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社区首页 >专栏 >跟小新老师学转录组的第四天

跟小新老师学转录组的第四天

原创
作者头像
贝诺酯
修改2023-04-03 18:22:11
4310
修改2023-04-03 18:22:11
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数据标准化

上游定量得到的原始count表达矩阵:raw count。

数据标准化-why?

计数结果的差异的影响因素:落在参考区域上下限的read是否需要被统计,按照什么样的标准进行统计。

标准化的主要目的是去除测序数据的测序深度和基因长度。

• 测序深度:同一条件下,测序深度越深,基因表达的read读数越多。

• 基因长度:同一条件下,不同的基因长度产生不对等的read读数,基因越长,该基因的read读数越高

数据预处理

• 1.在至少在75%的样本中都表达的基因

• 2.过滤平均值count<10的基因

• 3.过滤平均cpm <10 的基因

代码语言:javascript
复制
rm(list = ls())
library(stringr)

## ====================1.读取数据
# 读取raw count表达矩阵
rawcount <- read.table("data/raw_counts.txt",row.names = 1, 
                       sep = "\t", header = T)
colnames(rawcount)

# 查看表达谱
rawcount[1:4,1:4]

# 去除前的基因表达矩阵情况
dim(rawcount)

# 获取分组信息
group <- read.table("data/filereport_read_run_PRJNA229998_tsv.txt",
                    header = T,sep = "\t", quote = "\"")
colnames(group)

# 提取表达矩阵对应的样本表型信息
group <- group[match(colnames(rawcount), group$run_accession),
               c("run_accession","sample_title")]
group

# 差异分析方案为:Dex vs untreated
group$sample_title <- str_split_fixed(group$sample_title,pattern  = "_", n=2)[,2]
group
write.table(group,file = "data/group.txt",row.names = F,sep = "\t",quote = F)


## =================== 2.表达矩阵预处理
# 过滤低表达基因
keep <- rowSums(rawcount>0) >= floor(0.75*ncol(rawcount))
table(keep)

filter_count <- rawcount[keep,]
filter_count[1:4,1:4]
dim(filter_count)

# 加载edgeR包计算counts per millio(cpm) 表达矩阵
library(edgeR)
express_cpm <- cpm(filter_count)
express_cpm[1:6,1:6]

# 保存表达矩阵和分组结果
save(filter_count, express_cpm, group, file = "data/Step01-airwayData.Rdata")

异常样本与重复性检测

样本表达总体分布

箱式图
代码语言:javascript
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rm(list = ls())
options(stringsAsFactors = F)

# 加载包,设置绘图参数
library(ggplot2)
library(ggsci)

mythe <- theme_bw() + theme(panel.grid.major=element_blank(),
                            panel.grid.minor=element_blank())


# 加载原始表达的数据
lname <- load(file = "data/Step01-airwayData.Rdata")
lname
exprSet <- log10(as.matrix(express_cpm)+1)
exprSet[1:6,1:6]



## 1.样本表达总体分布-箱式图
# 构造绘图数据
data <- data.frame(expression=c(exprSet),
                   sample=rep(colnames(exprSet),each=nrow(exprSet)))
head(data)

p <- ggplot(data = data, aes(x=sample,y=expression,fill=sample))
p1 <- p + geom_boxplot() + 
  mythe + theme(axis.text.x = element_text(angle = 90)) + 
  xlab(NULL) + ylab("log10(CPM+1)") + scale_fill_nejm()

p1

# 保存图片
png(file = "result/1.sample_boxplot.png",width = 800, height = 900,res=150)
print(p1)
dev.off()

主要是从四分位数的角度来描述数据的分布

从箱线图中不仅可以查看单个样品表达水平分布的离散程度,还可以直观地比较不同样品整体表达水平

小提琴图
代码语言:javascript
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## 2.样本表达总体分布-小提琴图
p2 <- p + geom_violin() +  mythe +
  theme(axis.text = element_text(size = 12),
        axis.text.x = element_text(angle = 90)) + 
  xlab(NULL) + ylab("log10(CPM+1)")+scale_fill_lancet()
p2

# 保存图片
png(file = "result/1.sample_violin.png",width = 800, height = 900,res=150)
print(p2)
dev.off()

简要展示分布“密度”,突出数据分布的密集区域从小提琴图中可以查看单个样品表达水平分布的密集程度,也可以直观地比较不同样品整体表达水平。

宽--->密度高

密度曲线图
代码语言:javascript
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## 3.样本表达总体分布-概率密度分布图
m <- ggplot(data=data, aes(x=expression)) 
p3 <- m +  geom_density(aes(fill=sample, colour=sample),alpha = 0.1) + 
  xlab("log10(CPM+1)") + mythe +scale_fill_npg()
p3

# 保存图片
png(file = "result/1.sample_density.png",width = 800, height = 700, res=150)
print(p3)
dev.off()

从概率密度的角度描述基因表达量总体分布图,能反映样品中基因的整体表达模式图中不同颜色的曲线代表不同的样品,横坐标表示对应样品 log2(cpm+1)的对数值,纵坐标表示概率密度

样本之间的相关性

####层次聚类树

代码语言:javascript
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# 魔幻操作,一键清空
rm(list = ls()) 
options(stringsAsFactors = F)

library(FactoMineR)
library(factoextra)
library(corrplot)
library(pheatmap)
library(tidyverse)

# 加载数据并检查
lname <- load(file = 'data/Step01-airwayData.Rdata')
lname



## 1.样本之间的相关性-层次聚类树----
dat <- log10(express_cpm+1)
dat[1:4,1:4]
dim(dat)
sampleTree <- hclust(dist(t(dat)), method = "average")
plot(sampleTree)

# 提取样本聚类信息
temp <- as.data.frame(cutree(sampleTree,k = 2)) %>% 
  rownames_to_column(var="sample")
temp1 <- merge(temp,group,by.x = "sample",by.y="run_accession")
table(temp1$`cutree(sampleTree, k = 2)`,temp1$sample_title)

# 保存结果
pdf(file = "result/2.sample_Treeplot.pdf",width = 7,height = 6)
plot(sampleTree)
dev.off()

物以类聚,人以群分

通过计算点与点之间的空间距离对样本进行类别划分

PCA主成分分析
代码语言:javascript
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## 2.样本之间的相关性-PCA----
# 第一步,数据预处理
dat <- log10(express_cpm+1)
dat[1:4,1:4]

dat <- as.data.frame(t(dat))
dat_pca <- PCA(dat, graph = FALSE)

group_list <- group[match(group$run_accession,rownames(dat)), 2]
group_list

# geom.ind: point显示点,text显示文字
# palette: 用不同颜色表示分组
# addEllipses: 是否圈起来
mythe <- theme_bw() + 
  theme(panel.grid.major=element_blank(),panel.grid.minor=element_blank()) +
  theme(plot.title = element_text(hjust = 0.5))

p <- fviz_pca_ind(dat_pca,
                  geom.ind = "text",  #point
                  col.ind = group_list, 
                  palette = c("#00AFBB", "#E7B800"), 
                  addEllipses = T,  
                  legend.title = "Groups") + mythe
p

# 保存结果
pdf(file = "result/2.sample_PCA.pdf",width = 6.5,height = 6)
plot(p)
dev.off()

通过提取样本的综合特征,即主成分(第一主成分,第二主成分...)来对样本进行分类

相关性分析
代码语言:javascript
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## 3.样本之间的相关性-cor----
# 选择差异变化大的基因算样本相关性
exprSet <- express_cpm
exprSet = exprSet[names(sort(apply(exprSet, 1, mad),decreasing = T)[1:800]),]
dim(exprSet)

# 计算相关性
M <- cor(log10(exprSet+1),method = "spearman")
M

# 构造注释条
anno <- data.frame(group=group$sample_title,row.names = group$run_accession )

# 保存结果
pheatmap(M, display_numbers = T,
         annotation_col = anno,
         fontsize = 10,cellheight = 30,
         cellwidth = 30,cluster_rows = T,
         cluster_cols = T,
         width = 7.5,height = 7)

通过计算样本与样本之间的相关性系数来对样本进行分类,相关性系数可以是pearson, spearman,kendall。

差异表达分析

1.创建设计矩阵和对比

2.构建edgeR的DGEList对象,并归一化,拟合模型

3.提取分析结果并筛选显著差异基因

代码语言:javascript
复制
rm(list = ls())
options(stringsAsFactors = F)

# 加载包
library(edgeR)
library(ggplot2)

# 读取基因表达矩阵信息并查看分组信息和表达矩阵数据
lname <- load(file = "data/Step01-airwayData.Rdata")
lname

# 表达谱
filter_count[1:4,1:4]

# 分组信息
group_list <- group[match(colnames(filter_count),group$run_accession),2]
group_list

# treat vs control
comp <- unlist(strsplit("Dex_vs_untreated",split = "_vs_"))
group_list <- factor(group_list,levels = comp)
group_list
table(group_list)


# 构建线性模型。0代表x线性模型的截距为0
design <- model.matrix(~0+group_list)
rownames(design) <- colnames(filter_count)
colnames(design) <- levels(factor(group_list))
design

# 构建edgeR的DGEList对象
DEG <- DGEList(counts=filter_count, 
               group=factor(group_list))

# 归一化基因表达分布
DEG <- calcNormFactors(DEG)

# 计算线性模型的参数
DEG <- estimateGLMCommonDisp(DEG,design)
DEG <- estimateGLMTrendedDisp(DEG, design)
DEG <- estimateGLMTagwiseDisp(DEG, design)

# 拟合线性模型
fit <- glmFit(DEG, design)

# 进行差异分析
lrt <- glmLRT(fit, contrast=c(1,-1)) 

# 提取过滤差异分析结果
DEG_edgeR <- as.data.frame(topTags(lrt, n=nrow(DEG), adjust.method = "BH"))
head(DEG_edgeR)

# 筛选上下调,设定阈值
fc_cutoff <- 2
fdr <- 0.05

DEG_edgeR$regulated <- "normal"

loc_up <- intersect(which( DEG_edgeR$logFC > log2(fc_cutoff) ),
                    which( DEG_edgeR$FDR < fdr) )

loc_down <- intersect(which(DEG_edgeR$logFC < (-log2(fc_cutoff))),
                      which(DEG_edgeR$FDR < fdr))

DEG_edgeR$regulated[loc_up] <- "up"
DEG_edgeR$regulated[loc_down] <- "down"

table(DEG_edgeR$regulated)


## 添加一列gene symbol
# 方法1:使用包
library(org.Hs.eg.db)
keytypes(org.Hs.eg.db)
columns(org.Hs.eg.db)

library(clusterProfiler)
id2symbol <- bitr(rownames(DEG_edgeR), 
                  fromType = "ENSEMBL", 
                  toType = "SYMBOL", 
                  OrgDb = org.Hs.eg.db)
head(id2symbol)

DEG_edgeR <- cbind(GeneID=rownames(DEG_edgeR),DEG_edgeR)
DEG_edgeR_symbol <- merge(id2symbol,DEG_edgeR,
                          by.x="ENSEMBL",by.y="GeneID",all.y=T)
head(DEG_edgeR_symbol)


# 方法2:gtf文件中得到的id与name关系
# Assembly: GRCh37(hg19) Release: ?
# 使用上课测试得到的count做



# 选择显著差异表达的结果
library(tidyverse)
DEG_edgeR_symbol_Sig <- filter(DEG_edgeR_symbol,regulated!="normal")

# 保存
write.csv(DEG_edgeR_symbol,"result/4.DEG_edgeR_all.csv", row.names = F)
write.csv(DEG_edgeR_symbol_Sig,"result/4.DEG_edgeR_Sig.csv", row.names = F)
save(DEG_edgeR_symbol,file = "data/Step03-edgeR_nrDEG.Rdata")



##====== 检查是否上下调设置错了
# 挑选一个差异表达基因
head(DEG_edgeR_symbol_Sig)

exp <- c(t(express_cpm[match("ENSG00000003402",rownames(express_cpm)),]))
test <- data.frame(value=exp, group=group_list)

ggplot(data=test,aes(x=group,y=value,fill=group)) + geom_boxplot()

原创声明:本文系作者授权腾讯云开发者社区发表,未经许可,不得转载。

如有侵权,请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

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目录
  • 数据标准化
    • 数据预处理
      • 异常样本与重复性检测
        • 样本表达总体分布
        • 样本之间的相关性
    • 差异表达分析
      • 1.创建设计矩阵和对比
        • 2.构建edgeR的DGEList对象,并归一化,拟合模型
          • 3.提取分析结果并筛选显著差异基因
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