SMART App：鼠标点点就能完成发表级的DNA甲基化综合分析

2020-04-26 本文已影响0人科研菌

今天跟大家分享的是2019年12月发表在Epigenetics & Chromatin（IF：4.185）杂志上的一篇文章The SMART App: an interactive web application for comprehensive DNA methylation analysis and visualization.本文是复旦大学附属中山医院胸外科卢春来教授（通讯作者）带领的团队发表的；李胤为该文的第一作者。在文章中作者对SMART App（一个只需要点一点就能完成DNA甲基化分析和可视化的网站应用程序） 分模块作了详细的介绍和举例说明~

The SMART App: an interactive web application for comprehensive DNA methylation analysis and visualization carcinoma

SMART APP：一个用于DNA甲基化分析和可视化的交互式web应用程序

一.研究背景

癌症基因组图谱(TCGA)数据的挖掘极大地促进了癌症基因组的研究，为癌症研究人员提供了前所未有的机遇。然而，现有的DNA甲基化分析web应用程序并不能充分满足实验生物学家的需要，通常还需要许多其他辅助工具。（为大家附上网址：http://www.bioinfo-zs.com/smartapp/；挂上梯子体验感更加哦）

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二.分析流程

三.结果解读

1.Features

这款SMART（Shiny Methylation Analysis Resource Tool） App，为用户对不同癌症类型DNA甲基化的多维度分析带来便捷。

接下来作者也从SMART的几个模块来介绍这款SMART App的功能。下面我也会将各模块的功能小结在最前面，便于大家快速提炼。

图S1：小编在网站的截图：顶端可见不同的模块分区

2.Home(主页)

本模块功能：

供用户获取有关癌症类别的样本数目概览，以及所研究基因的所有相关CpG的染色体分布的可视化（circular plot）（图S2）；

展示转录本，外显子，UTR, cd, CpG island、CpG shelves以及CpG shores等信息（segment plot)。

图S2：CpG的染色体分布的circular plot

然后详细的segment plot显示了转录本，外显子，UTR, cd, CpG island、CpG shelves以及CpG shores等信息（图1），帮助研究者识别潜在甲基化表达相关的CpGs。

segment plot下面的面板（图1）总结了这些探针的详细信息，用户可以任意选择其中一个来查看其泛癌甲基化概况，并识别异常甲基化位点以进行进一步分析。此外，用户还可以查看泛癌甲基化概况。用户也可以一次选择多个CpG来探究所选CpG甲基化的平均值或中位数。

图1.SMART App 展示的ERBB2基因的基因组信息

3.Differential CpGs

图S3：Differential CpGs模块

本模块功能：

甲基化CpGs差异分析(可作M值、beta值截断)，

动态获取不同甲基化CpGs及其在染色体上的分布（全染色体、或选定单条染色体）

图2.差异CpGs

SMART App开发了甲基化CpGs差异分析的功能：允许用户对于一个给定的癌症类型自定义设置Cutoff value，来动态获取不同甲基化CpGs及其在染色体上的分布（图2）。

另外，SMART App 支持对beta值或M值的设定（btw，一般M值具有更好的统计特性，因此更适合用于甲基化数据的统计分析；而beta值更适合于显示数据）。

作者以TCGA-BLCA为例（设定delta |beta-valve|>0.25，以及p值< 0.01），展示了BLCA中甲基化差异CpGs的可视化（图2）。

首先是TCGA-BLCA中高低甲基化水平CpG的数量和染色体分布：TCGA-BLCA中有6007个高甲基化CpG，其中染色体1、19的高甲基化CpG数量最多，染色体Y上最少（图2a）。图2b则显示为低甲基化CpG的情况。

图2c：对所筛选的CpGs在全染色体上分布的可视化。

图2d：展示了筛选的CpG在1号染色体上的情况。

4.Methylation DIY

图S4：Methylation DIY模块

本模块功能：

为用户提供综合分析DNA甲基化的功能，而且可以结合其他组学数据和临床分期数据（可视化：箱线图）

图3.甲基化DIY示例

第一个面板为用户生成自定义box plot，用于比较给定癌症类型中正常和肿瘤样本之间的基因CpG。为了便于观察和解释，用户可以同时选择多个探针。

还可以结合TCGA的临床分期数据：

通过SMART App，可以很容易的发现TRIM58 (cg10983544)在肺鳞癌II期组中存在大量的高甲基化(图3b, p= 0.016)。

另外由于体细胞突变也会影响DNA甲基化。所以SMART App也提供了比较突变组和野生型组之间甲基化差异的功能。

以IDH1为例，IDH1突变可导致低级别胶质瘤(LGG)的高甲基化。选择IDH1后，box plot显示，突变组中cg07640666、cg17353896、cg24324379显著超甲基化(图3a, p< 0.05)。

CNV也会影响DNA甲基化，同样地，SMART App提供了研究CNV和DNA甲基化之间潜在联系的功能，结果以box plot作可视化。作者以肺鳞癌中TRIM58的CpG为例（图3）。

5.Correlation

图S5：Correlation模块

本模块功能：

DNA甲基化常与基因表达的相关性分析

基因or转录本水平

统计方法：Pearson、Spearman、Kendall

DNA甲基化常与基因表达相关。SMART App的Correlation功能可以对任意TCGA数据集进行基因表达与甲基化的相关分析，使用Pearson、Spearman、Kendall等方法作相关统计。UCSC Xena可供下载TCGA 198,619个转录本的表达数据。

而且可以选择在基因水平或者是转录本上进行相关性分析。可视化结果显示转录本和CpGs的基因组位置(图4和图5)。

图4.肺鳞癌中ZNF582表达与DNA甲基化(M值)的相关性研究

图5.基因或转录本表达与甲基化的相关性的分布图

6.Survival

图S6：Survival模块

本模块功能：生存、预后价值分析

单变量Cox回归分析、多变量Cox回归分析、KM生存曲线

SMART App允许用户选择自定义癌症类型，执行基于甲基化水平的总生存(OS)和无病生存(DFI)的生存分析。不仅如此，SMART App也提供了单变量和多变量Cox回归分析功能，便于用户作预后价值分析。

而在进行多变量Cox回归分析时，用户可以调整其中的因素，包括年龄、性别、种族和病理分期。然后选择感兴趣的癌症类型进行Cox回归分析。App将给出HR、95%CI、Z score和p值等信息。进一步可以使用SMART App来绘制生存曲线。高/低甲基化水平组的阈值也都可由用户根据需求调整。

7.与现有工具的比较

其他用于分析TCGA项目DNA甲基化的Web工具主要包括4个：methHC、Wanderer、MEXPRESS和MethSurv。详细的比较如表1所示。

表1.SMART APP与其他工具之间的功能比较

MethHC于2014年引入，允许用户识别最高/最低甲基化基因，进行分级聚类分析，探索肿瘤的甲基化谱并进行相关分析。然而，methHC最新的更新都已经是2014年了。

Wanderer是一个交互式网络应用程序，探索DNA甲基化和基因表达。它提供了一个单页界面，以探索DNA甲基化的区域框架。

MEXPRESS是一款用于DNA甲基化分析的数据可视化工具，于2015年首次推出。它后续进行了更新，添加了更多的数据并支持生成更漂亮的图形。

MethSurv是一个很有前景的应用，它主要关注DNA甲基化的临床影响。

虽然这些工具非常有价值，但与SMART APP相比起来也有一些短板：

这4个工具都不允许用户使用M值进行差异分析，而且也不允许用户选择癌症类型并可视化异常甲基化CpG的染色体分布。

此外，它们也不允许用户在转录水平上分析甲基化和表达之间的相关性。以及在绘制生存曲线时，不能提供可自定义的甲基化阈值选择。

看到这里我们可以发现,SMART App将多组学和临床数据与DNA甲基化相结合，为研究人员提供关键的交互以及自定义功能，包括CpG可视化、泛癌甲基化概况、差异甲基化分析、相关分析、生存分析等，为用户（尤其是没有编程背景的用户）从多维度分析不同癌症类型的DNA甲基化带来了极大的便利。可以说是业界DNA甲基化一站式分析、可视化的法宝了。

特别鸣谢

很开心可以邀请到李胤老师(发表该文第一作者)为我们这次介绍SMART APP作简要点评，非常感谢老师的支持和鼓励！！

李胤老师:TCGA甲基化数据量巨大，整合甲基化数据工作量巨大且耗费时间。为了促进甲基化研究的发展，在此基础上建立了SMART App，提供更加方便的分析模块，从而助力肿瘤数据挖掘。所有代码开源，用户不仅可以下载本地版打破网速问题，而且也是ShinyApp网页构建学习的好资源。

还是和往常一样，后台回复「4b」，即可获取今天小编为大家解读的文献。除此之外，“科研菌”团队已经录制好有关SMART APP的视频教程(鼠标点点就能完成甲基化分析哦！)。近期将免费与大伙分享！

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