从NCBI-SRA和EBI-ENA数据库下载数据

一、简介

1.NCBI-SRA 数据库

SRA: Sequence Read Archive: It belongs to NCBI (National Center for Biotechnology Information), is a database storing high throughput sequencing (HTS) raw data, alignment information and metadata. Almost all HTS data in published publications will be asked uploading to here, and stored as .sra compressed file format.

SRA数据库: Sequence Read Archive：隶属NCBI (National Center for Biotechnology Information)，它是一个保存大规模平行测序原始数据以及比对信息和元数据 (metadata) 的数据库，所有已发表的文献中高通量测序数据基本都上传至此，方便其他研究者下载及再研究。其中的数据则是通过压缩后以.sra文件格式来保存的，SRA数据库可以用于搜索和展示SRA项目数据，包括SRA主页和 Entrez system，由 NCBI 负责维护。SRA数据库中的数据分为Studies, Experiments, Samples和相应的Runs四个层次：

  • Study：accession number 以 DRP，SRP，ERP 开头，表示的是一个特定目的的研究课题，可以包含多个研究机构和研究类型等。study 包含了项目的所有 metadata，并有一个 NCBI 和 EBI 共同承认的项目编号（universal project id），一个 study 可以包含多个实验（experiment）。

  • Sample：accession number以 DRS，SRS，ERS 开头，表示的是样品信息。样本信息可以包括物种信息、菌株(品系) 信息、家系信息、表型数据、临床数据,组织类型等。可以通过 Trace 来查询。

  • Experiment：accession number 以 DRX，SRX，ERX 开头。表示一个实验记载的实验设计（Design），实验平台（Platform）和结果处理 （processing）三部分信息。实验是 SRA 数据库的最基本单元，一个实验信息可以同时包含多个结果集（run）。

  • Run：accession number 以DRR，SRR，ERR 开头。一个 Run 包括测序序列及质量数据。

Submission：一个 study 的数据，可以分多次递交至 SRA 数据库。比如在一个项目启动前期，就可以把 study，experiment 的数据递交上去，随着项目的进展，逐批递交 run 数据。study 等同于项目，submission 等同于批次的概念。

2.EBI-ENA 数据库

ENA: European Nucleotide Archive: It belongs to EBI (European Bioinformatics Institute), although it has the same funtion with SRA, more annotations and friendlier website make it preferable. What’s more, you could download directly fastq.gz files from it.

ENA数据库：European Nucleotide Archive：隶属EBI (European Bioinformatics Institute)，功能等同SRA，并且对保存的数据做了注释，界面相对于SRA更友好，对于有数据需求的研究人员来说，ENA数据库最诱人的点应该是可以直接下载fastq (.gz)文件，由 EBI 负责维护。

两者在主要功能方面非常类似，同时数据互通。

二、数据下载

1. sra文件下载方式

下载.sra文件是为了获取该sra相对应的fastq或者sam文件，通过文件格式转换就可以和自己的pipeline对接上，用于直接分析，所以：

第一步，我们需要到SRA或者ENA上搜索我们选择好的SRR号或者SRS号或者SRP号，先在ENA上搜索，如没有再去SRA上搜索，因为ENA下载比SRA快。

第二步，下载数据，从 SRA 数据库下载数据有多种方法。

  • ascp快速下载 sra 文件；
  • wget或curl等传统命令从 FTP 服务器上下载 sra 文件（但是wget和curl下载的sra文件有时候会不完整）；
  • NCBI的sratoolkit 工具集中的prefetch、fastq-dump和sam-dump也支持直接下载，
  • biostar handbook中有一个wonderdump脚本也方便下载数据；

1.1 Aspera

Aspera Connect软件，这是IBM旗下的商业高速文件传输软件，随着高通量数据的大量产生，从而对于大文件快速传输的需求，开始应用到生物领域，与NCBI和EBI有协作合同，我们可以免费使用它下载高通量测序文件，体验飞一般的感觉，速度可飚至300-500M/s。下载完成后，本地用fastq-dump提取fastq文件，用sam-dump提取SAM文件。

传统的FTP、HTTP等数据传输协议都是基于TCP的，TCP在远距离数据传输中存在一些先天的不足，文件越大、距离越远，其丢包、延时等问题对于传输速度和效率的影响就越大。

（1）Aspera的安裝

下载链接

#download aspera lastest version：
wget https://download.asperasoft.com/download/sw/connect/3.8.1/ibm-aspera-connect-3.8.1.161274-linux-g2.12-64.tar.gz

tar xzvf ibm-aspera-connect-3.8.1.161274-linux-g2.12-64.tar.gz

#install aspera in server:
sh ibm-aspera-connect-3.8.1.161274-linux-g2.12-64.sh

#查看是否有.aspera文件夹  

cd         # 去根目录 
ls -a     # 如果看到.aspera文件夹，代表安装成功

# 永久添加环境变量
echo 'export PATH=~/.aspera/connect/bin:$PATH' >> ~/.bashrc  && cp ~/.bashrc~/.bash_profile

source ~/.bashrc ~/.bash_profile

# 查看帮助文档
ascp --help

ascp的用法（在线文档）：

ascp [参数] 目标文件 目标地址

常用参数
-v verbose mode 唠叨模式，能让你实时知道程序在干啥，方便查错。
-T 取消加密，否则有时候数据下载不了
-i 提供私钥文件的地址，免密从SRA和ENA下载，不能少，地址一般是~/.aspera/connect/etc中的asperaweb_id_dsa.openssh文件
-l 设置最大传输速度，一般200m到500m，如果不设置，反而速度会比较低，可能有个较低的默认值
-k 断点续传，一般设置为值1
-Q 用于自适应流量控制，磁盘限制所需
-P 用于SSH身份验证的TCP端口，一般是33001

（2）ascp 进行SRA数据库下载

ps：记住，SRA数据库的数据的存放地址是ftp-private.ncbi.nlm.nih.gov或者ftp.ncbi.nlm.nih.gov，SRA在Aspera的用户名是anonftp，下载范例：

ascp -v -QT -l 400m -P33001 -k1 -i ~/.aspera/connect/etc/asperaweb_id_dsa.openssh anonftp@ftp.ncbi.nlm.nih.gov:/sra/sra-instant/reads/ByRun/sra/SRR/SRR297/SRR2976573/SRR2976573.sra ~/rawdata/ascp/
 
#或者
ascp -v -QT -l 400m -P33001 -k1 -i ~/.aspera/connect/etc/asperaweb_id_dsa.openssh anonftp@ftp-private.ncbi.nlm.nih.gov:/sra/sra-instant/reads/ByRun/sra/SRR/SRR297/SRR2976573/SRR2976573.sra ~/rawdata/ascp/

注意：anonftp@ftp-private.ncbi.nlm.nih.gov和anonftp@ftp.ncbi.nlm.nih.gov后面是“ : ”号，不是路径/！

熟悉的人应该知道，NCBI-SRA数据库的sra文件前面的地址都是一样的/sra/sra-instant/reads/ByRun/sra/SRR/...，可以根据需要下载的sra文件来编写脚本进行批量下载sra文件！

/sra/sra-instant/reads/ByRun/sra/{SRR|ERR|DRR}/<first 6 characters of accession>/<accession>/<accession>.sra

因为sra文件前面的地址是一样的，除了后两个字段，所以也可以通过把sra文件的id写到一个文档，使用ascp批量下载文档中所有的sra文件，举例如下：

SRR_Download_List中包含如下：

/sra/sra-instant/reads/ByRun/sra/SRR/SRR297/SRR2976568/SRR2976568.sra
/sra/sra-instant/reads/ByRun/sra/SRR/SRR297/SRR2976569/SRR2976569.sra 
/sra/sra-instant/reads/ByRun/sra/SRR/SRR297/SRR2976570/SRR2976570.sra 
/sra/sra-instant/reads/ByRun/sra/SRR/SRR297/SRR2976571/SRR2976571.sra 
/sra/sra-instant/reads/ByRun/sra/SRR/SRR297/SRR2976572/SRR2976572.sra 
/sra/sra-instant/reads/ByRun/sra/SRR/SRR297/SRR2976573/SRR2976573.sra

使用 ascp批量下载该List下的sra文件：

ascp  -v -QT -l 400m -P33001 -k1 -i ~/.aspera/connect/etc/asperaweb_id_dsa.openssh  --mode recv --host ftp-private.ncbi.nlm.nih.gov --user anonftp --file-list SRR_Download_List  ~/rawdata/ascp/

#或者，host不同的情况下：
ascp  -v -QT -l 400m -P33001 -k1 -i  ~/.aspera/connect/etc/asperaweb_id_dsa.openssh  --mode recv --host ftp.ncbi.nlm.nih.gov --user anonftp --file-listSRR_Download_List   ~/rawdata/ascp/
（3）sratoolkit进行SRA数据库下载

NCBI 开发了 sratoolkit 工具来帮助处理 SRA 数据，正确配置后可以很方便的下载 SRA 数据。可以直接从 NCBI 上下载。最新的源码可以在 Github 获得。

另外，如果你安装并设置了 Aspera Connect，那么 prefetch 会优先使用ascp方式来下载，如果没有安装或则ascp下载失败，则切换成 HTTP 方式下载 sra 数据。另外 fastq-dump 命令（大概的命令）也能从远端直接下载数据，加上-X 1参数，会预先下载最前的5个 reads，加上-Z参数，则会将这些 reads 打印到终端输出。

/path of sratoolkit/prefetch -t ascp -a “~/.aspera/connect/etc/asperaweb_id_dsa.openssh” SRR2976573

/path of sratoolkit/fastq-dump -X 5 -Z SRR2976573

批量下载

cat sra.txt
SRR10951024
SRR10951025
SRR10951026
SRR10951027
SRR10951028
SRR10951029
SRR10951030
SRR10951031
SRR10951032
SRR10951033
SRR10951034
SRR10951035
SRR10951036
SRR10951037
SRR10951038


/path of sratoolkit/prefetch --option-file sra.txt

/path of sratoolkit/fastq-dump --fasta "default"  SRR10951038/SRR10951038.sra
（4）ascp进行ENA数据库下载

从ENA数据库进行下载，ENA数据库的数据存放位置是fasp.sra.ebi.ac.uk，ENA在Aspera的用户名是era-fasp，era-fasp@fasp.sra.ebi.ac.uk。如果要从ENA数据库下载SRR2976573，我们先搜索：

image

从截图中，我们可以发现我们可以自己设定显示哪些title（如：FASTQ files (Aspera)、FASTQ files (FTP)、NCBI SRA file (FTP)、NCBI SRA file (Aspera)）在表格中，再点击下载TEXT，可以在本地保存需要的信息，以便后期的数据下载。

单个数据下载例子，可以是sra文件，也可以是fastq.gz文件：

sra文件下载：

ascp -v -QT -l 400m -P33001 -k1 -i ~/.aspera/connect/etc/asperaweb_id_dsa.openssh era-fasp@fasp.sra.ebi.ac.uk:/vol1/srr/SRR297/003/SRR2976573 ~/rawdata/ascp/

FASTQ文件下载；

ascp -v -QT -l 400m -P33001 -k1 -i ~/.aspera/connect/etc/asperaweb_id_dsa.openssh era-fasp@fasp.sra.ebi.ac.uk:/vol1/fastq/SRR297/003/SRR2976573/SRR2976573_1.fastq.gz ~/rawdata/ascp/

ascp -v -QT -l 400m -P33001 -k1 -i ~/.aspera/connect/etc/asperaweb_id_dsa.openssh era-fasp@fasp.sra.ebi.ac.uk:/vol1/fastq/SRR297/003/SRR2976573/SRR2976573_2.fastq.gz ~/rawdata/ascp/

批量从ENA下载数据，比如我们在ENA搜索SRP067062，我们得到如下截图：

image

结果设置显示项目，再下载TEXT，我们可以得到：

image

分为SRA文件的txt和FASTQ文件的TXT：

ENA-Aspera-FASTQ.txt：

/vol1/fastq/SRR297/002/SRR2976562/SRR2976562_1.fastq.gz

/vol1/fastq/SRR297/002/SRR2976562/SRR2976562_2.fastq.gz

/vol1/fastq/SRR297/003/SRR2976563/SRR2976563_1.fastq.gz

/vol1/fastq/SRR297/003/SRR2976563/SRR2976563_2.fastq.gz

/vol1/fastq/SRR297/008/SRR2976568/SRR2976568_1.fastq.gz

/vol1/fastq/SRR297/008/SRR2976568/SRR2976568_2.fastq.gz

/vol1/fastq/SRR297/009/SRR2976569/SRR2976569_1.fastq.gz

/vol1/fastq/SRR297/009/SRR2976569/SRR2976569_2.fastq.gz

/vol1/fastq/SRR297/002/SRR2976572/SRR2976572_1.fastq.gz

/vol1/fastq/SRR297/002/SRR2976572/SRR2976572_2.fastq.gz

/vol1/fastq/SRR297/003/SRR2976573/SRR2976573_1.fastq.gz

/vol1/fastq/SRR297/003/SRR2976573/SRR2976573_2.fastq.gz

ENA-Aspera-SRA.txt：

/vol1/srr/SRR297/002/SRR2976562

/vol1/srr/SRR297/003/SRR2976563

/vol1/srr/SRR297/008/SRR2976568

/vol1/srr/SRR297/009/SRR2976569

/vol1/srr/SRR297/002/SRR2976572

/vol1/srr/SRR297/003/SRR2976573

批量下载代码：

ascp -v -QT -l 400m -P33001 -k1 -i ~/.aspera/connect/etc/asperaweb_id_dsa.openssh--mode recv --host fasp.sra.ebi.ac.uk --user era-fasp --file-list ENA-Aspera-FASTQ.txt ~/rawdata/ascp/

上面代码下载FASTQ.gz文件，下面代码下载的是SRA文件；

ascp -v -QT -l 400m -P33001 -k1 -i ~/.aspera/connect/etc/asperaweb_id_dsa.openssh --mode recv --host fasp.sra.ebi.ac.uk --user era-fasp --file-list ENA-Aspera-SRA.txt ~/rawdata/ascp/

遇到的问题

ascp下载ENA数据的时候有可能会出现Session Stop，解决方案：

第一、把ascp 的-l 不要设置的太大了，一般设置为500m就可以了；

第二、在root权限下设置udp端口，使用iptable设置如下：

iptables -I INPUT -p udp --dport 33001 -j ACCEPT

iptables -I OUTPUT -p udp --dport 33001 -j ACCEPT

总结

Aspera Connect的下载速度是最快的，相对于sratoolkit的套件下载和wget或者curl下载；并且Aspera的下载可以下载fastq文件和SRA文件，免去了SRA转至FASTQ的过程，该过程很耗时，特别耗时！

参考资料

https://blog.csdn.net/herokoking/article/details/78890567

https://ngs-data-for-pathogen-analysis.readthedocs.io/zh_CN/latest/chapter_01/01_get_data.html

https://anjingwd.github.io/AnJingwd.github.io/2017/08/06/SRA%E6%A0%BC%E5%BC%8F%E6%95%B0%E6%8D%AE%E5%8A%A0%E9%80%9F%E4%B8%8B%E8%BD%BD%E6%89%93%E5%8C%85%E8%A7%A3%E5%86%B3/

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