R语言进行TCGA配对样本差异基因分析_r语言差异分析-程序员宅基地

技术标签: python  数据分析  机器学习  人工智能  数据可视化  

之前的一个推文是从UCSC XENA获取TCGA的表达和表型数据,然后利用代码对表达数据进行了ID注释,以及mRNA、lncRNA和miRNA的区分筛选,最后将患者ID和临床信息进行配比,用于后续分析。详细内容见推文:《利用R代码从UCSC XENA下载mRNA, lncRNA, miRNA表达数据并匹配临床信息》

本期我将继续上次的内容,从TCGA 546个头颈癌数据集(Tumor = 502,Normal = 44)中,提取出43对癌和癌旁样本,并做配对差异分析, 然后绘制某个基因的配对箱式图。实际上TCGA好多癌症比如头颈癌、肝癌等,都有癌和癌旁的数据,且癌和癌旁都是一一配对的关系。所以在分析癌vs.癌旁的过程中,可以选择普通的差异分析,例如头颈癌的502个癌vs.44癌旁;另外一种思路是从中挑选出配对的癌vs.癌旁进行配对差异分析,例如头颈癌的43个癌vs.43个癌旁。实际上,同一个数据的非配对分析和配对分析差异还是很大的,详见我之前写过的一个帖子《差异分析|DESeq2完成配对样本的差异分析》

关于DEseq2配对差异分析,很少有帖子涉及 (生信宝典注:不是很少有帖子涉及,而是看有没有发现,配对的个体信息可以视作一个批次因素,在DESeq2差异基因分析和批次效应移除,   高通量数据中批次效应的鉴定和处理 - 系列总结和更新,    典型医学设计实验GEO数据分析 (step-by-step) - Limma差异分析、火山图、功能富集中都有类似的处理方式)。

总结来说,拿到配对设计的数据,如果不进行配对分析而用常规的差异分析,这样的结果可能会大不相同。因此,在分析数据的时候,一定要明白实验设计。

下面代码展示了如何从546个样本中挑选出一一配对的癌和癌旁数据,并进行DEseq2配对差异分析。

remove(list = ls())
##加载包
suppressMessages(library(DESeq2))
suppressMessages(library(dplyr))
library(ggplot2)
library(ggpubr)
library(ggthemes)

1. 加载数据

首先,读入上期推文中处理好的表达矩阵(仅含mRNA)和表型数据。

# 1.1 表达矩阵
expr_data <- read.csv("./Rawdata/TCGA_mRNA_count_log2.csv",header = T,row.names = 1,check.names=F)
expr_data[1:3,1:4]

##       TCGA.BB.4224.01 TCGA.H7.7774.01 TCGA.CV.6943.01 TCGA.CN.5374.01
## A4GNT        2.584963         0.00000         1.00000        2.321928
## AAAS        10.952741        10.43463        11.27671       10.750707
## AACS        11.098032        13.62822        12.52943       11.171802

# 1.2 表型数据
phenotype <- read.csv("./Rawdata/TCGA_HNSC_phenotype.csv",header = T,row.names = 1,check.names=F, stringsAsFactors = T)
phenotype$subject <- as.factor(substring(rownames(phenotype),1,12))
phenotype[1:3,c("group","subject")]

##                 group      subject
## TCGA.BB.4224.01 Tumor TCGA.BB.4224
## TCGA.H7.7774.01 Tumor TCGA.H7.7774
## TCGA.CV.6943.01 Tumor TCGA.CV.6943

# 检查一下表达数据和表型数据是否是一一对应
table(colnames(expr_data) == rownames(phenotype)) #T

## 
## TRUE 
##  546

表达数据和表型数据如果不是一一对应的话,运行下面这行代码:

# 利用match函数进行匹配
phenotype <- phenotype[match(colnames(expr_data),rownames(phenotype)),]
identical(colnames(expr_data),rownames(phenotype))

## [1] TRUE

2. 筛选出配对的样本

2.1 将546个样本分为两部分,Tumor组和Normal组

# Tumor组
Tumor_group <- phenotype[which(phenotype$group == "Tumor"),] #TCGA的Tumor样本,502个
table(Tumor_group$group) #502个癌

## 
## Nontumor    Tumor 
##        0      502

# Normal组
Normal_group <- phenotype[which(phenotype$group == "Nontumor"),] #TCGA的control样本,44
table(Normal_group$group) #44个癌旁

## 
## Nontumor    Tumor 
##       44        0

# 找到癌和癌旁能够进行一一配对的样本的信息
Normal_group <- Normal_group[Normal_group$subject %in% Tumor_group$subject,]
#仅保留配对的对照组
table(Normal_group$group) # 43个存在配对的癌旁

## 
## Nontumor    Tumor 
##       43        0

上面这行代码就获取了43个配对的癌旁样本信息,根据这个信息可以获得所有配对的癌+癌旁,代码如下:

# 获取表达矩阵
paired_expr_data <- expr_data[,substring(colnames(expr_data),1,12) %in% 
                                     substring(rownames(Normal_group),1,12)] 
# 实际上,这里的substring(rownames(Normal_group),1,12)和Normal_group$ID是一样的
paired_phe <- phenotype[match(colnames(paired_expr_data),row.names(phenotype)),]
paired_phe <- droplevels(paired_phe)
dim(paired_expr_data) # 获得了86个样本表达信息,其中43个癌,43个癌旁,是一一配对的关系

## [1] 18192    86

write.csv(paired_expr_data,"./Output/TCGA_HNSC_mRNA_count_paired_43vs43.csv")

然后,进行配对的DEseq2差异分析。这里只保留了至少在75%的样本中都有表达的基因。

3. DEseq2配对差异分析

3.1 配对的表达矩阵

# UCSC Xena下载的数据是经过log2(count+1)处理的
data = (2^paired_expr_data-1) %>% apply(2, as.integer)# 还原log2的处理
row.names(data) = row.names(paired_expr_data)

# 保留至少在75%的样本中都有表达的基因
keep_data <- rowSums(data> 0) >= floor(0.75*ncol(data))
table(keep_data)

## keep_data
## FALSE  TRUE 
##  2599 15593

data <- data[keep_data,]
data[1:4,1:4]

##       TCGA.CV.6943.01 TCGA.CV.6959.01 TCGA.CV.7438.11 TCGA.CV.7242.11
## AAAS             2479            3304            1900            2190
## AACS             5911            3881            4759            3070
## AADAC               7               5             449            2618
## AADAT             140              77             160             127

dim(data)

## [1] 15593    86

3.2 对应的表型数据和配对信息

table(paired_phe$subject,paired_phe$group)

##               
##                Nontumor Tumor
##   TCGA.CV.6933        1     1
##   TCGA.CV.6934        1     1
##   TCGA.CV.6935        1     1
##   TCGA.CV.6936        1     1
##   TCGA.CV.6938        1     1
##   TCGA.CV.6939        1     1
##   TCGA.CV.6943        1     1
##   TCGA.CV.6955        1     1
##   TCGA.CV.6956        1     1
##   TCGA.CV.6959        1     1
##   TCGA.CV.6960        1     1
##   TCGA.CV.6961        1     1
##   TCGA.CV.6962        1     1
##   TCGA.CV.7091        1     1
##   TCGA.CV.7097        1     1
##   TCGA.CV.7101        1     1
##   TCGA.CV.7103        1     1
##   TCGA.CV.7177        1     1
##   TCGA.CV.7178        1     1
##   TCGA.CV.7183        1     1
##   TCGA.CV.7235        1     1
##   TCGA.CV.7238        1     1
##   TCGA.CV.7242        1     1
##   TCGA.CV.7245        1     1
##   TCGA.CV.7250        1     1
##   TCGA.CV.7252        1     1
##   TCGA.CV.7255        1     1
##   TCGA.CV.7261        1     1
##   TCGA.CV.7406        1     1
##   TCGA.CV.7416        1     1
##   TCGA.CV.7423        1     1
##   TCGA.CV.7424        1     1
##   TCGA.CV.7425        1     1
##   TCGA.CV.7432        1     1
##   TCGA.CV.7434        1     1
##   TCGA.CV.7437        1     1
##   TCGA.CV.7438        1     1
##   TCGA.CV.7440        1     1
##   TCGA.H7.A6C4        1     1
##   TCGA.HD.8635        1     1
##   TCGA.HD.A6HZ        1     1
##   TCGA.HD.A6I0        1     1
##   TCGA.WA.A7GZ        1     1

3.3 配对差异分析

# DEseq2的配对差异分析跑的有点慢,43对我的电脑需要约10分钟
# 所以,这里我为了加快运行速度,选了5对5.
data = data [,order(paired_phe$subject)]
data = as.matrix(data[,1:10])
data[1:3,1:4]

##       TCGA.CV.6933.01 TCGA.CV.6933.11 TCGA.CV.6934.01 TCGA.CV.6934.11
## AAAS             2993            1328            2816            1977
## AACS             5124            4997            3522            4108
## AADAC              98               1              16              63

coldata_paired <- paired_phe[colnames(data),]
coldata_paired[,c('subject','group')]

##                      subject    group
## TCGA.CV.6933.01 TCGA.CV.6933    Tumor
## TCGA.CV.6933.11 TCGA.CV.6933 Nontumor
## TCGA.CV.6934.01 TCGA.CV.6934    Tumor
## TCGA.CV.6934.11 TCGA.CV.6934 Nontumor
## TCGA.CV.6935.01 TCGA.CV.6935    Tumor
## TCGA.CV.6935.11 TCGA.CV.6935 Nontumor
## TCGA.CV.6936.01 TCGA.CV.6936    Tumor
## TCGA.CV.6936.11 TCGA.CV.6936 Nontumor
## TCGA.CV.6938.01 TCGA.CV.6938    Tumor
## TCGA.CV.6938.11 TCGA.CV.6938 Nontumor

# 3.4.1 DEseq2的配对差异分析
dds_paired <- DESeqDataSetFromMatrix(countData = data,
                              colData = coldata_paired,
                              design = ~ subject + group)

## factor levels were dropped which had no samples

dds_paired$group <- relevel(dds_paired$group, ref = "Nontumor") # 指定哪一组作为对照

dds_paired <- DESeq(dds_paired)

## estimating size factors

## estimating dispersions

## gene-wise dispersion estimates

## mean-dispersion relationship

## final dispersion estimates

## fitting model and testing

nrDEG_paired <- as.data.frame(results(dds_paired))
nrDEG_paired = nrDEG_paired[order(nrDEG_paired$log2FoldChange),] # 按照logFC排序
nrDEG_paired[1:3,1:6]

##         baseMean log2FoldChange    lfcSE       stat       pvalue         padj
## PRH2   544288.00      -15.63870 2.509593  -6.231567 4.617911e-10 7.423411e-08
## STATH 1385580.80      -15.33676 1.292428 -11.866626 1.764414e-32 9.170836e-29
## MUC21   26826.61      -12.83806 1.239818 -10.354790 3.980606e-25 7.758699e-22

write.csv(nrDEG_paired,file = "./Output/TCGA_HNSCpaired_DESeq2_nrDEG.csv")

# 定义差异基因,用于后续的分析,例如火山图,GO和KEGG等
logFC_cutoff <- 2
nrDEG_paired$change <-  as.factor(ifelse(nrDEG_paired$padj < 0.05 & abs(nrDEG_paired$log2FoldChange) > logFC_cutoff,
                                  ifelse(nrDEG_paired$log2FoldChange > logFC_cutoff ,'UP','DOWN'),'NOT'))
table(nrDEG_paired$change)

## 
##  DOWN   NOT    UP 
##   753 14452   388

  # 绘制火山图
Volcano_data <- na.omit(nrDEG_paired)
Volcano_data$logP <- -log10(Volcano_data$padj)

Volcano_paired <- ggscatter(Volcano_data, x = "log2FoldChange", y = "logP",
                     color = "change",  
                     palette = c("#2f5688", "#BBBBBB", "#CC0000"),
                     size = 1,
                     font.label = 10, 
                     repel = T, 
                     xlab = "log2 FoldChange", 
                     ylab = "-log10 (pvalue)",   
                     title="Volcano Plot") + 
  theme_base() + 
  geom_hline(yintercept = 1.30, linetype="dashed") +
  geom_vline(xintercept = c(-logFC_cutoff,logFC_cutoff), linetype="dashed")+ 
  theme(legend.position = "right",plot.title = element_text(size = 14,color="black",hjust = 0.5))
Volcano_paired

ggsave("./Output/Volcano_paired.PDF",Volcano_paired,width=6,height=5)

上述就是配对DEseq2差异分析的一个结果。接下来,我们看一下如果使用普通DEseq2差异分析的结果,将会有哪些区别?

# 3.5 DEseq2的普通差异分析
dds_2 <- DESeqDataSetFromMatrix(countData = data,
                              colData = coldata_paired,
                              design = ~ group)
dds_2$condition <- relevel(dds_2$group, ref = "Nontumor") # 指定哪一组作为对照

dds_2 <- DESeq(dds_2)

## estimating size factors

## estimating dispersions

## gene-wise dispersion estimates

## mean-dispersion relationship

## final dispersion estimates

## fitting model and testing

nrDEG_2 <- as.data.frame(results(dds_2))
nrDEG_2 = nrDEG_2[order(nrDEG_2$log2FoldChange),] # 按照logFC排序
nrDEG_2[1:3,1:4]

##        baseMean log2FoldChange    lfcSE      stat
## PRH2   544288.0      -20.27705 2.722897 -7.446865
## STATH 1385580.8      -18.75144 2.069789 -9.059590
## PRH1   104842.6      -15.65276 1.820363 -8.598703

write.csv(nrDEG_2,file = "./Output/TCGA_HNSC_DESeq2_nrDEG.csv")

# 这里我还提取了标准化后的表达矩阵,可以用于后续的热图箱式图绘制等等,当然也可以使用FPKM或TPM代替
rld_paired <- vst(dds_paired)
Nor_expr_data_paired <- assay(rld_paired)
write.csv(Nor_expr_data_paired,file = "./Output/TCGA_HNSCpaired_Norexpr_data_paired.csv")

# 3.5 定义差异基因,用于后续的分析,例如GO和KEGG等
logFC_cutoff <- 2
nrDEG_2$change <-  as.factor(ifelse(nrDEG_2$padj < 0.05 & abs(nrDEG_2$log2FoldChange) > logFC_cutoff,
                                  ifelse(nrDEG_2$log2FoldChange > logFC_cutoff ,'UP','DOWN'),'NOT'))
table(nrDEG_2$change)

## 
##  DOWN   NOT    UP 
##   626 14093   375

# 3.6 绘制火山图
Volcano_data_2 = na.omit(nrDEG_2)
Volcano_data_2$logP <- -log10(Volcano_data_2$padj)
Volcano_2 <- ggscatter(Volcano_data_2, x = "log2FoldChange", y = "logP",
                     color = "change",  
                     palette = c("#2f5688", "#BBBBBB", "#CC0000"),
                     size = 1,
                     font.label = 10, 
                     repel = T, 
                     xlab = "log2 FoldChange", 
                     ylab = "-log10 (pvalue)",   
                     title="Volcano Plot") + 
  theme_base() + 
  geom_hline(yintercept = 1.30, linetype="dashed") +
  geom_vline(xintercept = c(-logFC_cutoff,logFC_cutoff), linetype="dashed")+ 
  theme(legend.position = "right",plot.title = element_text(size = 14,color="black",hjust = 0.5))
Volcano_2

ggsave("./Output/Volcano_2.PDF",Volcano_2 ,width=6,height=5)

可以看到配对的DEseq2差异分析有753基因下调,388基因上调;而常规的差异分析有626个基因下调,375基因上调,这个结果看似差不多 (生信宝典注:这里应该做个Venn图比较下的,除了数量,具体基因是否一致。可参考高通量数据中批次效应的鉴定和处理 - 系列总结和更新)。

实际上,笔者曾处理过一个项目,用配对和不用配对,得到的结果相差甚远,主要还是体现在火山图、KEGG和GO分析等需要输入差异基因的分析中。但好像做GSEA这样纳入全部基因的分析,并不会受到太大的影响,这点有机会再探讨。

生信宝典注 (具体见一文掌握GSEA,超详细教程!):

  1. 如果用log2FC做GSEA结果是肯定会有差别的,影响多大不好说。

  2. 如果用标准化后的矩阵做GSEA结果没差别,因为配对分析没有影响到表达标准化,而只是在差异分析步骤起作用。

绘制单基因配对t检验箱式图

4.1 提取PRH2基因的表达量

## 4. PRH2表达量的配对箱式图绘制
PRH2_expression <- t(paired_expr_data["PRH2",] ) %>% data.frame(PRH2 = .)
PRH2_expression$group <- paired_phe$group
PRH2_expression$paired <- paired_phe$subject

PRH2_expression = PRH2_expression[order(as.numeric(paired_phe$subject)),] #这里需要按照配对信息排序好,以做后需的配对差异分析

4.2 开始绘图

  # 这个是我自己写的一个ggplot2的主题,可以自定义修改其中的参数
if(T){mytheme <- theme(plot.title = element_text(size = 12,color="black",hjust = 0.5),
                       axis.title = element_text(size = 12,color ="black"), 
                       axis.text = element_text(size= 12,color = "black"),
                       panel.grid.minor.y = element_blank(),
                       panel.grid.minor.x = element_blank(),
                       panel.grid=element_blank(),
                       legend.position = "none",
                       legend.text = element_text(size= 12),
                       legend.title= element_text(size= 12)
)} 

  # 配对t检验箱式图图
box_paired <- ggplot(PRH2_expression, aes(x = group,y = PRH2,fill= group)) +
  geom_boxplot(aes(fill = group),width= 1) +
  geom_point(size= 1, alpha=0.6) +
  geom_line(aes(group = paired), colour="black", linetype="11",size=0.5)+ 
  scale_fill_manual(values = c("#1CB4B8", "#EB7369"))+
  scale_y_continuous(limits=c(0, 25),breaks =seq(0,20,5),expand = c(0, 0) )+
  labs(y="log2 Expression",x=NULL,title = "TCGA")+ 
  theme_bw()+ mytheme +
  stat_compare_means(
    label = "p.format",
    method = "t.test",
    paired = T,
    size = 4, 
    label.x = 1.5,
    label.y = 22
)

box_paired

推荐一款高颜值免费在线SCI绘图工具~~~ 可以直接做配对箱线图

ggsave("./Output/TCGA_PRH2_paired_TumorvsNormal.PDF",
       box_paired ,height = 8 ,width = 6,units = "cm")

sessionInfo()

## R version 4.0.2 (2020-06-22)
## Platform: x86_64-w64-mingw32/x64 (64-bit)
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## [77] xfun_0.15

参考资料

  1. 《利用R代码从UCSC XENA下载mRNA, lncRNA, miRNA表达数据并匹配临床信息》

  2. 《差异分析|DESeq2完成配对样本的差异分析》

  3. 《R数据科学》

  4. 数据和代码下载:

    https://gitee.com/ct5869/shengxin-baodian/tree/master/TCGA

  5. 作者:赵法明

    编辑:生信宝典

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