到底是批次效应还是真实生物学差异

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因为10X仪器的商业化成功，目前大家的单细胞转录组课题基本上都是10X数据，所以我在单细胞天地分享了一系列相关教程，希望可以接地气的帮助大家，如下：

其中在上面的两个样品的10x单细胞转录组数据分析策略 教程里面，我委婉的指出来了，那个文章对两个样本的10X单细胞转录组数据的整合是有问题的，现在我们就来慢慢讨论一下这个问题。

首先批次效应还是真实生物学差异是可以区分的

在教程：使用seurat3的merge功能整合8个10X单细胞转录组样本 和 seurat3的merge功能和cellranger的aggr整合多个10X单细胞转录组对比 我其实展示了如果10X的样本效应被去除，应该是什么样的效果，如下：

同样的发育时期的2个样本，细胞亚群是类似的，但是不同发育时期的细胞亚群差异很大，所以可以初步认为，同样的发育时期的不同样本之间是没有批次效应的，而不同发育时期的差异应该是真实的生物学差异，并不是批次效应。

如果只有一个样本

但是上面的两个样品的10x单细胞转录组数据分析策略 的文章里面，作者仅仅是做了一个野生型和一个突变的小鼠，所以它们两个样本的差异，就必然会混入批次效应和真实生物学差异，需要仔细探索。

首先下载作者文章里面公布的原始数据

因为这个数据集的文章作者使用的是cellranger流程，而且我们在单细胞天地多次分享过流程笔记，大家可以自行前往学习，如下：

得到表达矩阵的报表如下：

跟文章描述的差不多。

然后样本合并走seurat的merge流程

就是前面我们的教程：使用seurat3的merge功能整合8个10X单细胞转录组样本 的代码：

rm(list=ls()) 
options(stringsAsFactors = F)
library(Seurat) 
sce1 <- CreateSeuratObject(Read10X('../10x-results/WT/'),
 "wt")
sce2 <- CreateSeuratObject(Read10X('../10x-results/mut/'),
 "mut")
sce<- merge(sce1,y = c(sce2), 
 add.cell.ids = c('wt','mut'), 
 project = "mouse")
sce
head(sce@meta.data) 
GetAssayData(sce,'counts')
sce[["percent.mt"]] <- PercentageFeatureSet(sce, pattern = "^mt-")
sce[["percent.ribo"]] <- PercentageFeatureSet(sce, pattern = "^Rp[sl]")
sce <- subset(sce, 
 subset = nFeature_RNA > 200 & nFeature_RNA < 5000 & percent.mt < 10)
sce <- NormalizeData(sce, normalization.method = "LogNormalize", scale.factor = 10000)
sce <- FindVariableFeatures(sce, selection.method = "vst", nfeatures = 2000)
plot1 <- VariableFeaturePlot(sce)
plot2 <- LabelPoints(plot = plot1, points = top10, repel = TRUE)
CombinePlots(plots = list(plot1, plot2),legend = 'none')
# 步骤 ScaleData 的耗时取决于电脑系统配置（保守估计大于一分钟）
sce <- ScaleData(sce)

sce <- RunPCA(object = sce, pc.genes = VariableFeatures(sce))
VizDimLoadings(sce, dims = 1:2, reduction = "pca")
DimHeatmap(sce, dims = 1:12, cells = 100, balanced = TRUE)
ElbowPlot(sce)
sce <- FindNeighbors(sce, dims = 1:15)
sce <- FindClusters(sce, resolution = 0.2)
table(sce@meta.data$RNA_snn_res.0.2)
table(sce@meta.data$RNA_snn_res.0.2,sce@meta.data$orig.ident)
set.seed(123)
sce <- RunTSNE(object = sce, dims = 1:15, do.fast = TRUE)
DimPlot(sce,reduction = "tsne",label=T)
DimPlot(sce,reduction = "tsne",label=T,split.by ='orig.ident')

为了达到作者文章里面的11群细胞，我调整了resolution参数，低到了0.2，哈哈哈

而且可以看到，跟文章的图表几乎是一模一样，在mut的小鼠里面有一群细胞非常突出！

上面演示的seurat包来进行多样本合并代码，需要大家最好是有基础知识，比如听完我的全网第一个单细胞课程（基础）满一千份销量就停止发售 内容，就是一些R包的认知，包括 scater,monocle,Seurat,scran,M3Drop 需要熟练掌握它们的对象，：一些单细胞转录组R包的对象 ，分析流程也大同小异：

  • step1: 创建对象
  • step2: 质量控制
  • step3: 表达量的标准化和归一化
  • step4: 去除干扰因素(多个样本整合)
  • step5: 判断重要的基因
  • step6: 多种降维算法
  • step7: 可视化降维结果
  • step8: 多种聚类算法
  • step9: 聚类后找每个细胞亚群的标志基因
  • step10: 继续分类

具体研究差异最大的细胞亚群

因为只有一个样本，所以没办法根据分群结果就判定是生物学差异还是批次效应，需要仔细的去探索具体的每个亚群！

简单整理一下，可以发现mut和wt的小鼠，差异很大的就是0-3这4群细胞啦。

首先查看是否不同亚群细胞有很明显的批次因素混杂，如下，可以看到不同亚群之间的批次因素并不是其生物学差异的混杂（这里，我很难使用文字描述，你需要仔细看上图和下图，尝试理解）image-20191010105738373

然后需要具体查看细胞的标记基因，那就得使用 FindMarkers 函数啦！

对文章的11个细胞亚群分别找差异基因，然后热图可视化，代码如下：

sce.markers <- FindAllMarkers(object = sce, only.pos = TRUE, min.pct = 0.25, 
 thresh.use = 0.25) 
write.csv(sce.markers,file = 'all_sce.markers.csv')
library(dplyr) 
top10 <- sce.markers %>% group_by(cluster) %>% top_n(10, avg_logFC)
DoHeatmap(sce,top10$gene)

出图如下：

因为确实没有这篇文章的生物学背景，我能看出来部分基因其实是有意义的，比如KRT相关基因，CCL相关基因，S100相关基因。

这个时候，可以对每个亚群的标记基因拿去做GO/KEGG数据库注释，这个方法在今天的生信技能树推文有讲解：重复一篇WGCNA分析的文章（代码版） , 在 step5_Annotation_Module_GO_BP：

那么到底是批次效应还是真实生物学差异呢

其实到目前为止的探索，我并不能完全确定，很多粉丝在后台都表明急缺生信工程师加盟课题组分析数据，实际上呢，我们生信工程师何尝不想找一个生物学背景足够强的合作者呢？

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