差异表达样本少无重复？快使用edgeR，小果三分钟教你上手

实验数据获得并不容易，而且成本高昂，有时只是想大致看一下几种条件的差异表达，在正式的实验前做一个预实验很有必要。同时出于成本考量，每种条件不会做重复样本。但是无重复的样本，无法使用DESeq2。但是没关系，今天小果介绍一个差异表达利器——edgeR。

包下载与安装

我们需要下载并安装两个R包，一个是edgeR，另一个是airway。airway是一个提供用于分析的数据集。

if (!requireNamespace(“BiocManager”, quietly = TRUE))
install.packages(“BiocManager”)

BiocManager::install(“edgeR”)
BiocManager::install(“airway”)

library(edgeR) #加载edgeR
library(airway) ##加载airway

构建GDElist对象

DGEList是edgeR分析差异基因中最核心的对象. 它提供两类信息: 表达量矩阵和分组信息.

为了方便大家重复,小果这里的数据来自于airway. 对于您的数据, 可以用read.table等函数进行导入.

data(“airway”)

> expr <- assay(airway)
> meta <- colData(airway)
> nrow(expr)
[1] 64102
> ncol(expr)
[1] 8

我们可以看到exp数据有64102 个基因和8个样本的矩阵

小果为了演示无重复样本，这里就用数据的前两列构建DGEList对象。

> counts <- expr[,1:2]
> group <- 1:2
> dge <- DGEList(counts=counts, group = group)

数据过滤

再一次转录过程中不可能所有的基因都有表达，因此需要预先过滤掉没有表达的基因。

> keep <- rowSums(cpm(dge)>1) >= 1
> dge <- dge[keep, , keep.lib.sizes=FALSE]
> nrow(dge)
[1] 14756

至少有一个表达的基因(CPM > 1)。，去掉全部是0，没有表达的基因。基因数就从64102降到14756了。

标准化

避免文库大小不同导致的分析误差。我们需要对数据进行标准化。

y <- calcNormFactors(y)

calcNormFactors这个函数使用的TMM(trimmed mean of M-values)来进行标准化。

无重复差异表达分析

处理好数据之后终于来到本文的重头戏了。

使用各种差异表达分析工具的目的都是为了计算)样本组间的dispersion(离散值），有了离散值之后才能能算出p值。

在无重复样本的条件下，edgeR计算离散值是这样的。我们可以设置一个值bcv，edgeR来计算它的平方，这样就得到单样本的离散值了。edgeR建议，针对人类数据，建议设定为0.4。对于遗传上相似，建议设定为0.1。对于技术重复的实验，建议设定为0.01。

小果这里用的是人类数据，所以设置为0.4

dge_bcv <- dge
bcv <- 0.4 #
et <- exactTest(dge_bcv, dispersion = bcv ^ 2)

用decideTestsDGE上调的基因和下调的有多少. 并设置pvalue为0.05

gene1 <- decideTestsDGE(et, p.value = 0.05, lfc = 0)
summary(gene1)

差异基因怎么这么少，可能两组差异不明显，小果还是下调一下参数吧，改成0.2可能好一点。

bcv <- 0.2
et2 <- exactTest(dge_bcv, dispersion = bcv ^ 2)
gene2 <- decideTestsDGE(et2, p.value = 0.05, lfc = 0)
summary(gene2)

这时候差异基因显现出来了~

画个火山图看一下

library(ggplot2)
df <- et2$table
ggplot(df, aes(x=logFC, y=-log10(df$PValue)) ) +
geom_point() +
ylab(“-log10(p value)”) +
theme_bw()

和有重复差异表达进行比较

我们所使用的airway数据集是有多组重复的，所以我们可以很方便地对无重复与有重复进行比较，看会相差多少基因。

#与有重复比较
group <- meta$dex
y_rep <- DGEList(counts=expr, group = group)
#过滤及标准化
keep <- rowSums(cpm(y_rep)>1) >= 5
y_rep <- y_rep[keep, , keep.lib.sizes=FALSE]
y_rep <- calcNormFactors(y_rep)
#构建设计矩阵
design <- model.matrix(~group)
y_rep <- estimateDisp(y_rep, design = design)
fit <- glmQLFit(y_rep, design)
qlf.2vs1 <- glmQLFTest(fit, coef=2)
#查看差异基因数目
res <- decideTestsDGE(qlf.2vs1, p.value = 0.05, lfc = 0)
summary(res)

这下看下差异基因的数目，Down有1050，Up有869，明显多于以前。

将有重复的前100差异基因和无重复的前100差异基因进行比较

c1 <- row.names(topTags(et2,n = 100 ))
c2 <- row.names(topTags(qlf.2vs1, n = 100 ))
intersect_gene <- intersect(c1,c2

在有重复差异表达的火山图上面标记交集基因

library(ggplot2)
library(ggrepel)
data <- qlf.2vs1$table
data$significant <- as.factor(data$PValue<0.05 & abs(data$logFC) > 1)

data2 <- data[intersect_gene,]
data2$geneID <- rownames(data2)

p <- ggplot(data=data, aes(x=logFC, y =-log10(PValue),color=significant)) +
geom_point(alpha=0.8, size=1.2)+
scale_color_manual(values =c(“black”,”red”))+
labs(title=”Volcanoplot”, x=”log2 (fold change)”,y=”-log10 (q-value)”)+
theme(plot.title = element_text(hjust = 0.4))+
geom_hline(yintercept = -log10(0.05),lty=4,lwd=0.6,alpha=0.8)+
geom_vline(xintercept = c(1,-1),lty=4,lwd=0.6,alpha=0.8)+
#theme(legend.position=’none’)
theme_bw()+
theme(panel.border = element_blank(),
panel.grid.major = element_blank(),
panel.grid.minor = element_blank(),
axis.line = element_line(colour = “black”)) +
geom_text(data=data2, aes(label=geneID),col=”red”,alpha = 1) +
geom_text_repel(data=data2, aes(label=geneID),col=”black”,alpha = 0.8)

print(p)

这样就能清晰地看到我们无重复的基因与有重复的交集，的确能找到有明显差异表达的基因。但是不怎么明显的但是又有影响的基因就会被筛选掉。

edgeR是一种适用于无重复样本的差异表达分析工具，可以用来快速、简单地进行预实验。下面是使用edgeR进行差异表达分析的步骤：

1. 数据准备：将原始的表达矩阵导入到R中，并根据实验设计创建一个组名向量。
2. 数据处理：使用edgeR的函数来对表达矩阵进行数据处理，包括数据标准化、过滤低表达基因等。可以使用函数like.EList、calcNormFactors、cpm等。
3. 差异表达分析：使用edgeR中的函数glmQLFit和glmQLFTest来进行差异表达分析，其中glmQLFit用于拟合广义线性模型，glmQLFTest用于计算差异表达的统计显著性。
4. 调整bcv值：使用edgeR中的函数exactTest来对差异表达结果进行调整。
5. 结果可视化：使用edgeR中的函数plotSmear、plotMDS等来进行差异表达结果的可视化。

最后小果提醒一下，由于无重复样本的不确定性，差异表达结果需要谨慎解释。虽然edgeR可以在无重复样本情况下进行差异表达分析，但是重复样本仍然是更可靠的选择，因为它可以降低误差，提高结果的可靠性。

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总结

无重复样本同样也可以用edgeR进行差异表达分析，可以简单地进行预实验。

• 通过调整bcv值：实现无重复样本的差异表达分析，不过bcv值需要根据经验进行调整。通常来说，人类基因0.4，对于遗传上相似设定为0.1。对于技术重复的实验，建议设定为0.01。
• 最后小果提醒一下，由于无重复样本的不确定性，差异表达结果需要谨慎解释。虽然edgeR可以在无重复样本情况下进行差异表达分析，但是重复样本仍然是更可靠的选择，因为它可以降低误差，提高结果的可靠性。

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