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Scanpy生态教程12:推断CNV #4756

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Scanpy生态教程12:推断CNV by 生信会客厅

通过单细胞转录组的数据推断基因组的CNV,inferCNV包是最经典的工具。这里给大家介绍的infercnvpy包,是inferCNV包算法的python实现版。它可以完全复现inferCNV的结果,但是丰富了CNV热图的信息,还提供了通过聚类识别恶性细胞的方法。


设置分析环境

import scanpy as sc
import infercnvpy as cnv
import matplotlib.pyplot as plt
import os
import warnings
warnings.simplefilter(action="ignore")
sc.settings.verbosity = 3
sc.settings.set_figure_params(dpi=80, figsize=(54.5))
projpath = 'D:\\公众号\\2024scanpy'
chapter = "10_inferCNV"
os.chdir(projpath)
if not os.path.exists(chapter):
    os.makedirs(chapter)
os.chdir(chapter)


推断CNV

进行cnv分析之前,需要把基因在染色体的坐标信息添加到var数据中,infercnvpy.io.genomic_position_from_gtf可以帮助我们从gtf文件中提取信息并保存到adata对象。
adata = cnv.datasets.maynard2020_3k()
adata
AnnData object with n_obs × n_vars = 3000 × 55556    obs: 'age', 'sex', 'sample', 'patient', 'cell_type'    var: 'ensg', 'mito', 'n_cells_by_counts', 'mean_counts', 'pct_dropout_by_counts', 'total_counts', 'n_counts', 'chromosome', 'start', 'end', 'gene_id', 'gene_name'    uns: 'cell_type_colors', 'neighbors', 'umap'    obsm: 'X_scVI', 'X_umap'    obsp: 'connectivities', 'distances'
# 检查数据类型,此数据集是log1p数据
print(f"{adata.X.min()}\n{adata.X.max()}"
adata.to_df()
0.013.5234375
sc.pl.umap(adata, color="cell_type")

# We provide all immune cell types as "normal cells".
cnv.tl.infercnv(
    adata, n_jobs=6,
    reference_key="cell_type",
    reference_cat=["B cell""Macrophage""Mast cell""Monocyte""NK cell""Plasma cell",
                   "T cell CD4""T cell CD8""T cell regulatory""mDC""pDC"],
    window_size=250
)
100%|██████████| 1/1 [00:42<00:00, 42.87s/it]
# cnv矩阵保存在obsm['X_cnv'],行为细胞列为基因组分箱窗口(与基因平滑处理时的窗口不同),每个窗口的宽度大约5M
adata.obsm['X_cnv'].shape
(3000, 5314)
cnv.pl.chromosome_heatmap(adata, groupby="cell_type")


CNV聚类

完成CNV推断后我们得到了一个CNV矩阵,基于此运行Leiden聚类之后,我们可以根据CNA聚类绘制染色体热图。观察发现,与底部的聚类相比,顶部的聚类基本上没有差异表达的基因组区域。这些差异表达区域可能归因于拷贝数变异,相应的聚类很可能代表了肿瘤细胞。
cnv.tl.pca(adata)
cnv.pp.neighbors(adata)
cnv.tl.leiden(adata)
computing PCA    with n_comps=50    finished (0:00:01)computing neighbors    finished: added to `.uns['cnv_neighbors']`    `.obsp['cnv_neighbors_distances']`, distances for each pair of neighbors    `.obsp['cnv_neighbors_connectivities']`, weighted adjacency matrix (0:00:13)running Leiden clustering    finished: found 18 clusters and added    'cnv_leiden', the cluster labels (adata.obs, categorical) (0:00:00)
cnv.pl.chromosome_heatmap(adata, groupby="cnv_leiden", dendrogram=True)


CNV降维与评分

cnv.tl.umap(adata)
cnv.tl.cnv_score(adata)
computing UMAP    finished: added    'X_umap', UMAP coordinates (adata.obsm) (0:00:07)
UMAP图由一大群“正常”细胞和几个具有独特CNV特征的小型聚类组成。除了包含纤毛细胞的“12号”簇之外,所有独立的聚类都是上皮细胞。这些很可能就是肿瘤细胞,并且每个聚类代表了单个亚克隆。
fig, ((ax1, ax2), (ax3, ax4)) = plt.subplots(22, figsize=(1111))
ax4.axis("off")
cnv.pl.umap(
    adata,
    color="cnv_leiden",
    legend_loc="on data",
    legend_fontoutline=2,
    ax=ax1,
    show=False,
)
cnv.pl.umap(adata, color="cnv_score", ax=ax2, show=False)
cnv.pl.umap(adata, color="cell_type", ax=ax3)

# 在原始umap图上展示数据
fig, ((ax1, ax2), (ax3, ax4)) = plt.subplots(22, figsize=(1211), gridspec_kw={"wspace"0.5})
ax4.axis("off")
sc.pl.umap(adata, color="cnv_leiden", ax=ax1, show=False)
sc.pl.umap(adata, color="cnv_score", ax=ax2, show=False)
sc.pl.umap(adata, color="cell_type", ax=ax3)

肿瘤细胞分类

adata.obs["cnv_status"] = "normal"
adata.obs.loc[
adata.obs["cnv_leiden"].isin(["10""16""13""8""12""17""1""14""11"]), "cnv_status"] = "tumor"
fig, (ax1, ax2) = plt.subplots(12, figsize=(125), gridspec_kw={"wspace"0.5})
cnv.pl.umap(adata, color="cnv_status", ax=ax1, show=False)
sc.pl.umap(adata, color="cnv_status", ax=ax2)
... storing 'cnv_status' as categorical

# 单独展示恶心细胞的cnv热图
cnv.pl.chromosome_heatmap(adata[adata.obs["cnv_status"] == "tumor", :])

# 单独展示正常细胞的cnv热图
cnv.pl.chromosome_heatmap(adata[adata.obs["cnv_status"] == "normal", :])


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