Seurat对象数据结构整理-1

本文深入解析Seurat对象中的Assay,包括RNA与SCT数据槽的功能及应用场景。探讨了不同数据处理方法,如NormalizeData()与SCTransform对单细胞RNA测序数据标准化的重要性及其在下游分析中的作用。

Seurat.obj.v3.png
#Seurat对象中的Assay:
RNA数据槽:
@counts:未作任何处理的原始RNA表达矩阵
@data:原表达矩阵通过NormalizeData()归一化消除测序文库差异(对于每个细胞,将每个基因的表达量除以该细胞的所有基因表达量之和,然后乘以一个scale.factor, 之后以自然对数进行转换),得到非高斯分布的矩阵。主要用于基因表达量可视化
@scale.data: 通过对log转换后的@data矩阵进行ScaleData()标准化,得到接近于高斯分布的矩阵。在分类、聚类、PCA算法中,要求使用z-score。

SCT数据槽:
@counts:该矩阵是UMI counts矫正后的counts,是由ScaleData(皮尔逊残差)倒推出来的,它是一个回归,运算之后的残差。
@data:矫正后的UMI counts的log-normalized变换,可用于基因表达量可视化
@scale.data:基因组真实表达量与拟合后的表达预期值的差值(皮尔逊残差:“正则化负二项式回归”的残差)。用于差异表达分析,整合分析,差异基因分析。

SCTransform对测序深度的校正效果要好于log标准化,也可用于矫正线粒体等因素的影响,但不能用于批次矫正。基于概率方法对UMI counts进行建模。在进行了SCTransform操作后,矩阵默认会变成SCT矩阵,如果不加设置,后续的PCA等操作都是基于SCT矩阵。由于SCTransform 更好地估计了方差,并且较高的 PC 维度通常不包括技术变化的影响,所以选择用于聚类的 PC 越多,意味着生物学变化越多。(不同于以往的全局scale归一化方法,需要认真选择用于聚类的PC以避免技术误差建立的PC维度被用于聚类)。
scRNA <- SCTransform(scRNA, vars.to.regress = "percent.mt", verbose = FALSE)#在标准化过程中屏蔽线粒体引起的变异。

簇的Marker基因鉴定最好使用RNA矩阵($RNA@counts)。
sct的到的count并不是真实的基因表达值,而是通过scaledata倒推出来的,它是一个回归,运算之后的残差。

####标准化的意义: 消除技术效应对潜在分子计数的影响,同时保留真正的生物学变异。
在单细胞 (scRNA-seq) 数据的分析中,进行有效的预处理和标准化非常关键。原始UMI计数不能直接用于比较细胞之间的基因表达,因为它们会被技术和“无意义”的生物变异所混淆。 特别是,观察到的 测序深度 (每个细胞检测到的基因或分子的数量)在细胞之间可能存在显着差异,即使在同一细胞类型内,分子计数的变化可能跨越一个数量级。 虽然现在在scRNA-seq中广泛使用唯一分子标识符 (UMI) 消除了 PCR 扩增偏差,但仍需要通过标准化以消除其他技术变化的影响,如测序深度、细胞裂解和逆转录效率等带来的变异。其实在bulk RNA-seq分析中同样存在,但由于scRNA-seq数据的极度稀疏性,这类问题会更严重

一般来说,有效归一化分析流程处理后的数据集,基因的标准化表达水平与细胞的总测序深度不相关。下游分析流程(降维、差异表达)也不受测序深度变化的影响。跨细胞归一化基因的方差主要反映生物学异质性,与基因丰度或测序深度无关。例如,标准化后具有高方差的基因应在不同细胞类型之间差异表达,而管家基因应表现出低方差。

两种主流的标准化方法
方法1:全局scale归一化方法(global scaling normalization):即基于缩放因子的归一化方法。确定单个细胞的“大小因素”(size factors),通过对每个细胞进行统一缩放,这些方法假设数据集中所有细胞的潜在 RNA 含量是恒定的,并且可以对所有基因应用单个缩放因子,以便将技术噪音与生物细胞间的变异性区分开来。lognormalize标准化属于此类。

方法2:使用概率方法对分子计数进行建模,sctransform属于此类型。他们认为不同的基因组别(gene group)不能被相同的常数因子归一化,质疑基于缩放因子的归一化方法,(缩放因子是如何计算的?)。sctransform的“正则化负二项式回归”的残差代表了有效归一化的数据值(有正有负。正值表示:考虑到细胞群体中基因的平均表达量和细胞测序深度,某个细胞的某个基因所包含的UMIs比预测值要高),该结果剔除技术噪音模型,保留下由不同生物状态驱动的异质性。这些归一化值能够进行下游分析,例如降维和差异表达测试,结果不会被细胞测序深度混淆。

数据可视化参考.png

<think>好的,我现在需要帮助用户了解如何使用Seurat对两组单细胞测序数据进行对比处理。首先,我得回顾一下Seurat的基本流程,然后结合用户提供的引用内容,看看里面有没有可以直接用上的信息。用户提到了引用[1]到[4],其中引用[2]和[4]特别提到了批次校正和差异分析的方法,比如Integration和FindConservedMarkers。 首先,用户的问题是关于两组数据的对比处理。可能涉及到的步骤包括数据预处理、整合、批次校正、聚类和差异分析。根据引用[2],Integration方法可以去除批次效应,通过识别anchors来校正数据,这样相同类型的细胞就能聚在一起。而引用[4]提到FindConservedMarkers用于找保守的标记基因,这可能是在处理两组数据时,寻找不受处理条件影响的基因。 接下来,我需要整理一个步骤指南,确保涵盖数据加载、预处理、整合、批次校正、聚类和差异分析。每一步都需要对应的Seurat函数,比如CreateSeuratObject、NormalizeData、FindVariableFeatures、RunPCA、FindNeighbors、FindClusters等。对于整合,用户可能使用的是IntegrateData方法,如引用[2]所述。同时,在差异分析部分,FindConservedMarkers的使用方法需要详细说明,如如何指定分组变量和检验方法。 另外,用户可能关心如何处理批次效应,这时候需要提到harmony方法,但引用[2]提到的是Integration方法,所以应该以Seurat自带的整合方法为主。可能还需要提到数据可视化,比如UMAP图来展示整合前后的效果,如引用[2]中的示例。 需要注意用户提供的代码片段,比如引用[3]中的GetAssayData和JoinLayers,可能需要解释这些步骤在数据预处理中的作用。例如,提取表达矩阵和合并layers层,这可能是在数据整合前的必要步骤。 最后,生成相关问题时要围绕Seurat的对比分析,可能涉及其他整合方法、批次效应评估、差异分析的其他函数等。确保问题覆盖用户可能感兴趣的后续步骤。 现在需要将这些思路整理成一个结构清晰的回答,分步骤说明,并引用相关的引用内容,特别是在整合和差异分析部分。同时确保使用正确的中文术语和LaTeX格式,数学表达式用$...$,独立公式用$$...$$,但在这个问题中可能数学公式较少,但如果有的话需要正确应用。</think>### 使用Seurat对比处理两组单细胞测序数据的步骤指南 #### 1. **数据预处理与加载** - **加载数据并创建Seurat对象** 每组数据需分别读取,并转换为Seurat对象。例如: ```R scRNA1 <- Read10X("data1_path/") # 组1数据 scRNA2 <- Read10X("data2_path/") # 组2数据 seurat_obj1 <- CreateSeuratObject(counts = scRNA1, project = "Group1") seurat_obj2 <- CreateSeuratObject(counts = scRNA2, project = "Group2") ``` - **合并数据集并标准化** 使用`merge`合并对象,并进行标准化与特征选择: ```R combined <- merge(seurat_obj1, seurat_obj2) %>% NormalizeData() %>% FindVariableFeatures() %>% ScaleData() ``` #### 2. **数据整合与批次校正** - **识别整合锚点(Anchors)** 使用`FindIntegrationAnchors`和`IntegrateData`消除批次效应[^2]: ```R anchors <- FindIntegrationAnchors(object.list = list(seurat_obj1, seurat_obj2), dims = 1:30) combined <- IntegrateData(anchorset = anchors, dims = 1:30) ``` - **更新数据层(Layers)** Seurat V5需合并数据层以确保一致性[^3]: ```R combined <- JoinLayers(combined) ``` #### 3. **降维与聚类分析** - **PCA与UMAP可视化** 执行降维并可视化细胞分布: ```R combined <- RunPCA(combined, npcs = 50) %>% RunUMAP(dims = 1:30) DimPlot(combined, reduction = "umap", group.by = "orig.ident") ``` 整合后应观察到批次效应减弱,相同类型细胞聚集(如引用[2]描述)。 #### 4. **差异基因分析** - **寻找保守标记基因** 使用`FindConservedMarkers`识别跨组保守的标记基因[^4]: ```R conserved_markers <- FindConservedMarkers(combined, ident.1 = 6, # 目标细胞簇(如NK细胞) grouping.var = "group", # 分组变量(如处理条件) test.use = "MAST") ``` #### 5. **下游分析与验证** - **功能富集与可视化** 对差异基因进行GO/KEGG富集分析,并通过热图或火山图展示结果。 --- ###
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