singleCellNet(代码开源)|单细胞层面对细胞分类进行评估,褒贬不一,有胜于无

文章目录

    • 1.前言
    • 2.singleCellNet简介
    • 3.singleCellNet demo
    • 4.评估结果
    • 5.跨物种的评估
    • 6.小结

1.前言

书接上回,上篇分享了作者做的基于bulkRNA的细胞分类评估工具CellNet及其更新版PACNet,现在分享的是单细胞数据的细胞分类评估工具singleCellNet,该工具与CellNet是同时期开发的。

singleCellNet:https://github.com/CahanLab/singleCellNet

单细胞RNA测序(scRNA-seq)技术正迅速成为生成器官、组织和生物体细胞图谱的关键工具。它有助于定义发展阶段、调控因素,以及了解年龄、疾病或遗传变异如何影响细胞组成和状态。scRNA-seq中最耗时的环节之一是“细胞分型”——确定每个细胞的身份,这通常需要额外的实验步骤,如原位定位或功能评估。因此,迫切需要一种更快速、更精确的定量分型方法。

一种解决方案是将待分析的scRNA-seq数据与已鉴定细胞类型的现有数据集进行整合。已有多种方法提出用于整合scRNA-seq数据集,以提高分析的统计效力。然而,这些方法通常需要两个数据集中至少有一种共同的丰富细胞类型,且它们并未提供与参考数据集相比对查询细胞类型进行定量分类的方法。

特点:
• SingleCellNet(SCN)可对scRNA-seq数据进行定量分类
• SCN可以跨平台、跨物种应用
• SCN可以评估细胞命运工程实验的保真度
• SCN 提供 12 个即用型公共参考数据集

2.singleCellNet简介

整个框架及思路与bulk的处理大同小异的,且特色还是多物种多分组,这里作者依旧提供了PBMC的测试数据:

下载R包:

install.packages("devtools")
devtools::install_github("pcahan1/singleCellNet")
library(singleCellNet)

下载数据:

download.file("https://s3.amazonaws.com/cnobjects/singleCellNet/examples/sampTab_Park_MouseKidney_062118.rda", "sampTab_Park_MouseKidney_062118.rda")
download.file("https://s3.amazonaws.com/cnobjects/singleCellNet/examples/expMatrix_Park_MouseKidney_Oct_12_2018.rda", "expMatrix_Park_MouseKidney_Oct_12_2018.rda")
download.file("https://s3.amazonaws.com/cnobjects/singleCellNet/examples/expMatrix_TM_Raw_Oct_12_2018.rda", "expMatrix_TM_Raw_Oct_12_2018.rda")
download.file("https://s3.amazonaws.com/cnobjects/singleCellNet/examples/sampTab_TM_053018.rda", "sampTab_TM_053018.rda")

## For cross-species analyis:
download.file("https://s3.amazonaws.com/cnobjects/singleCellNet/examples/human_mouse_genes_Jul_24_2018.rda", "human_mouse_genes_Jul_24_2018.rda")
download.file("https://s3.amazonaws.com/cnobjects/singleCellNet/examples/6k_beadpurfied_raw.rda", "6k_beadpurfied_raw.rda")
download.file("https://s3.amazonaws.com/cnobjects/singleCellNet/examples/stDat_beads_mar22.rda", "stDat_beads_mar22.rda")

## To demonstrate how to integrate loom files to SCN
download.file("https://s3.amazonaws.com/cnobjects/singleCellNet/examples/pbmc_6k.loom", "pbmc_6k.loom")

3.singleCellNet demo

加载查询数据:

stPark = utils_loadObject("sampTab_Park_MouseKidney_062118.rda")
expPark = utils_loadObject("expMatrix_Park_MouseKidney_Oct_12_2018.rda")
dim(expPark)
# [1] 16272 43745

genesPark = rownames(expPark)

rm(expPark)
gc()

加载测试数据:

expTMraw = utils_loadObject("expMatrix_TM_Raw_Oct_12_2018.rda")
dim(expTMraw)
# [1] 23433 24936

stTM = utils_loadObject("sampTab_TM_053018.rda")
dim(stTM)
# [1] 24936    17

stTM<-droplevels(stTM)

拆分训练集和测试集:

## 交集共有基因
commonGenes = intersect(rownames(expTMraw), genesPark)
length(commonGenes)
# [1] 13831

expTMraw = expTMraw[commonGenes,]

## 拆分数据
set.seed(100) #can be any random seed number
stList = splitCommon(sampTab=stTM, ncells=100, dLevel="newAnn")
stTrain = stList[[1]]
expTrain = expTMraw[,rownames(stTrain)]

训练分类器:

system.time(class_info<-scn_train(stTrain = stTrain, expTrain = expTrain, nTopGenes = 10, nRand = 70, nTrees = 1000, nTopGenePairs = 25, dLevel = "newAnn", colName_samp = "cell"))
#   user  system elapsed 
# 476.839  25.809 503.351

提取数据进行分类器评估:

#validate data
stTestList = splitCommon(sampTab=stList[[2]], ncells=100, dLevel="newAnn") #normalize validation data so that the assessment is as fair as possible
stTest = stTestList[[1]]
expTest = expTMraw[commonGenes,rownames(stTest)]

#predict
classRes_val_all = scn_predict(cnProc=class_info[['cnProc']], expDat=expTest, nrand = 50)

4.评估结果

看一下全部细胞准确度和召回率的结果:

tm_heldoutassessment = assess_comm(ct_scores = classRes_val_all, stTrain = stTrain, stQuery = stTest, dLevelSID = "cell", classTrain = "newAnn", classQuery = "newAnn", nRand = 50)

plot_PRs(tm_heldoutassessment)

分类热图评分:

#Create a name vector label used later in classification heatmap where the values are cell types/ clusters and names are the sample names
 
nrand = 50
sla = as.vector(stTest$newAnn)
names(sla) = as.vector(stTest$cell)
slaRand = rep("rand", nrand) 
names(slaRand) = paste("rand_", 1:nrand, sep='')
sla = append(sla, slaRand) #include in the random cells profile created

sc_hmClass(classMat = classRes_val_all,grps = sla, max=300, isBig=TRUE)

比例堆积图,这里如果分类效果好,细胞清晰的话理想状态是一行一个颜色,即每一组都是一种细胞类型

plot_attr(classRes=classRes_val_all, sampTab=stTest, nrand=nrand, dLevel="newAnn", sid="cell")

可视化训练数据的平均顶级对基因表达:

gpTab = compareGenePairs(query_exp = expTest, training_exp = expTrain, training_st = stTrain, classCol = "newAnn", sampleCol = "cell", RF_classifier = class_info$cnProc$classifier, numPairs = 20, trainingOnly= TRUE)

train = findAvgLabel(gpTab = gpTab, stTrain = stTrain, dLevel = "newAnn")

hm_gpa_sel(gpTab, genes = class_info$cnProc$xpairs, grps = train, maxPerGrp = 50)

查询数据及可视化:

expPark = utils_loadObject("expMatrix_Park_MouseKidney_Oct_12_2018.rda") 
  
nqRand = 50
system.time(crParkall<-scn_predict(class_info[['cnProc']], expPark, nrand=nqRand))
#   user  system elapsed 
# 89.633   5.010  95.041 
 
 sgrp = as.vector(stPark$description1)
names(sgrp) = as.vector(stPark$sample_name)
grpRand =rep("rand", nqRand)
names(grpRand) = paste("rand_", 1:nqRand, sep='')
sgrp = append(sgrp, grpRand)

# heatmap classification result
sc_hmClass(crParkall, sgrp, max=5000, isBig=TRUE, cCol=F, font=8)

分类注释分配:

# This classifies a cell with  the catgory with the highest classification score or higher than a classification score threshold of your choosing.
# The annotation result can be found in a column named category in the query sample table.

stPark <- get_cate(classRes = crParkall, sampTab = stPark, dLevel = "description1", sid = "sample_name", nrand = nqRand)

sc_violinClass(sampTab = stPark, classRes = crParkall, sid = "sample_name", dLevel = "description1", addRand = nqRand)

分类结果的天际线图,这个解释一下,可以看作是若干个细胞的密度图

library(viridis)
stKid2 = addRandToSampTab(crParkall, stPark, "description1", "sample_name")
skylineClass(crParkall, "T cell", stKid2, "description1",.25, "sample_name")

5.跨物种的评估

前面步骤是相似的,但是在加载直系同源物表时,将人类基因名称转换为小鼠直系同源物名称,并将分析限制为训练和查询数据之间共有的基因。

oTab = utils_loadObject("human_mouse_genes_Jul_24_2018.rda")
dim(oTab)
# [1] 16688     3

aa = csRenameOrth(expQuery, expTMraw, oTab)
expQueryOrth = aa[['expQuery']]
expTrainOrth = aa[['expTrain']]

各细胞类型横向的小提琴图:

sc_violinClass(sampTab = stQuery,classRes = crHS, sid = "sample_name", dLevel = "description", ncol = 12)

还有一个按分类划分的UMAP图:

system.time(umPrep_HS<-prep_umap_class(crHS, stQuery, nrand=nqRand, dLevel="description", sid="sample_name", topPC=5))
#  user  system elapsed 
# 25.703   0.740  26.450 
plot_umap(umPrep_HS)

6.小结

  • 该工具的适用情况没有想象中的这么广,虽说是多物种特点,但一般研究都是分开做的。细胞分大类的时候用不上,细分小类亚型的时候又用不了。属于是附加项吧,但是需要自己构建特征数据集,再去验证评估自己的分类效果,还是有一点绕的。
  • 因此小编认为还是bulk的适用更好一些,也不难怪作者对bulk的工具追更新了一版出来

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