAGGCATTCAGTACGGTCGTAGTGGTGAGACACTTGGTGTCCTTGTCCCTCATGTGGGCGAAATACCAGTGGCTTACCGCAAGGTTCTTCTTCGTAAGAACGGTAATAAAGGAGCTGGTGGCCATAGTTACGGCGCCGATCTAAAGTCATTTGACTTAGGCGACGAGCTTGGCACTGATCCTTATGAAGATTTTCAAGAAAACTGGAACACTAAACATAGCAGTGGTGTTACCCGTGAACTCATGCGTGAGCTTAACGGAGGGGCATACACTCGCTATGTCGATAACAACTTCTGTGGCCCTGATGGCTACCCTCTTGAGTGCATTAAAGACCTTCTAGCACGTGCTGGTAAAGCTTCATGCACTTTGTCTGAACAACTGGACTTTATTGACACTAAGAGGGGTGTATACTGCTGCCGTGAACATGAGCATGAAATTGCTTGGTACACGGAACGTTCTGAAAAGAGCTATGAATTGCAGACACCTTTTGAAATTAAATTGGCAAAGAAATTTGACACCTTCAATGGGGAATGTCCAAATTTTGTATTTCCCTTAAATTCCATAATCAAGACTATTCAACCAAGGGTTGAAAAGAAAAAGCTTGATGGCTTTATGGGTAGAATTCGATCTGTCTATCCAGTTGCGTCACCAAATGAATGCAACCAAATGTGCCTTTCAACTCTCATGAAGTGTGATCATTGTGGTGAAACTTCATGGCAGACGGGCGATTTTGTTAAAGCCACTTGCGAATTTTGTGGCACTGAGAATTTGACTAAAGAAGGTGCCACTACTTGTGGTTACTTACCCCAAAATGCTGTTGTTAAAATTTATTGTCCAGCATGTCACAATTCAGAAGTAGGACCTGAGCATAGTCTTGCCGAATACCATAATGAATCTGGCTTGAAAACCATTCTTCGTAAGGGTGGTCGCACTATTGCCTTTGGAGGCTGTGTGTTCTCTTATGTTGGTTGCCATAACAAGTGTGCCTATTGGGTTCCACGTGCTAGCGCTAACATAGGTTGTAACCATACAGGTGTTGTTGGAGAAGGTTCCGAAGGTCTTAATGACAACCTTCTTGAAATACTCCAAAAAGAGAAAGTCAACATCAATATTGTTGGTGACTTTAAACTTAATGAAGAGATCGCCATTATTTTGGCATCTTTTTCTGCTTCCACAAGTGCTTTTGTGGAAACTGTGAAAGGTTTGGATTATAAAGCATTCAAACAAATTGTTGAATCCTGTGGTAATTTTAAAGTTACAAAAGGAAAAGCTAAAAAAGGTGCCTGGAATATTGGTGAACAGAAATCAATACTGAGTCCTCTTTATGCATTTGCATCAGAGGCTGCTCGTGTTGTACGATCAATTTTCTCCCGCACTCTTGAAACTGCTCAAAATTCTGTGCGTGTTTTACAGAAGGCCGCTATAACAATACTAGATGGAATTTCACAGTATTCACTGAGACTCATTGATGCTATGATGTTCACATCTGATTTGGCTACTAACAATCTAGTTGTAATGGCCTACATTACAGGTGGTGTTGTTCAGTTGACTTCGCAGTGGCTAACTAATATCTTTGGCACTGTTTATGAAAAACTCAAACCCGTCCTTGATTGGCTTGAAGAGAAGTTTAAGGAAGGTGTAGAGTTTCTTAGAGACGGTTGGGAAATTGTTAAATTTATCTCAACCTGTGCTTGTGAAATTGTCGGTGGACAAATTGTCACCTGTGCAAAGGAAATTAAGGAGAGTGTTCAGACATTCTTTAAGCTTGTAAATAAATTTTTGGCTTTGTGTGCTGACTCTATCATTATTGGTGGAGCTAAACTTAAAGCCTTGAATTTAGGTGAAACATTTGTCACGCACTCAAAGGGATTGTACAGAAAGTGTGTTAAATCCAGAGAAGAAACTGGCCTACTCATGCCTCTAAAAGCCCCAAAAGAAATTATCTTCTTAGAGGGAGAAACACTTCCCACAGAAGTGTTAACAGAGGAAGTTGTCTTGAAAACTGGTGATTTACAACCATTAGAACAACCTACTAGTGAAGCTGTTGAAGCTCCATTGGTTGGTACACCAGTTTGTATTAACGGGCTTATGTTGCTCGAAATCAAAGACACAGAAAAGTACTGTGCCCTTGCACCTAATATGATGGTAACAAACAATACCTTCACACTCAAAGGCGGTGCACCAACAAAGGTTACTTTTGGTGATGACACTGTGATAGAAGTGCAAGGTTACAAGAGTGTGAATATCACTTTTGAACTTGATGAAAGGATTGATAAAGTACTTAATGAGAAGTGCTCTGCCTATACAGTTGAACTCGGTACAGAAGTAAATGAGTTCGCCTGTGTTGTGGCAGATGCTGTCATAAAAACTTTGCAACCAGTATCTGAATTACTTACACCACTGGGCATTGATTTAGATGAGTGGAGTATGGCTACATACTACTTATTTGATGAGTCTGGTGAGTTTAAATTGGCTTCACATATGTATTGTTCTTTTTACCCTCCAGATGAGGATGAAGAAGAAGGTGATTGTGAAGAAGAAGAGTTTGAGCCATCAACTCAATATGAGTATGGTACTGAAGATGATTACCAAGGTAAACCTTTGGAATTTGGTGCCACTTCTGCTGCTCTTCAACCTGAAGAAGAGCAAGAAGAAGATTGGTTAGATGATGATAGTCAACAAACTGTTGGTCAACAAGACGGCAGTGAGGACAATCAGACAACTATTATTCAAACAATTGTTGAGGTTCAACCTCAATTAGAGATGGAACTTACACCAGTTGTTCAGACTATTGAAGTGAATAGTTTTAGTGGTTATTTAAAACTTACTGACAATGTATACATTAAAAATGCAGACATTGTGGAAGAAGCTAAAAAGGTAAAACCAACAGTGGTTGTTAATGCAGCCAATGTTTACCTTAAACATGGAGGAGGTGTTGCAGGAGCCTTAAATAAGGCTACTAACAATGCCATGCAAGTTGAATCTGATGATTACATAGCTACTAATGGACCACTTAAAGTGGGTGGTAGTTGTGTTTTAAGCGGACACAATCTTGCTAAACACTGTCTTCATGTTGTCGGCCCAAATGTTAACAAAGGTGAAGACATTCAACTTCTTAAGAGTGCTTATGAAAATTTTAATCAGCACGAAGTTCTACTTGCACCATTATTATCAGCTGGTATTTTTGGTGCTGACCCTATACATTCTTTAAGAGTTTGTGTAGATACTGTTCGCACAAATGTCTACTTAGCTGTCTTTGATAAAAATCTCTATGACAAACTTGTTTCAAGCTTTTTGGAAATGAAGAGTGAAAAGCAAGTTGAACAAAAGATCGCTGAGATTCCTAAAGAGGAAGTTAAGCCATTTATAACTGAAAGTAAACCTTCAGTTGAACAGAGAAAACAAGATGATAAGAAAATCAAAGCTTGTGTTGAAGAAGTTACAACAACTCTGGAAGAAACTAAGTTCCTCACAGAAAACTTGTTACTTTATATTGACATTAATGGCAATCTTCATCCAGATTCTGCCACTCTTGTTAGTGACATTGACATCACTTTCTTAAAGAAAGATGCTCCATATATAGTGGGTGATGTTGTTCAAGAGGGTGTTTTAACTGCTGTGGTTATACCTACTAAAAAGGCTGGTGGCACTACTGAAATGCTAGCGAAAGCTTTGAGAAAAGTGCCAACAGACAATTATATAACCACTTACCCGGGTCAGGGTTTAAATGGTTACACTGTAGAGGAGGCAAAGACAGTGCTTAAAAAGTGTAAAAGTGCCTTTTACATTCTACCATCTATTATCTCTAATGAGAAGCAAGAAATTCTTGGAACTGTTTCTTGGAATTTGCGAGAAATGCTTGCACATGCAGAAGAAACACGCAAATTAATGCCTGTCTGTGTGGAAACTAAAGCCATAGTTTCAACTATACAGCGTAAATATAAGGGTATTAAAATACAAGAGGGTGTGGTTGATTATGGTGCTAGATTTTACTTTTACACCAGTAAAACAACTGTAGCGTCACTTATCAACACACTTAACGATCTAAATGAAACTCTTGTTACAATGCCACTTGGCTATGTAACACATGGCTTAAATTTGGAAGAAGCTGCTCGGTATATGAGATCTCTCAAAGTGCCAGCTACAGTTTCTGTTTCTTCACCTGATGCTGTTACAGCGTATAATGGTTATCTTACTTCTTCTTCTAAAACACCTGAAGAACATTTTATTGAAACCATCTCACTTGCTGGTTCCTATAAAGATTGGTCCTATTCTGGACAATCTACACAACTAGGTATAGAATTTCTTAAGAGAGGTGATAAAAGTGTATATTACACTAGTAATCCTACCACATTCCACCTAGATGGTGAAGTTATCACCTTTGACAATCTTAAGACACTTCTTTCTTTGAGAGAAGTGAGGACTATTAAGGTGTTTACAACAGTAGACAACATTAACCTCCACACGCAAGTTGTGGACATG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ATGAAGACGACTCTGAGCCAGTGCTCAAAGGAGTCAAATTACATTACACATAA
corneliusroemer commented 2 years ago

Good experiment, I wouldn't go so far to say it doesn't work. The placement on the tree is correct, it's just that Alpha is defined (by Nextstrain) by certain non-S mutations. So the placement on the tree is just before Alpha, it's really good, just not enough to be labelled Alpha.

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ivan-aksamentov commented 2 years ago

Hi @gbbio, this is an excellent question!

This is not something we considered. Nextclade is mostly tailored towards analyzing full sequences. However, users requested in the past that we allow for short inputs too.

It's hard to tell if the results are reliable. It depends on what you are trying to do.

Nextclade's analysis pipeline consists of 7 steps: https://docs.nextstrain.org/projects/nextclade/en/stable/user/algorithm/index.html and at each of those things may go wrong in subtle ways if the sequence is incomplete.

In particular, for clade assignment, Nextclade tries to find the nearest node on the reference tree (coming from either a dataset or from --input-tree) according to the distance metric described in Algorithm/Phylogenetic placement (source code is here). Then the clade is copied over from the nearest node.

The M_unknown (undetermined_sites in the code) is probably playing a big role here. And then the nearest node search will also be skewed towards the nodes that have similar mutations in S only.

Nextclade also tries to help by showing the mutations it detects, so at least you can also do the work manually if needed.

I hope it clarifies it a little.

Let us know if you have ideas on how to improve the analysis of short sequences and make it more useful.

gbbio commented 2 years ago

I could think about it but I am affraid you would need to create a new tree and nomenclature. Still thanks for answering my question.

ivan-aksamentov commented 2 years ago

This pull request may bring some improvements to the analysis of short/incomplete sequences https://github.com/nextstrain/nextclade/pull/613

corneliusroemer commented 2 years ago

The 20I/B misassignment was fixed with the most recent dataset release. The misassignment was likely caused because the spike was closer to the recombinant XA than B.1.1.7

We're now excluding recombinants pango lineages so assignment using Spike only should be more stable.

corneliusroemer commented 2 years ago

This should sort of work now - though there will be much uncertainty with short sequences as there's much less phylogenetic information. We're working on surfacing placement uncertainty.

gbbio commented 2 years ago

Even closed I can still leave a comment. At the time this was solved by removing the recombinants, after the removal clade 20I and 20B where classified correct with spike only most of the time (on top of my head). For a long time spike only was good enough but not anymore. In my latest test it looks like 22B can not be classefied with spike only and 22C had a 9% incorrect classification on my set on spike only. This is all very logical but just for people that are going to try this keep it in mind.

corneliusroemer commented 2 years ago

Are you using the non-recombinant dataset for this?

That should work much better for Spike only.

On Thu, Jul 28, 2022, 09:47 gbbio @.***> wrote:

Even closed I can still leave a comment. At the time this was solved by removing the recombinants, after the removal clade 20I and 20B where classified correct with spike only most of the time (on top of my head). For a long time spike only was good enough but not anymore. In my latest test it looks like 22B can not be classefied with spike only and 22C had a 9% incorrect classification on my set on spike only. This is all very logical but just for people that are going to try it keep it in mind.

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