使用immunarch包进行单细胞免疫组库数据分析（十）：Kme
2021-08-07 本文已影响0人
Davey1220
Kmer统计计算
在immunarch包中，要计算 kmer 出现的次数非常容易。我们可以直接使用getKmers()函数进行Kmer的统计计算：
kmers <- getKmers(immdata$data[[1]], 3)
## Warning: `tbl_df()` is deprecated as of dplyr 1.0.0.
## Please use `tibble::as_tibble()` instead.
## This warning is displayed once every 8 hours.
## Call `lifecycle::last_warnings()` to see where this warning was generated.
kmers
## # A tibble: 4,405 x 2
## Kmer Count
## <chr> <int>
## 1 AAA 6
## 2 AAD 5
## 3 AAE 9
## 4 AAF 2
## 5 AAG 37
## 6 AAI 2
## 7 AAK 5
## 8 AAL 4
## 9 AAM 1
## 10 AAN 13
## # … with 4,395 more rows
同样的，我们还可以计算一批免疫组库中 kmer 的出现次数。为此，我们只需要向该函数提供一个免疫组库的列表。其中，NA 表示在样本中找不到这样的 kmer，具体由列名指定。
kmers <- getKmers ( immdata $ data , 5 )
kmers
## # A tibble: 172,926 x 13
## Kmer `A2-i129` `A2-i131` `A2-i133` `A2-i132` `A4-i191` `A4-i192` MS1 MS2
## <chr> <int> <int> <int> <int> <int> <int> <int> <int>
## 1 AAAAG NA NA NA NA NA NA NA 1
## 2 AAAAL NA NA NA NA NA NA NA NA
## 3 AAAAW NA NA NA NA NA 1 NA NA
## 4 AAADE NA NA NA NA NA NA NA NA
## 5 AAADN NA 1 NA NA NA NA NA NA
## 6 AAADT NA NA NA NA NA NA NA NA
## 7 AAAEA NA NA NA NA NA NA NA NA
## 8 AAAEN NA NA NA 1 NA NA NA NA
## 9 AAAET NA NA NA NA NA NA NA NA
## 10 AAAFE NA NA NA 1 NA NA NA NA
## # … with 172,916 more rows, and 4 more variables: MS3 <int>, MS4 <int>,
## # MS5 <int>, MS6 <int>
请注意，在默认情况下，getKmers()函数在计算 kmer 统计信息之前会过滤掉所有的非编码序列。您可以通过将.coding参数设置为 FALSE来同时使用编码和非编码序列：
kmers <- getKmers ( immdata $ data [[ 1 ]], 3 , .coding = F )
kmers
## # A tibble: 4,645 x 2
## Kmer Count
## <chr> <int>
## 1 **G 1
## 2 *~G 4
## 3 *~L 1
## 4 *AA 1
## 5 *D~ 1
## 6 *EE 1
## 7 *G~ 1
## 8 *GG 1
## 9 *GP 1
## 10 *HL 1
## # … with 4,635 more rows
Kmer统计可视化
类似的，我们可以使用vis()函数来可视化kmer的统计信息：
kmers <- getKmers ( immdata $ data , 5 )
vis ( kmers )
image.png
通过设置.head参数，可以指定要可视化的最丰富的 kmer 的数量。
p1 <- vis ( kmers , .head = 5 )
p2 <- vis ( kmers , .head = 10 )
p3 <- vis ( kmers , .head = 30 )
( p1 + p2 ) / p3
image.png
通过设置.position参数，我们可以更改调整柱的位置：“stack”, “dodge” and “fill”：
p1 <- vis ( kmers , .head = 10 , .position = "stack" )
p2 <- vis ( kmers , .head = 10 , .position = "fill" )
p3 <- vis ( kmers , .head = 10 , .position = "dodge" )
( p1 + p2 ) / p3
image.png
其中，选项“stack”将所有条形堆叠在一起，以便您可以查看 kmer 的完整分布。选项“fill”也将所有条形堆叠在一起，但同时对其进行标准化，以便您可以看到每个kmer的计数分布。选项“dodge”将不同样本的 kmer 条进行分组，以便您可以清楚地看到哪些样本总体上出现了更多的 kmer。
如果您的kmer计数的分布对于某些repertoire严重不平衡，则需要设置另外的参数.log。它允许使用y轴的对数变换，因此你可以在 kmer 计数中看到数量级的差异。
p1 <- vis ( kmers , .head = 10 , .position = "stack" )
p2 <- vis ( kmers , .head = 10 , .position = "stack" , .log = T )
p1 + p2
image.png
Motif分析
immunarch 使用常见的几种方法进行Motif序列基序分析，并使用不同类型的位置矩阵来表示Motif序列基序：
- 位置频率矩阵 (PFM) - 每个氨基酸在每个位置出现的频率的矩阵；
- 位置概率矩阵 (PPM) - 每个氨基酸在每个位置出现的概率的矩阵；
- 位置权重矩阵 (PWM) - 具有 PPM 元素对数似然的矩阵；
- 一个具有 PWM 中元素自信息的矩阵。
为了计算和可视化序列motif，首先，我们需要计算一个输入免疫组库的 kmer 统计数据，然后应用kmer_profile()函数来计算motif矩阵：
kmers <- getKmers ( immdata $ data [[ 1 ]], 5 )
kmer_profile ( kmers )
## [,1] [,2] [,3] [,4] [,5]
## A 8955 8976 3791 3246 3159
## C 6469 26 27 18 10
## D 2129 2131 2131 2130 2085
## E 3315 5868 5872 5870 5720
## F 688 691 691 2600 9029
## G 9194 9603 9603 9566 9326
## H 405 405 405 680 659
## I 750 1020 1107 896 852
## K 721 1099 1100 1100 1044
## L 3073 3078 4108 4097 4033
## M 241 245 246 246 226
## N 2421 2423 2424 2419 2355
## P 2285 2564 2564 2559 2509
## Q 2459 2466 7087 7086 7051
## R 3487 3502 3504 3496 2917
## S 14021 14029 13082 8128 3462
## T 3408 5669 5671 6024 5797
## V 1703 1927 1927 1561 1508
## W 485 486 487 450 439
## Y 2060 2061 2442 6097 6088
## attr(,"class")
## [1] "immunr_kmer_profile_pfm" "matrix"
目前我们不支持对多个样本进行motif序列基序分析，但我们正在努力。为了计算和可视化所有样本的序列基序矩阵，我们需要逐个处理它们，这可以在 for 循环中或通过lapply()函数轻松完成。
其中，参数.method指定要计算的矩阵：
-
.method = "freq"- 位置频率矩阵（PFM）； -
.method = "prob"- 位置概率矩阵（PPM）； -
.method = "wei"- 位置权重矩阵（PWM）； -
.method = "self"- 自我信息矩阵。
kmer_profile ( kmers , "freq" )
## [,1] [,2] [,3] [,4] [,5]
## A 8955 8976 3791 3246 3159
## C 6469 26 27 18 10
## D 2129 2131 2131 2130 2085
## E 3315 5868 5872 5870 5720
## F 688 691 691 2600 9029
## G 9194 9603 9603 9566 9326
## H 405 405 405 680 659
## I 750 1020 1107 896 852
## K 721 1099 1100 1100 1044
## L 3073 3078 4108 4097 4033
## M 241 245 246 246 226
## N 2421 2423 2424 2419 2355
## P 2285 2564 2564 2559 2509
## Q 2459 2466 7087 7086 7051
## R 3487 3502 3504 3496 2917
## S 14021 14029 13082 8128 3462
## T 3408 5669 5671 6024 5797
## V 1703 1927 1927 1561 1508
## W 485 486 487 450 439
## Y 2060 2061 2442 6097 6088
## attr(,"class")
## [1] "immunr_kmer_profile_pfm" "matrix"
kmer_profile ( kmers , "prob" )
## [,1] [,2] [,3] [,4] [,5]
## A 0.131172274 0.1314798811 0.0555303286 0.0475472030 0.0462728325
## C 0.094757503 0.0003808464 0.0003954943 0.0002636629 0.0001464794
## D 0.031185458 0.0312147534 0.0312147534 0.0312001055 0.0305409483
## E 0.048557911 0.0859540934 0.0860126851 0.0859833892 0.0837861987
## F 0.010077781 0.0101217244 0.0101217244 0.0380846358 0.1322562217
## G 0.134673131 0.1406641375 0.1406641375 0.1401221638 0.1366066590
## H 0.005932414 0.0059324144 0.0059324144 0.0099605970 0.0096529904
## I 0.010985953 0.0149408956 0.0162152661 0.0131245514 0.0124800422
## K 0.010561162 0.0160980826 0.0161127305 0.0161127305 0.0152924461
## L 0.045013110 0.0450863496 0.0601737245 0.0600125972 0.0590751293
## M 0.003530153 0.0035887445 0.0036033925 0.0036033925 0.0033104337
## N 0.035462655 0.0354919510 0.0355065989 0.0354333592 0.0344958913
## P 0.033470536 0.0375573101 0.0375573101 0.0374840704 0.0367516735
## Q 0.036019277 0.0361218122 0.1038099284 0.1037952804 0.1032826026
## R 0.051077356 0.0512970748 0.0513263707 0.0512091872 0.0427280318
## S 0.205378722 0.2054959059 0.1916243097 0.1190584306 0.0507111573
## T 0.049920169 0.0830391539 0.0830684498 0.0882391715 0.0849140899
## V 0.024945436 0.0282265743 0.0282265743 0.0228654294 0.0220890888
## W 0.007104249 0.0071188973 0.0071335452 0.0065915716 0.0064304443
## Y 0.030174750 0.0301893978 0.0357702618 0.0893084709 0.0891766395
## attr(,"class")
## [1] "immunr_kmer_profile_ppm" "matrix"
kmer_profile ( kmers , "wei" )
## [,1] [,2] [,3] [,4] [,5]
## A 8.806550 8.8099289 7.5664346 7.3425192 7.303324
## C 8.337399 0.3785116 0.4329594 -0.1520031 -1.000000
## D 6.734032 6.7353868 6.7353868 6.7347096 6.703904
## E 7.372865 8.1967251 8.1977082 8.1972167 8.159871
## F 5.104337 5.1106138 5.1106138 7.0223678 8.818422
## G 8.844549 8.9073414 8.9073414 8.9017720 8.865115
## H 4.339850 4.3398500 4.3398500 5.0874628 5.042207
## I 5.228819 5.6724253 5.7905114 5.4854268 5.412782
## K 5.171927 5.7800476 5.7813597 5.7813597 5.705978
## L 7.263504 7.2658494 7.6822924 7.6784241 7.655710
## M 3.590961 3.6147098 3.6205864 3.6205864 3.498251
## N 6.919459 6.9206506 6.9212459 6.9182670 6.879583
## P 6.836050 7.0022525 7.0022525 6.9994363 6.970969
## Q 6.941928 6.9460290 8.4690312 8.4688277 8.461684
## R 7.445843 7.4520353 7.4528590 7.4495614 7.188342
## S 9.453374 9.4541965 9.3533674 8.6667566 7.435462
## T 7.412782 8.1469505 8.1474593 8.2345780 8.179163
## V 6.411935 6.5902128 6.5902128 6.2863267 6.236493
## W 4.599913 4.6028844 4.6058499 4.4918531 4.456149
## Y 6.686501 6.6872007 6.9319194 8.2519557 8.249825
## attr(,"class")
## [1] "immunr_kmer_profile_pwm" "matrix"
kmer_profile ( kmers , "self" )
## [,1] [,2] [,3] [,4] [,5]
## A 0.38439580 0.384852924 0.231593692 0.208945980 0.20515943
## C 0.32213912 0.004325845 0.004470689 0.003134693 0.00186571
## D 0.15602031 0.156124588 0.156124588 0.156072452 0.15371599
## E 0.21191400 0.304302404 0.304425277 0.304363847 0.29971526
## F 0.06684268 0.067070605 0.067070605 0.179555617 0.38600202
## G 0.38953746 0.398033587 0.398033587 0.397280373 0.39232070
## H 0.04388305 0.043883048 0.043883048 0.066233509 0.06462492
## I 0.07149874 0.090610399 0.096424136 0.082049289 0.07892670
## K 0.06933496 0.095895752 0.095961867 0.095961867 0.09222931
## L 0.20136664 0.201588530 0.243987757 0.243566576 0.24110364
## M 0.02875681 0.029148878 0.029246677 0.029246677 0.02727388
## N 0.17084331 0.170942166 0.170991579 0.170744427 0.16756143
## P 0.16403791 0.177824941 0.177824941 0.177583728 0.17516018
## Q 0.17271556 0.173059094 0.339249150 0.339222412 0.33828469
## R 0.21918174 0.219806921 0.219890176 0.219557010 0.19435586
## S 0.46901135 0.469109844 0.456764807 0.365540136 0.21813673
## T 0.21586646 0.298115914 0.298178816 0.309052134 0.30211178
## V 0.13283645 0.145276593 0.145276593 0.124632326 0.12150152
## W 0.05070375 0.050787142 0.050870488 0.047757003 0.04681920
## Y 0.15239801 0.152450850 0.171879524 0.311245305 0.31097592
## attr(,"class")
## [1] "immunr_kmer_profile_self" "matrix"
Motif序列基序的可视化
同样的，我们可以使用vis()函数对计算出的序列基序矩阵进行可视化展示。有两种类型的图可供选择 - “sequence logo”和“text logo”。其中，参数.plot指定了绘图的类型：.plot = "seq"用于绘制“sequence logo”图和.plot = "text"（默认情况下）用于绘制“text logo”图。
kp <- kmer_profile ( kmers , "self" )
p1 <- vis ( kp )
p2 <- vis ( kp , .plot = "seq" )
p1 + p2
image.png
