肺腺癌单细胞数据集GSE189357复现(四)：细胞比例可视化

肺腺癌单细胞数据集GSE189357复现(四)：细胞比例可视化 by 单细胞天地

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前言

Hello小伙伴们大家好，我是生信技能树的小学徒”我才不吃蛋黄“。又又又拖更了，最近临床忙到爆炸。经常回不了家，可把“蛋黄都给你吃”愁揪心了。当外科医生可真的累！！！牛马（不如）无疑了。趁着夜班，熬夜更新一篇，还望大家能够多多点赞关注评论加在看。今天是肺腺癌单细胞数据集GSE189357复现系列第四期。第三期我使用多种可视化方法，绘制DimPlot，FeaturePlot，ggplot，DoHeatmap图，展示了不同细胞类型基因的表达。本期，我们将绘制堆积柱状图，比较不同分组之间细胞比例差异（还有其他可视化的方法，详见：胃癌单细胞数据集GSE163558复现(五)：细胞比例）。

1.背景介绍

在胚胎发育、组织再生或疾病进程中，特定细胞类型的相对比例变化可能指示细胞分化和发育过程的变化。细胞比例的变化也可以反映组织内环境的稳态调节，如免疫细胞的比例变化可能与炎症反应或免疫监视相关。此外，在肿瘤学研究中，肿瘤微环境中不同细胞类型的比例变化可能与肿瘤的侵袭性、转移和免疫逃逸等过程相关。

在单细胞测序分析中，不同细胞类型的比例变化可以反映出多种生物学意义包括细胞分化和发育、组织内环境稳态、疾病发生发展、细胞间相互作用、细胞可塑性以及治疗响应等等。

在完成细胞注释之后，比较不同分组之间细胞比例的差异意义重大。然而，分析细胞比例变化时也存在一些挑战和限制，如成分数据分析的复杂性、样本量的限制、技术变异等。因此，我们需要采用适当的统计方法和算法来准确解释细胞比例的变化，并结合其他生物学信息进行综合分析。

本系列的研究主题是肺腺癌（LUAD），包括原位腺癌（AIS）、微浸润性腺癌（MIA）和浸润性腺癌（IAC）。AIS到MIA的过程是LUAD侵袭的关键步骤，通过分析肺癌微环境中不同细胞类型的比例变化与肺癌的侵袭浸润的关系，我们可以发现在驱动这一过程中起着至关重要作用的癌细胞亚群。

2.细胞比例可视化

首先读取数据：

rm(list=ls())
options(stringsAsFactors = F)
library(Seurat)
library(ggplot2)
library(clustree)
library(cowplot)
library(dplyr)
library(celldex)
library(singleseqgset)
library(devtools)
getwd()
dir.create("5-prop")
setwd('5-prop/')
sce.all=readRDS( "../3-Celltype/sce_celltype.rds")
sce.all

绘制气泡图：

library(tidyr)
library(reshape2)
#从原位腺癌（AIS）到微浸润性腺癌（MIA）和随后的浸润性腺癌（IAC）
sce.all$sample = factor(sce.all$sample,levels = c('AIS','MIA','IAC'))
tb=table(sce.all$sample, sce.all$celltype)
head(tb)
library (gplots) 
balloonplot(tb)

绘制堆积柱状图：

bar_data <- as.data.frame(tb)

bar_per <- bar_data %>% 
  group_by(Var1) %>%
  mutate(sum(Freq)) %>%
  mutate(percent = Freq / `sum(Freq)`)
head(bar_per) 
#write.csv(bar_per,file = "celltype_by_group_percent.csv")
col =c("#3176B7","#F78000","#3FA116","#CE2820","#9265C1",
                "#885649","#DD76C5","#BBBE00","#41BED1")
colnames(bar_per)

library(ggthemes)
p1 = ggplot(bar_per, aes(x = percent, y = Var1)) +
  geom_bar(aes(fill = Var2) , stat = "identity") + coord_flip() +
  theme(axis.ticks = element_line(linetype = "blank"),
        legend.position = "top",
        panel.grid.minor = element_line(colour = NA,linetype = "blank"), 
        panel.background = element_rect(fill = NA),
        plot.background = element_rect(colour = NA)) +
  labs(y = " ", fill = NULL)+labs(x = 'Relative proportion(%)')+
  scale_fill_manual(values=col)+
  theme_few()+
  theme(plot.title = element_text(size=12,hjust=0.5))

p1

当然也可以把坐标换为细胞数量：

p2 = ggplot(bar_per, aes(x = Freq, y = Var1)) +
  geom_bar(aes(fill = Var2) , stat = "identity") + coord_flip() +
  theme(axis.ticks = element_line(linetype = "blank"),
        legend.position = "top",
        panel.grid.minor = element_line(colour = NA,linetype = "blank"), 
        panel.background = element_rect(fill = NA),
        plot.background = element_rect(colour = NA)) +
  labs(y = " ", fill = NULL)+labs(x = 'Total cell number')+
  scale_fill_manual(values=col)+
  theme_classic()+
  theme(plot.title = element_text(size=12,hjust=0.5))
p2

p1+p2

ggsave(filename="prop.pdf",width = 12,height = 7)
setwd('../')

3.生物学意义解析

这张图显示了在AIS（原位腺癌）、MIA（微浸润腺癌）和IAC（浸润性腺癌）三种不同病变阶段下，各类细胞类型的相对比例。纵轴表示细胞相对比例（百分比），各条柱子代表不同病变阶段中各种细胞类型的占比。以上皮细胞为例，进行解析：上皮细胞（Epithelial细胞）比例在AIS到MIA阶段有所降低，而在MIA到IAC阶段重新升高，这一变化趋势具有重要的生物学意义。

AIS到MIA阶段上皮细胞比例下降：

可能的解释：在AIS（原位腺癌）阶段，上皮细胞的比例相对较高，因为肿瘤主要局限于上皮层，这时候肿瘤仍然局限于起源部位，周围的基质细胞和其他支持性细胞比例较低。

随着病变进展到MIA（微浸润腺癌），肿瘤开始突破基底膜，向周围组织进行微小的侵袭，这一过程中需要基质细胞的参与，如成纤维细胞（CAF）和免疫细胞（如Myeloid细胞），它们会为肿瘤的浸润提供帮助。

由于微环境中其他细胞类型（例如免疫细胞和基质细胞）的相对增加，因此上皮细胞的相对比例在这一阶段有所下降。这种变化反映了肿瘤微环境的重塑，即肿瘤从一个相对单一的上皮细胞群体逐渐发展为一个多细胞类型共同作用的复杂环境。

MIA到IAC阶段上皮细胞比例上升：

可能的解释：在MIA进展到IAC（浸润性腺癌）阶段，上皮细胞比例重新升高，表明在浸润性癌阶段，癌细胞的增殖速度显著加快。

这种比例的回升通常反映了癌细胞克隆性扩展的增强，即上皮来源的癌细胞在浸润和转移阶段中快速增殖，占据了更多的空间和资源，表现出更强的恶性增殖特性。

此外，这一阶段肿瘤细胞可能通过调控肿瘤微环境中的其他细胞（如抑制免疫细胞的活性或促进血管生成）来支持自身的增殖。上皮细胞比例的回升可以看作是癌细胞在肿瘤微环境中获得主导地位的表现，它们已经能够控制微环境，推动自身增殖。

综合意义

肿瘤微环境的重塑和侵袭性增强：上皮细胞比例的先下降后上升，反映了肿瘤微环境在癌症进展中的动态重塑过程。AIS到MIA阶段，上皮细胞比例下降，提示了免疫细胞和基质细胞在肿瘤早期浸润中所扮演的支持角色；而在IAC阶段，上皮细胞比例再次上升，说明癌细胞已具备强大的增殖能力，可以有效主导微环境的资源分配。

从合作到主导的转变：在MIA阶段，肿瘤微环境中的免疫细胞和基质细胞比例相对增加，表明这些细胞可能在初期帮助肿瘤突破基底膜、侵袭周围组织，这种状态下癌细胞需要“借助”其他细胞的帮助。到IAC阶段，癌细胞增殖加速，占据主导地位，表现出高度的增殖和侵袭性，不再仅依赖于其他细胞的支持。上皮细胞的比例重新上升可能反映了癌细胞在进展为浸润性癌时获得了更强的自我增殖和独立扩展能力。