空間轉(zhuǎn)錄組分析---SPOTlight(1.0.1版本)

空間轉(zhuǎn)錄組+單細(xì)胞聯(lián)合分析---(SPOTlight最新版教程)

作者在2022年更新了SPOTlight腳本代碼结耀,或許有伙伴在運(yùn)行以往的版本教程(https://marcelosua.github.io/)spotlight_deconvolution函數(shù)的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)報(bào)錯(cuò):could not find function "spotlight_deconvolution"颗品,這就說明版本更新了,以往的函數(shù)代碼作者也已經(jīng)更新献联。

什么是SPOTlight?

由于10x Visium數(shù)據(jù)初衷是想將每個(gè)spot看作一個(gè)細(xì)胞,但是現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中單個(gè)spot中包含不僅是一個(gè)細(xì)胞璧亮。如何確定每個(gè)spot中包含的細(xì)胞景馁,有利于空間轉(zhuǎn)錄組的分析板壮。
SPOTlight 是一個(gè)工具,能夠解讀每個(gè)捕獲位置細(xì)胞混合物內(nèi)存在的細(xì)胞類型和比例合住,最初是為10X的Visium-空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)而開發(fā)绰精。
SPOTlight可以結(jié)合單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組RNA測(cè)序信息反卷積deconvolute空間數(shù)據(jù),識(shí)別每個(gè)spot中的細(xì)胞類型和比例透葛。SPOTlight利用這兩種數(shù)據(jù)類型的優(yōu)勢(shì)笨使,能夠?qū)T與scRNA-seq數(shù)據(jù)集成,從而推斷出復(fù)雜組織中細(xì)胞類型和狀態(tài)的位置僚害。SPOTlight基于一個(gè)種子的非負(fù)矩陣因子分解回歸(Seeded NMF regression )硫椰,使用細(xì)胞類型標(biāo)記基因和非負(fù)最小二乘(NNLS)初始化,隨后去卷積ST捕獲位置(spot)。作者文章:Elosua-Bayes M, Nieto P, Mereu E, Gut I, Heyn H (2021): SPOTlight: seeded NMF regression to deconvolute spatial transcriptomics spots with single-cell transcriptomes. Nucleic Acids Res 49(9):e50. doi:10.1093/nar/gkab043.
研究流程圖如下:

image.png

研究代碼如下:
首先安裝SPOTlight包

install.packages("BiocManager")
BiocManager::install("SPOTlight")
# Or the devel version
BiocManager::install("SPOTlight", version = "devel")
#或者從Github中安裝
install.packages("devtools")
library(devtools)
install_github("https://github.com/MarcElosua/SPOTlight")

加載包開始分析

library(ggplot2)
library(SPOTlight)
library(SingleCellExperiment)
library(SpatialExperiment)
library(scater)
library(scran)
library(scuttle)
library(Matrix)
library(data.table)
library(Seurat)
library(SeuratData)
library(dplyr)
library(gt)
library(igraph)
library(RColorBrewer)
## Loading the spatial and single cell data:
spe <- readRDS("path:/scRNA")
sce <- readRDS("path:/scRNA.rds") ##單細(xì)胞數(shù)據(jù)經(jīng)scater處理的,對(duì)接logNormCounts
##代碼空轉(zhuǎn)和單細(xì)胞演示數(shù)據(jù)是作者從Biocondcutor packages下載
library(TENxVisiumData) ##空轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)
spe <- MouseKidneyCoronal()
# Use symbols instead of Ensembl IDs as feature names
rownames(spe) <- rowData(spe)$symbol
##單細(xì)胞數(shù)據(jù)集來自:[Tabula Muris Sensis](https://www.nature.com/articles/s41586-020-2496-1) 
library(TabulaMurisSenisData)  ##單細(xì)胞數(shù)據(jù)
sce <- TabulaMurisSenisDroplet(tissues = "Kidney")$Kidney
##快速查看數(shù)據(jù):
table(sce$free_annotation, sce$age)
# 作者為了去除批次影響挑選特定年齡段的小鼠細(xì)胞
sce <- sce[, sce$age == "18m"]
# 挑選具有明確注釋的細(xì)胞類別,這個(gè)可以根據(jù)自身情況調(diào)整
sce <- sce[, !sce$free_annotation %in% c("nan", "CD45")]
## Preprocessing
### Feature selection(第一步獲得每種細(xì)胞類型的標(biāo)記基因,歸一化處理)
sce <- logNormCounts(sce)  
##獲得既不是核糖體也不是線粒體的基因向量
genes <- !grepl(pattern = "^Rp[l|s]|Mt", x = rownames(sce))
dec <- modelGeneVar(sce, subset.row = genes)
plot(dec$mean, dec$total, xlab = "Mean log-expression", ylab = "Variance")
curve(metadata(dec)$trend(x), col = "blue", add = TRUE)
# 獲得3000個(gè)的高變基因HVGs.
hvg <- getTopHVGs(dec, n = 3000)
colLabels(sce) <- colData(sce)$celltype
# 計(jì)算標(biāo)記基因靶草,表明該基因?qū)υ摷?xì)胞類型的重要性
mgs <- scoreMarkers(sce, subset.row = genes)
mgs_fil <- lapply(names(mgs), function(i) {
    x <- mgs[[i]]
    # 篩選并保留相關(guān)標(biāo)記基因蹄胰,即AUC>0.8的基因
    x <- x[x$mean.AUC > 0.8, ]
    # 將基因從高到低的權(quán)重排序
    x <- x[order(x$mean.AUC, decreasing = TRUE), ]
    # 將基因和聚類ID添加到數(shù)據(jù)框中
    x$gene <- rownames(x)
    x$cluster <- i
    data.frame(x)
})
mgs_df <- do.call(rbind, mgs_fil)
##Cell Downsampling(每個(gè)細(xì)胞類別最多隨機(jī)選擇100個(gè)細(xì)胞,<100個(gè)細(xì)胞都將被使用。轉(zhuǎn)錄譜明顯不同的(如B和T),可使用較少N的細(xì)胞;轉(zhuǎn)錄譜相似的細(xì)胞增加N)
# 按細(xì)胞類別分割細(xì)胞索引
idx <- split(seq(ncol(sce)), sce$celltype)
# 每個(gè)類別和亞群最多降樣到20個(gè)
# 我們?cè)谶@里使用5個(gè)來加快進(jìn)程奕翔,但對(duì)于你的實(shí)際情況烤送,可以設(shè)置為75-100個(gè)。
# 生活模式分析
n_cells <- 5
cs_keep <- lapply(idx, function(i) {
    n <- length(i)
    if (n < n_cells)
        n_cells <- n
    sample(i, n_cells)
})
sce <- sce[, unlist(cs_keep)]
## Deconvolution(運(yùn)行 "SPOTlight 函數(shù)"來解構(gòu)spot)
res <- SPOTlight(
    x = sce,
    y = spe,
    groups = as.character(sce$free_annotation),
    mgs = mgs_df,
    hvg = hvg,
    weight_id = "mean.AUC",
    group_id = "cluster",
    gene_id = "gene")
##或者分兩步運(yùn)行`SPOTlight'得到訓(xùn)練好的模型,在其他數(shù)據(jù)集上可重復(fù)使用糠悯。
mod_ls <- trainNMF(
    x = sce,
    y = spe,
    groups = sce$type,
    mgs = mgs,
    weight_id = "weight",
    group_id = "type",
    gene_id = "gene")
 # Run deconvolution(運(yùn)行去卷積)
res <- runDeconvolution(
    x = spe,
    mod = mod_ls[["mod"]],
    ref = mod_ls[["topic"]])

##從`SPOTlight`中提取數(shù)據(jù)
# 提取去卷積矩陣
head(mat <- res$mat)[, seq_len(3)]
# 提取NMF模型擬合
mod <- res$NMF
## 可視化過程
## Topic profiles(設(shè)置`facet = FALSE`,topic profile表征細(xì)胞類別,每個(gè)細(xì)胞類別都有一個(gè)獨(dú)特的主題特征)
plotTopicProfiles(
    x = mod,
    y = sce$free_annotation,
    facet = FALSE,
    min_prop = 0.01,
    ncol = 1) +
    theme(aspect.ratio = 1)
##確保所有來自同一細(xì)胞類別的細(xì)胞都有類似的topic profile
plotTopicProfiles(
    x = mod,
    y = sce$free_annotation,
    facet = TRUE,
    min_prop = 0.01,
    ncol = 6)
##查看模型為每個(gè)主題學(xué)習(xí)了哪些基因,更高的數(shù)值表明該基因與該主題更相關(guān)
library(NMF)
sign <- basis(mod)
colnames(sign) <- paste0("Topic", seq_len(ncol(sign)))
head(sign)
# 這可以用DT動(dòng)態(tài)可視化帮坚,如下所示
# DT::datatable(sign, fillContainer = TRUE, filter = "top")
## Spatial Correlation Matrix(空間相關(guān)矩陣)
#參照(http://www.sthda.com/english/wiki/ggcorrplot-visualization-of-a-correlation-matrix-using-ggplot2)獲得參數(shù)
plotCorrelationMatrix(mat)
## Co-localization(空間共定位及相互作用)
#參照(https://www.r-graph-gallery.com/network.html) 獲取參數(shù).
plotInteractions(mat, which = "heatmap", metric = "prop")
plotInteractions(mat, which = "heatmap", metric = "jaccard")
plotInteractions(mat, which = "network")
## Scatterpie(將細(xì)胞類型的比例可視化為餅狀圖)
ct <- colnames(mat)
mat[mat < 0.1] <- 0
# 定義調(diào)色板
# 使用'colorBlindness'軟件包中的'paletteMartin'
paletteMartin <- c(
    "#000000", "#004949", "#009292", "#ff6db6", "#ffb6db", 
    "#490092", "#006ddb", "#b66dff", "#6db6ff", "#b6dbff", 
    "#920000", "#924900", "#db6d00", "#24ff24", "#ffff6d")
pal <- colorRampPalette(paletteMartin)(length(ct))
names(pal) <- ct
plotSpatialScatterpie(
    x = spe,
    y = mat,
    cell_types = colnames(mat),
    img = FALSE,
    scatterpie_alpha = 1,
    pie_scale = 0.4) +
    scale_fill_manual(
        values = pal,
        breaks = names(pal))
##在圖像下方--將其逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度,并在橫軸上做鏡像,以顯示如果spot不在圖像上覆蓋該如何對(duì)齊
plotSpatialScatterpie(
    x = spe,
    y = mat,
    cell_types = colnames(mat),
    img = FALSE,
    scatterpie_alpha = 1,
    pie_scale = 0.4, 
    #  將圖像逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度
    degrees = -90,
     # 將圖像在其X軸上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)
    axis = "h") +
    scale_fill_manual(
        values = pal,
        breaks = names(pal))
## Residuals
##最后觀察模型對(duì)每個(gè)點(diǎn)的比例的預(yù)測(cè)情況,通過觀察每個(gè)斑點(diǎn)的平方之和的殘差來實(shí)現(xiàn),這表明模型不能解釋的生物信號(hào)的數(shù)量
spe$res_ss <- res[[2]][colnames(spe)]
xy <- spatialCoords(spe)
spe$x <- xy[, 1]
spe$y <- xy[, 2]
ggcells(spe, aes(x, y, color = res_ss)) +
    geom_point() +
    scale_color_viridis_c() +
    coord_fixed() +
    theme_bw()
# Session information(查看目前相關(guān)包的版本信息)
sessionInfo()

其中可能會(huì)有代碼報(bào)錯(cuò),難點(diǎn)是在單細(xì)胞數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備和各個(gè)軟件的版本互艾,如果報(bào)錯(cuò)請(qǐng)查看數(shù)據(jù)格式是否與作者所演示的數(shù)據(jù)集格式相符试和。最后附上Github網(wǎng)站參考:(https://github.com/MarcElosua/SPOTlight

?著作權(quán)歸作者所有,轉(zhuǎn)載或內(nèi)容合作請(qǐng)聯(lián)系作者
  • 序言:七十年代末,一起剝皮案震驚了整個(gè)濱河市纫普,隨后出現(xiàn)的幾起案子阅悍,更是在濱河造成了極大的恐慌,老刑警劉巖昨稼,帶你破解...
    沈念sama閱讀 206,839評(píng)論 6 482
  • 序言:濱河連續(xù)發(fā)生了三起死亡事件节视,死亡現(xiàn)場(chǎng)離奇詭異,居然都是意外死亡假栓,警方通過查閱死者的電腦和手機(jī)寻行,發(fā)現(xiàn)死者居然都...
    沈念sama閱讀 88,543評(píng)論 2 382
  • 文/潘曉璐 我一進(jìn)店門,熙熙樓的掌柜王于貴愁眉苦臉地迎上來匾荆,“玉大人拌蜘,你說我怎么就攤上這事⊙览觯” “怎么了简卧?”我有些...
    開封第一講書人閱讀 153,116評(píng)論 0 344
  • 文/不壞的土叔 我叫張陵,是天一觀的道長(zhǎng)烤芦。 經(jīng)常有香客問我举娩,道長(zhǎng),這世上最難降的妖魔是什么构罗? 我笑而不...
    開封第一講書人閱讀 55,371評(píng)論 1 279
  • 正文 為了忘掉前任铜涉,我火速辦了婚禮,結(jié)果婚禮上绰播,老公的妹妹穿的比我還像新娘骄噪。我一直安慰自己,他們只是感情好蠢箩,可當(dāng)我...
    茶點(diǎn)故事閱讀 64,384評(píng)論 5 374
  • 文/花漫 我一把揭開白布链蕊。 她就那樣靜靜地躺著事甜,像睡著了一般。 火紅的嫁衣襯著肌膚如雪滔韵。 梳的紋絲不亂的頭發(fā)上逻谦,一...
    開封第一講書人閱讀 49,111評(píng)論 1 285
  • 那天,我揣著相機(jī)與錄音陪蜻,去河邊找鬼邦马。 笑死,一個(gè)胖子當(dāng)著我的面吹牛宴卖,可吹牛的內(nèi)容都是我干的滋将。 我是一名探鬼主播,決...
    沈念sama閱讀 38,416評(píng)論 3 400
  • 文/蒼蘭香墨 我猛地睜開眼症昏,長(zhǎng)吁一口氣:“原來是場(chǎng)噩夢(mèng)啊……” “哼随闽!你這毒婦竟也來了?” 一聲冷哼從身側(cè)響起肝谭,我...
    開封第一講書人閱讀 37,053評(píng)論 0 259
  • 序言:老撾萬榮一對(duì)情侶失蹤掘宪,失蹤者是張志新(化名)和其女友劉穎,沒想到半個(gè)月后攘烛,有當(dāng)?shù)厝嗽跇淞掷锇l(fā)現(xiàn)了一具尸體魏滚,經(jīng)...
    沈念sama閱讀 43,558評(píng)論 1 300
  • 正文 獨(dú)居荒郊野嶺守林人離奇死亡,尸身上長(zhǎng)有42處帶血的膿包…… 初始之章·張勛 以下內(nèi)容為張勛視角 年9月15日...
    茶點(diǎn)故事閱讀 36,007評(píng)論 2 325
  • 正文 我和宋清朗相戀三年坟漱,在試婚紗的時(shí)候發(fā)現(xiàn)自己被綠了鼠次。 大學(xué)時(shí)的朋友給我發(fā)了我未婚夫和他白月光在一起吃飯的照片。...
    茶點(diǎn)故事閱讀 38,117評(píng)論 1 334
  • 序言:一個(gè)原本活蹦亂跳的男人離奇死亡靖秩,死狀恐怖须眷,靈堂內(nèi)的尸體忽然破棺而出,到底是詐尸還是另有隱情沟突,我是刑警寧澤,帶...
    沈念sama閱讀 33,756評(píng)論 4 324
  • 正文 年R本政府宣布捕传,位于F島的核電站惠拭,受9級(jí)特大地震影響,放射性物質(zhì)發(fā)生泄漏庸论。R本人自食惡果不足惜职辅,卻給世界環(huán)境...
    茶點(diǎn)故事閱讀 39,324評(píng)論 3 307
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一處隱蔽的房頂上張望聂示。 院中可真熱鬧域携,春花似錦、人聲如沸鱼喉。這莊子的主人今日做“春日...
    開封第一講書人閱讀 30,315評(píng)論 0 19
  • 文/蒼蘭香墨 我抬頭看了看天上的太陽。三九已至锋边,卻和暖如春皱坛,著一層夾襖步出監(jiān)牢的瞬間,已是汗流浹背豆巨。 一陣腳步聲響...
    開封第一講書人閱讀 31,539評(píng)論 1 262
  • 我被黑心中介騙來泰國(guó)打工剩辟, 沒想到剛下飛機(jī)就差點(diǎn)兒被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道東北人往扔。 一個(gè)月前我還...
    沈念sama閱讀 45,578評(píng)論 2 355
  • 正文 我出身青樓贩猎,卻偏偏與公主長(zhǎng)得像,于是被迫代替她去往敵國(guó)和親萍膛。 傳聞我的和親對(duì)象是個(gè)殘疾皇子吭服,可洞房花燭夜當(dāng)晚...
    茶點(diǎn)故事閱讀 42,877評(píng)論 2 345

推薦閱讀更多精彩內(nèi)容