NGS基础---Plink文件格式ped/map和bed/bim/fam

Plink软件被广泛应用，在遗传学，全基因组关联分析中占据重要位置。通常基因型文件存储为VCF格式、Hapmap格式，Plink软件也有自己的文件格式，下面是学习笔记。

Plink中常用的文件输入是map文件和ped文件，这两个文件可以从VCF文件（Plink，VCFtools， tassel）或者Hapmap文件（tassel）转换生成，或者自己写软件完成，有个问题，在VCF转换Hapmap文件时，Hapmap文件Ref allele 和Alt allele的顺序并非VCF中顺序，需要注意。
此外，Plink中也可以将上面的基因型文件转换为二进制格式的bed、bim、fam文件格式。下面进行几种常用文件的介绍。

1. map/ped文件

map/ped文件在Plink中通常输出的文件存在，tped和tfam为二者的转置文件。

（1）map文件

Map文件（variant information text file）主要记录变异位置信息，由四列构成（map文件没有列名，无Header信息）：

## 官网描述
Chromosome code. （PLINK 1.9 and 2.0 also permit contig names here, but most older programs do not.）
Variant ID （SNPs）
Position in centimorgans (optional; safe to use dummy value of '0')
Base-pair coordinate (1-based; limited to 231-2)

其实就是：染色体号，标记名，遗传距离cM， 物理位置
Chromosome
Marker ID
Genetic distance
Physical position
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

遗传距离通常没有，可以使用0代替，也可以使用-9，-9在Plink中代表缺失。例如下面玉米的基因型数据默认生成即为 -9。

## 人类数据
21	rs11511647	0	26765
X	rs3883674	0	32380
X	rs12218882	0	48172
9	rs10904045	0	48426
9	rs10751931	0	49949
8	rs11252127	0	52087
10	rs12775203	0	52277
8	rs12255619	0	52481

## 玉米数据
1       chr1.s_7111     -9      7111
1       chr1.s_7140     -9      7140
1       chr1.s_7141     -9      7141
1       chr1.s_21184    -9      21184
1       chr1.s_21632    -9      21632
1       chr1.s_23154    -9      23154
1       chr1.s_23578    -9      23578
1
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5
6
7
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9
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18

（2）ped文件（ 文件效率低，不建议下游分析使用）

Ped文件（Pedigree information + genotype call text file）主要记录系谱和基因型信息。
Ped文件没有表头，每行包含6+2V个数据（空格或tab分割），前6列为系谱信息列，其中2V为基因型列。第7列开始为基因型列。
其中第7列和第8列为第一个材料的基因型，第9列和第10列为第二个材料的基因型，以此类推，因此，V个材料有2V列表示其基因型。

前6列信息如下：

Family ID ('FID')
Individual ID ('IID'; cannot be '0')
Individual ID of father ('0' if father isn't in dataset)
Individual ID of mother ('0' if mother isn't in dataset)
Sex code ('1' = male, '2' = female, '0' = unknown)
Phenotype value ('1' = control, '2' = case, '-9'/'0'/non-numeric = missing data if case/control)
1
2
3
4
5
6

举例：

FAM1	NA06985	0	0	1	1	A	T	T	T	G	G	C	C	A	T	T	T	G	G	C	C
FAM1	NA06991	0	0	1	1	C	T	T	T	G	G	C	C	C	T	T	T	G	G	C	C
0	NA06993	0	0	1	1	C	T	T	T	G	G	C	T	C	T	T	T	G	G	C	T
0	NA06994	0	0	1	1	C	T	T	T	G	G	C	C	C	T	T	T	G	G	C	C
0	NA07000	0	0	2	1	C	T	T	T	G	G	C	T	C	T	T	T	G	G	C	T
0	NA07019	0	0	1	1	C	T	T	T	G	G	C	C	C	T	T	T	G	G	C	C
0	NA07022	0	0	2	1	C	T	T	T	G	G	0	0	C	T	T	T	G	G	0	0
0	NA07029	0	0	1	1	C	T	T	T	G	G	C	C	C	T	T	T	G	G	C	C
FAM2	NA07056	0	0	0	2	C	T	T	T	A	G	C	T	C	T	T	T	A	G	C	T
FAM2	NA07345	0	0	1	1	C	T	T	T	G	G	C	C	C	T	T	T	G	G	C	C
1
2
3
4
5
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9
10

2. Binary文件（prefix.bed 、prefix.bim 、 prefix.fam）

为了节省存储和时间，而已使用Plink binary格式数据（3个文件）：prefix.bed 、prefix.bim 、 prefix.fam。
分别介绍三个文件的格式，由此课件bed为binary格式，另外两个仍为文本格式。

生成命令为：

## mydata为map/ped前缀
plink --file mydata --out mydata --make-bed
1
2

mydata.bed
mydata.fam
mydata.bim
1
2
3

默认输出的前缀是plink：

 plink.bed      ( binary file, genotype information )
 plink.fam      ( first six columns of mydata.ped ) 
 plink.bim      ( extended MAP file: two extra cols = allele names)
1
2
3

（1）prefix.fam

prefix.fam文件内容如下：

Family ID ('FID')
Individual ID ('IID'; cannot be '0')
Individual ID of father ('0' if father isn't in dataset)
Individual ID of mother ('0' if mother isn't in dataset)
Sex code ('1' = male, '2' = female, '0' = unknown)
Phenotype value ('1' = control, '2' = case, '-9'/'0'/non-numeric = missing data if case/control)
1
2
3
4
5
6

例子：

-9 MG_1086_X_MG_1542 -9 -9 0 -9
-9 MG_682_X_MG_1542 -9 -9 0 -9
-9 MG_442_X_MG_1542 -9 -9 0 -9
-9 MG_930_X_MG_1542 -9 -9 0 -9
1
2
3
4

（2）prefix.bim

prefix.bim文件内容如下：

Chromosome
Marker ID
Genetic distance
Physical position
Minor Allele
Major Allele
1
2
3
4
5
6

例子：

1       chr1.s_7111     -9      7111    T       C
1       chr1.s_7140     -9      7140    T       C
1       chr1.s_7141     -9      7141    T       C
1       chr1.s_21184    -9      21184   C       A
1
2
3
4

（3）prefix.bed

二进制文件：

详细基因型编码规则参看：
 http://www.cog-genomics.org/plink/1.9/formats#bed
1
2

3. 文件生成

Hapmap文件转为二进制格式

#!/usr/bin/bash
for i in M1404.hmp
do
	echo start processing $i
	echo `date`
	# convert hmp to plink(map/ped)
	run_pipeline.pl  -Xms51200m -Xmx500600m -fork1 -h $i\
	      	-export  ${i/.hmp} -exportType Plink
	echo ${i/hmp}plk
	plink --file ${i/hmp}plk --make-bed --out ${i/.hmp}  &
done
1
2
3
4
5
6
7
8
9
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参考：
https://www.animalgenome.org/bioinfo/resources/manuals/plink_files
https://www.cog-genomics.org/plink/2.0/formats#ped （软件说明）
https://zzz.bwh.harvard.edu/plink/data.shtml#map （软件说明）
https://www.jianshu.com/p/f7bbd57ccafd （plink简单使用）