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1/7/17 1 NGS Data Quality Control Suzanne M. Leal [email protected] Copyrighted © S.M. Leal 2017 Phenotype Quality Control Select samples on one or more qualitative and or quantitative phenotypes For covariates missing values are replaced with average values for the cohort e.g. Body mass index (BMI) Quantitative traits Outliers windorize If data violates normality QQ normalization Phenoman Li et al. 2014 Bioinformatics NGS Data Quality Control Extremely important to perform before data analysis Poor data quality can increase type I and II errors Sequence quality can be influenced by DNA quality Sequencing machines (read length) Sequencing depth Alignment Variant Calling SNVs and Indels NGS Data Quality Control (QC) Protocols for data control are in their infancy No set protocols for QC QC which has to be performed is data specific Dependent on read depth Batch effects Availability of duplicate samples NGS Data Quality – Removal of Genotype Calls Sequence read genotype depth (GD) Concerned if GD is too low or too high* GD too low insufficient reads to call a variant site GD too high can be an indication of copy number variants which can introduce false positive variant calls » *Due to down sampling in GATK maximum GD is 250 Remove genotypes with low read depth, e.g. DP<8 and high read depth e.g. >249 Genotype quality (GQ) score Removal of sites with low genotype quality core, e.g. GQ< 20 Removal of Individuals (Samples) due to Missing Data Remove individuals who are missing genotype calls/variant sites, e.g. > 10% This is to remove individuals with bad quality data who can potentially have bad genotype calls If using different capture arrays need to make sure the intersect is used

NGS Data Quality Control M3 - Baylor College of Medicine · Phenotype’Quality’Control •Select’samples’on’one’ormore’qualitative’and’or quantitative’phenotypes

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NGS  Data  Quality  ControlSuzanne  M.  [email protected]

Copyrighted  ©  S.M.  Leal  2017

Phenotype  Quality  Control

• Select  samples  on  one  or  more  qualitative  and  or  quantitative  phenotypes

• For  covariates  missing  values  are  replaced  with  average  values  for  the  cohort– e.g.    Body  mass  index  (BMI)

• Quantitative  traits– Outliers  

• windorize– If  data  violates  normality  

• QQ  normalization

• Phenoman Li  et  al.  2014  Bioinformatics

NGS  Data  Quality  Control

• Extremely  important  to  perform  before  data  analysis– Poor  data  quality  can  increase  type  I  and  II  errors

• Sequence  quality  can  be  influenced  by– DNA  quality– Sequencing  machines  (read  length)– Sequencing  depth– Alignment  – Variant  Calling

• SNVs  and  Indels

NGS  Data  Quality  Control  (QC)

• Protocols  for  data  control  are  in  their  infancy• No  set  protocols  for  QC• QC  which  has  to  be  performed  is  data  specific– Dependent  on  read  depth  – Batch  effects– Availability  of  duplicate  samples

NGS  Data  Quality  – Removal  of  Genotype  Calls

• Sequence  read  genotype  depth  (GD)• Concerned  if  GD  is  too  low  or  too  high*

– GD  too  low  insufficient  reads  to  call  a  variant  site– GD  too  high  can  be  an  indication  of  copy  number  variants  which  can  introduce  false  positive  variant  calls  » *Due  to  down  sampling  in  GATK  maximum  GD  is  250

• Remove  genotypes  with  low  read  depth,  e.g.  DP<8  • and  high  read  depth  e.g.  >249

– Genotype  quality  (GQ)  score• Removal  of  sites  with  low  genotype  quality  core,  e.g.  GQ<  20

Removal  of  Individuals  (Samples)  due  to  Missing  Data  

• Remove  individuals  who  are  missing  genotype  calls/variant  sites,  e.g.  >  10%– This  is  to  remove  individuals  with  bad  quality  data  who  can  potentially  have  bad  genotype  calls

• If  using  different  capture  arrays  need  to  make  sure  the  intersect  is  used

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NGS  Data  Quality  ControlRemoval  of  Variant  Sites

• Removal  of  sites  with  missing  data– e.g.  missing  >  10%  of  genotypes

• Removal  of  “novel”  variant  sites  which  only  occur  in  one  batch  and  the  alternative  allele  is  observed  multiple  times  or  the  minor  allele  frequency  is  high  in  overall  sample  

• Removal  of  sites  that  deviate  from  HWE– Must  be  performed  by  population  if  the  study  consists  of  more  than  one  ethnic  group,  e.g.  African  American  and  European  American

– Related  individuals  should  also  be  removed  from  the  sample

NGS  Data  Quality  Control• Values  which  are  used  for  GD,  GQ  and  missing  data  cut  offs  are  based  upon  – Concordance  rates  

• if  there  duplicate  samples  are  available– Ti/Tv ratios

• For  individuals• Entire  sample

– Removal  of  batch  effects  • As  evaluated  by  multidimensional    scaling  (MDS)  or• Principal  components  analysis  (PCA)

– Amount  of  data  removed• Quality  control  can  remove  substantial  amounts  of  data  which  should  be  avoided  e.g.  >15%  of  variant  sites

NGS  Data  Quality  Control• After   Variant  Quality  Score  Recalibration  (VQSR)  or– GATK

• Support  Vector  Machine  (SVM)– UMAKE  pipeline

• These  routines  are  used  to  determine  sites  of  bad  quality

• However  even  after  this  step  – concordance  of  duplicates  (when  available)  and  – and  Ti/Tv ratios  are  often  low  

• Variant  Association  Tools  (VAT)– Can  be  used  for  additional  data  cleaning

Transition/Transversion (Ti/TV)  Ratios

A C

GT

TransitionTransversion

• Transition• Purine Purine• Pyrimidine Pyrimidine

• Transversion• Purine Pyrimidine• Pyrimidine Purine

Transition/Transversion (Ti/TV)  Ratios

A C

GT

TransitionTransversion

• Ti/Tv Ratios• Whole  genome ~2.0  • Exome  novel  ~2.7  • Exome  known  ~3.5

• Ti/Tv ratios  can  be  calculated  by  • Sample  or• Dataset

• Ti/Tv ratios  can  be  evaluated  for  subsets  of  the  data• e.g.  by  batch  

QC-­‐Pipeline

See  Figure  2  in  Wang  et  al.  AJHG  2014

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Example  -­‐Project  Description• 1,667 Samples• Seven  cohorts• Two sequencing centers– Center  1

• Two  capture  arrays– NimbleGen V2Refseq  2010  (CA1):  1082

» Batch  1  and  3– NimbleGen bigexome 2011  (CA2):  234

» Batch  2– Center  2

• One capture array– Agilent  SureSelect

» Batch  4

• Four  batches• No  intentional  duplicate  samples

Example  Project  Description• Intersection  of  the  three  capture  arrays  used– NimbleGen V2Refseq  2010

• Batch  1  and  3– NimbleGen bigexome 2011

• Batch  2– Agilent  Sure  Select  

• Batch  4• Sequencing  machine– Illumina HiSeq

• Sequence  alignment– BWA

• Multi-­‐sample  variant  calling– GATK

Sequence  Data  QC  Overview

• Variant  and  genotype  call  level– Evaluation  of  batch  effects

• Genotype  call  level  – Removal  of  genotype  calls– Low  or  high  depth  of  coverage  DP  <  8  & DP  >  249– Low  genotype  quality  score  GQ  <  20

Sequence  Data  QC  Overview

• Removal  of  individual  samples– >20%  missing  data

• After  taking  the  intersect  of  capture  arrays– Samples  without  phenotype  information

• Variant  level  – removal  of  variant  sites– Low  call  rate

• i.e.,  missing  call  rate  >  10%– “Novel”  variant  sites  observed  >2  only  in  a  single  batch– Deviation  from  Hardy-­‐Weinberg-­‐Equilibrium

• Population  specific• Unrelated  individuals  

– p<5  x  10-­‐7

Sequence  Data  QC  Overview

• Detection  of  sample  outliers      – Perform  multidimensional  scaling  (MDS)  to  detect  outliers• Due  to  population  substructure/admixture  and  batch  effects• Remove  effects  by  

– Additional  QC– Removal  of  outliers  and\or  – Inclusion  of  MDS  or  PCA  components  in  the  association  analysis

Sequence  Data  QC  Overview• Evaluate  sex  of  individuals  based  upon  X  and  Y  

chromosomal  data– Sample  mix-­‐ups– Individuals  with  Turner  or  Klinefelter Syndrome

• Evaluate  samples  for  cryptically  related  individuals  and  duplicate  samples– King  or  Plink  algorithm– Retain  one  duplicate  of  a  pair– Retain  only  individual  of  a  relative  group  or  control  for  relatedness  in  the  analysis

• Post  Analysis  -­‐ Quantile-­‐Quantile (QQ)plots– To  evaluate  uncontrolled  batch  effects  and  population  substructure/admixture

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Evaluating  Batch  Effects

Mean  DP  by  Batch

Mean  GQ  by  Batch Genotypes  Removed  by  DP  Cut-­‐offBy  Batch

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20%

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1 2 3 4 5 6 7 8 910 15 20 30 40Genotype Depth Cutoff

Gen

otyp

es R

emov

ed

Batch● Batch1

Batch2Batch3Batch4

Genotypes  Removed  by  DP  Cut-­‐offBy  Batch  (GQ  >20)

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15%

20%

25%

30%

35%

40%

1 2 3 4 5 6 7 8 910 15 20 30 40Genotype Depth Cutoff

Gen

otyp

es R

emov

ed

Batch● Batch1

Batch2Batch3Batch4

Genotypes  Removed  by  GQ  Cut-­‐offsBy  Batch

0%

5%

10%

15%

20%

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Genotype Quality Cutoff

Gen

otyp

es R

emov

ed

Batch● Batch1

Batch2Batch3Batch4

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Genotypes  Removed  by  GQ  Cut-­‐offsBy  Batch  (DP>8)

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0%

5%

10%

15%

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Genotype Quality Cutoff

Gen

otyp

es R

emov

ed

Batch● Batch1

Batch2Batch3Batch4

Missing  Rate  Criteria  &  Sites  Removed

10% 5%

Before  QC* 2.5% 3.9%

After  QC 12.9% 18.3%

Variant  sites  missing  >10%  of  their  data  were  removed

*After  VQSR

Ti/Tv  Ratios  during  QC  Process  

Known Novel All

Before  VQSR 2.95  ± 0.05 1.18  ± 0.29 2.86  ± 0.07

Before QC 3.12  ± 0.03 2.01± 0.32 3.11± 0.03

Genotype QC  DP<8,  GQ  <20 3.18± 0.04 2.10±0.32 3.16± 0.03

Remove sites  missing  >10%  genotypes   3.39± 0.04 2.42± 0.52 3.39± 0.04

Remove batch  specific  novel  sites  > 2  N=17,835 3.39± 0.04 2.41± 0.53 3.39± 0.04

Remove sites  deviating  from    HWE  p<5x10-­‐7N=4,414 3.41± 0.04 2.39± 0.54 3.40± 0.04

Ti/Tv Ratios  by  IndividualBefore  and  After  QC

All                                      Known                                Novel   All                                    Known                              Novel    Before  QC                                                                                                                            After  QC

Ti/Tv Ratios

Detecting  Outliers  Using  Multidimensional  Scaling  (MDS)  

• Multidimensional  Scaling  (MDS)  and  principal  components  analysis  (PCA)  are  frequently  used  to  detect  outliers  – MDS  &  PCA  can  also  be  used  to  control  for  substructure  in  the  analysis

• Outliers  can  be  cause  by  – Population  stratification– Population  substructure– Batch  Effects

Sequence  Data  QC

• Batch  effects  can  sometimes  be  removed  with  additional  QC  

• Extreme  outliers  should  be  removed• Additionally  MDS  or  PCA  components  can  be  included  in  the  analysis  to  control  for  population  substructure\admixture  and  batch  effects– Unless  correlated  with  the  outcome  (phenotype)

• Or  for  batch  effects  (dummy  coding)  may  be  included  as  a  covariate  in  the  analysis– Unless  correlated  with  the  outcome  (phenotype)

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MDS  First  2  Components  Before  QC*

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−0.050

−0.025

0.000

0.025

−0.05 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20

king_all_variant_MDS1

king_all_variant_M

DS2

batch●

1234

*After  VQSR

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king_VLQC_BMR10_MDS1

king_VLQ

C_BMR10_M

DS2

batch●

1234

MDS  First  2  Components  After  QC

Samples  excluded

Reason NumberMissing primary  phenotype 26

Excluded  due  to  not  meeting  phenotype  criteria   118

High genotype  missing  rate  (>  20%) 11

1st and 2nd MDS  components plot  outliers 6

Total 176

Total  number  of  samples  1506  for  analysis  From  a  total  of  1667  

Checking  for  Cryptic  Related  Individuals  and  Duplicate  Samples

• Inclusion  of  related  individuals/duplicate  samples  can  increase  type  I  and  II  errors

• Only  one  individual  for  a  relative  group  or  one  individual  from  a  duplicate  sample  should  be  retained  in  the  analysis– Based  upon  availability  of  phenotype  data  and  quality  of  sequence  data

Checking  for  Cryptically  Related  Individuals  and  Duplicate  Samples

• If  related  individuals  are  included  in  the  analysis  then  to  control  type  I  and  II  errors– Mixed  models  should  be  used  to  analyze  the  data  or    – p-­‐values  can  be  obtained  empirical– Fixed  effects  model  including  MDS  or  PCA  components  is  not  sufficient  

Checking  for  Cryptically  Related  Individuals  and  Duplicate  Samples

• PLINK  algorithm  which  is  based  on  identical-­‐by-­‐descent  (IBD)  statistic  under  the  assumption  of  homogeneous  population  or

• KING-­‐robust  algorithm  which  uses  an  estimate  of  the  genome-­‐wide  average  heterozygosityacross  individuals  to  compute  an  estimator  of  kinship  coefficient

• VAT  implements  the  KING-­‐robust  algorithm  

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Checking  for  Cryptically  Related  Individuals  and  Duplicate  Samples

• PLINK  algorithm– Can  cause  unrelated  individuals  to  look  related  when  there  are  batch  effects  or  population  substructure/admixture  

• KING-­‐robust  algorithm– Problem  is  not  as  severe

Cryptic  Relatedness

Analysis  all  Samples Analysis  by  Batch

Cryptic  Relatedness  Third  Degree  Relatives

Analysis  all  Samples Analysis  by  Batch

Related  individuals

Type Pairs IndividualsMZ  twin\or  Duplicate 1 2

1st degree 50 78

2nd degree 42 68

3rd degree 97 101

Total 190 209

Evaluating  Data  QC  Post-­‐AnalysisQuantile-­‐Quantile Plots  

• Plot  – –ln (observed  p-­‐values)  vs –ln (expected  p-­‐values)

• Deflated  p-­‐values  (smaller  than  expected)– Observed  as  points  above  the  horizontal  line• Indicating  type  I  errors

• Inflation  of  the  p-­‐values  (larger  than  expected)– Observed  as  points  below  the  horizontal  line• Indicating  type  II  errors

Evaluating  Data  QC  Post-­‐AnalysisQuantile-­‐Quantile Plots  

• Lambda  which  is  the  standardized  mean  of  the  test  statistic  is  used  evaluated  if  there  is  inflation  λ<1  or  deflation  λ>1  of  the  p-­‐values– However  caution  should  be  used  – there  can  still  be  deflation  of  the  p-­‐values  (increased  type  I  error)  when  λ=1  

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QQ  Plots

• Inflation  of  p-­‐values  (type  II  errors)  when  the  – Study  is  underpowered

• Deflation  of  p-­‐values  (type  I  errors)  when  there  is– Population  substructure/admixture– Batch  effects– Different  missing  rates  of  genotype  data  between  cases  and  controls• Only  true  for  aggregate  rare  variant  association  tests

– Related  Individuals– For  quantitative  traits

• Deviations  from  normality

Quantile-­‐Quantile (Q-­‐Q)  PlotRare  Variant  Association  Analysis  

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