The lion's share of bacteria in various environments cannot be cloned in the laboratory and thus cannot be sequenced using existing technologies. A major goal of single-cell genomics is to complement gene-centric metagenomic data with whole-genome assemblies of uncultivated organisms. Assembly of single-cell data is challenging because of highly non-uniform read coverage as well as elevated levels of sequencing errors and chimeric reads. We describe SPAdes, a new assembler for both single-cell and standard (multicell) assembly, and demonstrate that it improves on the recently released E+V−SC assembler (specialized for single-cell data) and on popular assemblers Velvet and SoapDeNovo (for multicell data). SPAdes generates single-cell assemblies, providing information about genomes of uncultivatable bacteria that vastly exceeds what may be obtained via traditional metagenomics studies. SPAdes is available online (http://bioinf.spbau.ru/spades). It is distributed as open source software.

SPAdes-St. Petersburg genome Assembler-was originally developed for de novo assembly of genome sequencing data produced for cultivated microbial isolates and for single-cell genomic DNA sequencing. With time, the functionality of SPAdes was extended to enable assembly of IonTorrent data, as well as hybrid assembly from short and long reads (PacBio and Oxford Nanopore). In this article we present protocols for five different assembly pipelines that comprise the SPAdes package and that are used for assembly of metagenomes and transcriptomes as well as assembly of putative plasmids and biosynthetic gene clusters from whole-genome sequencing and metagenomic datasets. In addition, we present guidelines for understanding results with use cases for each pipeline, and several additional support protocols that help in using SPAdes properly. © 2020 Wiley Periodicals LLC. Basic Protocol 1: Assembling isolate bacterial datasets Basic Protocol 2: Assembling metagenomic datasets Basic Protocol 3: Assembling sets of putative plasmids Basic Protocol 4: Assembling transcriptomes Basic Protocol 5: Assembling putative biosynthetic gene clusters Support Protocol 1: Installing SPAdes Support Protocol 2: Providing input via command line Support Protocol 3: Providing input data via YAML format Support Protocol 4: Restarting previous run Support Protocol 5: Determining strand-specificity of RNA-seq data.

Recent advances in single-cell genomics provide an alternative to largely gene-centric metagenomics studies, enabling whole-genome sequencing of uncultivated bacteria. However, single-cell assembly projects are challenging due to (i) the highly nonuniform read coverage and (ii) a greatly elevated number of chimeric reads and read pairs. While recently developed single-cell assemblers have addressed the former challenge, methods for assembling highly chimeric reads remain poorly explored. We present algorithms for identifying chimeric edges and resolving complex bulges in de Bruijn graphs, which significantly improve single-cell assemblies. We further describe applications of the single-cell assembler SPAdes to a new approach for capturing and sequencing “microbial dark matter” that forms small pools of randomly selected single cells (called a mini-metagenome) and further sequences all genomes from the mini-metagenome at once. On single-cell bacterial datasets, SPAdes improves on the recently developed E+V-SC and IDBA-UD assemblers specifically designed for single-cell sequencing. For standard (cultivated monostrain) datasets, SPAdes also improves on A5, ABySS, CLC, EULER-SR, Ray, SOAPdenovo, and Velvet. Thus, recently developed single-cell assemblers not only enable single-cell sequencing, but also improve on conventional assemblers on their own turf. SPAdes is available for free online download under a GPLv2 license.

The emergence of high-throughput sequencing technologies revolutionized genomics in early 2000s. The next revolution came with the era of long-read sequencing. These technological advances along with novel computational approaches became the next step towards the automatic pipelines capable to assemble nearly complete mammalian-size genomes.In this manuscript, we demonstrate performance of the state-of-the-art genome assembly software on six eukaryotic datasets sequenced using different technologies. To evaluate the results, we developed QUAST-LG-a tool that compares large genomic de novo assemblies against reference sequences and computes relevant quality metrics. Since genomes generally cannot be reconstructed completely due to complex repeat patterns and low coverage regions, we introduce a concept of upper bound assembly for a given genome and set of reads, and compute theoretical limits on assembly correctness and completeness. Using QUAST-LG, we show how close the assemblies are to the theoretical optimum, and how far this optimum is from the finished reference.http://cab.spbu.ru/software/quast-lg.Supplementary data are available at Bioinformatics online.

Abstract Background The possibility of generating large RNA-sequencing datasets has led to development of various reference-based and de novo transcriptome assemblers with their own strengths and limitations. While reference-based tools are widely used in various transcriptomic studies, their application is limited to the organisms with finished and well-annotated genomes. De novo transcriptome reconstruction from short reads remains an open challenging problem, which is complicated by the varying expression levels across different genes, alternative splicing, and paralogous genes. Results Herein we describe the novel transcriptome assembler rnaSPAdes, which has been developed on top of the SPAdes genome assembler and explores computational parallels between assembly of transcriptomes and single-cell genomes. We also present quality assessment reports for rnaSPAdes assemblies, compare it with modern transcriptome assembly tools using several evaluation approaches on various RNA-sequencing datasets, and briefly highlight strong and weak points of different assemblers. Conclusions Based on the performed comparison between different assembly methods, we infer that it is not possible to detect the absolute leader according to all quality metrics and all used datasets. However, rnaSPAdes typically outperforms other assemblers by such important property as the number of assembled genes and isoforms, and at the same time has higher accuracy statistics on average comparing to the closest competitors.

Abstract The Long-read RNA-Seq Genome Annotation Assessment Project Consortium was formed to evaluate the effectiveness of long-read approaches for transcriptome analysis. Using different protocols and sequencing platforms, the consortium generated over 427 million long-read sequences from complementary DNA and direct RNA datasets, encompassing human, mouse and manatee species. Developers utilized these data to address challenges in transcript isoform detection, quantification and de novo transcript detection. The study revealed that libraries with longer, more accurate sequences produce more accurate transcripts than those with increased read depth, whereas greater read depth improved quantification accuracy. In well-annotated genomes, tools based on reference sequences demonstrated the best performance. Incorporating additional orthogonal data and replicate samples is advised when aiming to detect rare and novel transcripts or using reference-free approaches. This collaborative study offers a benchmark for current practices and provides direction for future method development in transcriptome analysis.

Abstract Alternative RNA splicing varies across brain regions, but the single-cell resolution of such regional variation is unknown. Here we present the first single-cell investigation of differential isoform expression (DIE) between brain regions, by performing single cell long-read transcriptome sequencing in the mouse hippocampus and prefrontal cortex in 45 cell types at postnatal day 7 ( www.isoformAtlas.com ). Using isoform tests for brain-region specific DIE, which outperform exon-based tests, we detect hundreds of brain-region specific DIE events traceable to specific cell-types. Many DIE events correspond to functionally distinct protein isoforms, some with just a 6-nucleotide exon variant. In most instances, one cell type is responsible for brain-region specific DIE. Cell types indigenous to only one anatomic structure display distinctive DIE, where for example, the choroid plexus epithelium manifest unique transcription start sites. However, for some genes, multiple cell-types are responsible for DIE in bulk data, indicating that regional identity can, although less frequently, override cell-type specificity. We validated our findings with spatial transcriptomics and long-read sequencing, yielding the first spatially resolved splicing map in the postnatal mouse brain ( www.isoformAtlas.com ). Our methods are highly generalizable. They provide a robust means of quantifying isoform expression with cell-type and spatial resolution, and reveal how the brain integrates molecular and cellular complexity to serve function.

Abstract Single-nuclei RNA-Seq is being widely employed to investigate cell types, especially of human brain and other frozen samples. In contrast to single-cell approaches, however, the majority of single-nuclei RNA counts originate from partially processed RNA leading to intronic cDNAs, thus hindering the investigation of complete isoforms. Here, using microfluidics, PCR-based artifact removal, target enrichment, and long-read sequencing, we developed single-nuclei isoform RNA-sequencing (‘SnISOr-Seq’), and applied it to the analysis of human adult frontal cortex samples. We found that exons associated with autism exhibit coordinated and more cell-type specific inclusion than exons associated with schizophrenia or ALS. We discovered two distinct modes of combination patterns: first, those distinguishing cell types in the human brain. These are enriched in combinations of TSS-exon, exon-polyA site, and distant (non-adjacent) exon pairs. Second, those with all isoform combinations found within one neural cell type, which are enriched in adjacent exon pairs. Furthermore, adjacent exon pairs are predominantly mutually associated, while distant pairs are frequently mutually exclusive. Finally, we observed that human-specific exons are as tightly coordinated as conserved exons, pointing to an efficient evolutionary mechanism underpinning coordination. SnISOr-Seq opens the door to single-nuclei long-read isoform analysis in the human brain, and in any frozen, archived or hard-to-dissociate sample.

Cyclic and branch cyclic peptides (cyclopeptides) represent an important class of bioactive natural products that include many antibiotics and anti-tumor compounds. However, little is known about cyclopeptides in the human gut, despite the fact that humans are constantly exposed to them. To address this bottleneck, we developed the CycloNovo algorithm for de novo cyclopeptide sequencing that employs de Bruijn graphs, the workhorse of DNA sequencing algorithms. CycloNovo reconstructed many new cyclopeptides that we validated with transcriptome, metagenome, and genome mining analyses. Our benchmarking revealed a vast hidden cyclopeptidome in the human gut and other environments and suggested that CycloNovo offers a much-needed step-change for cyclopeptide discovery. Furthermore, CycloNovo revealed a wealth of anti-microbial cyclopeptides from food that survive the complete human gastrointestinal tract, raising the question of how these cyclopeptides might affect the human microbiome.

A decomposition} of a network flow is a set of weighted paths whose superposition equals the flow. The problem of characterising and computing safe walks for flow decompositions has so far seen only a partial solution by restricting the flow decomposition to consist of paths, and the graph to be directed and acyclic (emphDAG). However, the problem of decomposing into closed walks in a general graph (allowing cycles) is still open. In this paper, we give a simple and linear-time-verifiable complete characterisation (emphflowtigs) of walks that are emphsafe in such general flow decompositions, i.e. that are subwalks of any possible flow decomposition. Our characterisation generalises over the previous one for DAGs, using a more involved proof of correctness that works around various issues introduced by cycles. We additionally provide an optimal O(mn)-time algorithm that identifies all maximal flowtigs and represents them inside a compact structure. We also implement this algorithm and show that it is very fast in practice. On the practical side, we study flowtigs in the use-case of metagenomic assembly. By using the abundances of the metagenomic assembly graph as flow values, we can model the possible assembly solutions as flow decompositions into closed walks. Compared to reporting unitigs or maximal safe walks based only on the graph structure (emphstructural contigs), reporting flowtigs results in a notably more contiguous assembly. Specifically, on shorter contigs (75-percentile), we get an improvement in assembly contiguity of up to 100% over unitigs, and up to 61.9% over structural contigs. For the 50-percentile of contiguity we get an improvement of up to 17.0% over unitigs and up to 14.6% over structural contigs. These improvements are more pronounced the more complex the assembly graphs are, and the improvements of flowtigs over unitigs are multiple times larger compared to the improvements of previous safe walks over unitigs.