oku-slide-20240802

幾つかのデータ解析手法の紹介
奥 牧人
2024/08/02
富山大学ムーンショット研究数理セミナー

Transcript

1. 幾つかのデータ解析手法の紹介 奥 牧人 2024/08/02 富山大学ムーンショット研究数理セミナー 発表後に一部修正 1 / 60
2. Outline はじめに 一般的な手法 同期性揺らぎ遺伝子解析 (DNB解析) エネルギー地形解析 RNA-seqデータ前処理 まとめ 2 / 60
3. Outline はじめに 一般的な手法 同期性揺らぎ遺伝子解析 (DNB解析) エネルギー地形解析 RNA-seqデータ前処理 まとめ 3 / 60
4. 背景 富山大学ムーンショット研究のメンバーの多くは実験系であり、 データ解析を担当出来る 数理系の者が慢性的に不足 している。 特に、習得難易度の高いデータ解析手法の場合、手法毎に扱える 者が一人しかいない状況も珍しくない。 また、比較的簡単な解析でさえも一部の者に集中しがちである。 しかし、数理系の者を増やすのは難しい。 4 / 60
5. 目的 一人しか扱えない手法について、万一に備えて、せめて概要だけ でも 複数名で理解しておく ことを目指す。 比較的簡単な解析が出来る者 を増やす。 → まずはお互いに知っている手法を紹介 5 / 60
6. その他の問題 (医薬系) 医薬系の場合 授業でプログラミングや機械学習をほとんど習わない。 稀にデータ解析の出来る学生や研究員が出現するが、卒業や 異動の際に知識やノウハウが誰にも継承されず失われる。 数理の課題について相談できる者が少ない。 データ解析主体では論文になりにくい。 対策 マニュアルや相談体制を整備し、研究が軌道に乗る最小人数 (critical mass) を越えることを目指す。 基本的に 実験系の者が自分でデータ解析 できるようにし、 数理の専門家は助言や指導に徹する状況を目指す。 6 / 60
7. その他の問題 (理工系) 理工系の場合 生命科学分野の実データが入手しづらい。 異分野のデータの場合、結果の解釈がしづらい。 標準的な手法を使っただけでは研究と認めて貰えない。 対策 公開データや人工データを使う。 良き共同研究相手 を見つける。ダメな相手は切る。 独自性の高い手法 を使いこなせるようにする。 7 / 60
8. 以前まとめた資料 遺伝子発現量データ解析の基礎, 和漢研年報, 44:2-11 (2018). http://hdl.handle.net/10110/00019294 前処理、次元削減、発現変動遺伝子、ベン図、階層的クラス タリング、エンリッチメント解析、ネットワーク図を説明 上記解説文を元にした講義資料 https://speakerdeck.com/okumakito/oku-slide-20210721 動的ネットワークバイオマーカー解析の説明資料 https://speakerdeck.com/okumakito/oku-slide-20220820 8 / 60
9. 何について学ぶべきか データ解析手法について学ぶとき、必ずしも 動作原理 や背後に ある 数学の概念 を理解する必要はない。 むしろ、実際のデータ解析で使用する際の 注意点 や、手法毎の 利点と欠点を踏まえた 使い分け を覚える方が大事。 自動車で例えると、エンジンの仕組みを詳細に理解していなくて も運転は出来るが、交通ルールを分かっていないと事故を起こし てしまう。 9 / 60
10. Outline はじめに 一般的な手法 同期性揺らぎ遺伝子解析 (DNB解析) エネルギー地形解析 RNA-seqデータ前処理 まとめ 10 / 60
11. 統計学 医薬系では統計学をよく使う。医薬系の者の方が理工系の者より むしろ統計学に詳しい印象がある。 特に t検定 を多用する。 色々と批判されているものの、P値 を重視する者は多い。 私はそこまで詳しくないので、本発表では深入りしない。 11 / 60
12. 機械学習の区分のおさらい 大区分 中区分 例 教師あり学習 分類 線形判別分析、ロジスティック 回帰、ランダムフォレスト、 LightGBM 教師あり学習 回帰 単回帰、重回帰、Lasso, ガウス 過程回帰 教師なし学習 クラスタリング K平均法、階層的クラスタリング 教師なし学習 次元削減 PCA, t-SNE, UMAP 本発表では 教師なし学習のみ 扱う。 12 / 60
13. 機械学習の区分の説明 教師あり学習は正解データあり、未知データの予測に使う。 教師なし学習は正解データなし、既存データの解釈に使う。 教師あり学習ではデータを訓練データとテストデータに分ける。 教師なし学習では全データをそのまま使う。 分類の出力は質的変数、回帰の出力は量的変数 クラスタリングではデータを複数のグループに分ける。 次元削減ではデータ点を (通常は) 2次元平面上に並べる。 ロジスティック回帰は、回帰と付いているが分類器 t-SNEやUMAPで通常グループ毎に色が違うのは、単に後から 追加でクラスタリングをかけているだけ 13 / 60
14. 紹介する一般的な手法 主成分分析 t-SNE UMAP 倍率変化 FDR ベン図 階層的クラスタリング K平均法 エンリッチメント解析 14 / 60
15. 主成分分析 項目 説明 名前 主成分分析、Principal Component Analysis (PCA) 区分 教師なし学習 > 次元削減 処理内容 多次元のデータを分散の意味で最もよく見える方向から 眺めた時の射影を計算する 関連用語 寄与率、ローディング、スクリープロット 利点 簡単、色々なことが分かる、解釈しやすい 欠点 scRNA-seqなど多数のグループがある場合に向かない 注意点 3次元は静止画だと意味がない (最適でない2次元への 射影になってしまっているため)、各軸毎に反転可 15 / 60
16. 主成分分析、補足 私はPCAをデータ全体の傾向を把握する目的で使っている。 外れ値がないか、条件別に分かれているか、時間順に並んで いるかなどを確認 あくまで傾向把握目的なので、PC1, PC2のみ使用 重みの絶対値の大きい変数にも特に着目しない。重要変数の 選択はDEGでやる。 RNA-seqの場合、低発現遺伝子は予め除外する。 中心化 (平均を0にする) は必須だが、Zスコア化 (平均を0、標準 偏差を1にする) した方が良いかどうかはデータによって違う。 16 / 60
17. t-SNE 項目 説明 名前 t-SNE 区分 教師なし学習 > 次元削減 処理内容 多次元のデータ点を上手に2次元上に配置する 関連用語 - 利点 多数のグループをきちんと分離出来る 欠点 本当は同じグループの点が分離する場合がある、利用率 がUMAPに押され気味 注意点 sklearnの場合、学習率をデータ点数/12にし、初期配 置をPCAで決めるようにする。また、必要に応じて事前 にPCAで10次元程度に落としてからt-SNEをかける。 17 / 60
18. t-SNE、補足 t-SNEや後述のUMAPでは 各軸に優劣がない。寄与率 という概念 も存在しない。 簡単に言うと、 元の高次元空間で近い点は2次元平面上でもなるべく近く 元の高次元空間で遠い点は2次元平面上でもなるべく遠く なるように、各点の2次元平面上の位置をうまく調節する手法 つまり、PCAとは根本的に考え方が違う。 18 / 60
19. UMAP 項目 説明 名前 UMAP 区分 教師なし学習 > 次元削減 処理内容 多次元のデータ点を上手に2次元上に配置する 関連用語 - 利点 多数のグループをきちんと分離出来る 欠点 本当は同じグループの点が分離する場合がある、パラメ ータ調節が必要 注意点 パラメータ (min_dist, spread) を適宜調節する 19 / 60
20. 倍率変化 項目 説明 名前 倍率変化、Fold change (FC) 区分 発現変動遺伝子解析 処理内容 2群間の比較において、平均値の比が (対数を取る前の 値で) 2倍より大きい遺伝子を選ぶ 関連用語 - 利点 簡単、再現性が高い、サンプル数に依存しない 欠点 P値至上主義者に理解して貰えない 注意点 閾値は2倍から変えても構わない 20 / 60
21. 倍率変化、補足 複数時点ある場合、私は以下のようにしている。 各時点で平均を取る。 それらの最大値と最小値の差が (log2を取った値で) 1より 大きい遺伝子を選ぶ。任意の2時点間のDEGの和集合である。 取れた遺伝子を階層的クラスタリングにかける。 クラスタ毎に遺伝子一覧を調べたりエンリッチメント解析に かけたりする。 こうする理由は、多くの場合にDEGは複数時点で大きく重複する ので、時点別で見るよりクラスタ別で見た方が解釈しやすいから である。 21 / 60
22. FDR 項目 説明 名前 FDR、False Discovery Rate 区分 発現変動遺伝子解析、多重検定補正 処理内容 N個のP値に対応するN個のQ値を計算し、Q値が指定し たFDRの値以下のものを有意と判定する。FDRとは出力 の中に含まれる偽陽性の割合のこと。 関連用語 Benjamini-Hochberg法 利点 Nが大きい場合にBonferroni補正より検出力が高い 欠点 取れる遺伝子数がサンプル数に依存する 注意点 P値がほぼ同じでもQ値が大きく違ったり、P値が違うの にQ値が全く同じだったりする。P値とQ値は別物。 22 / 60
23. ベン図 項目 説明 名前 ベン図、Venn diagram 区分 発現変動遺伝子解析 処理内容 複数の集合間の重なり具合を計算して図示する 関連用語 和集合、積集合、差集合、ジャカード指数 利点 3集合以下なら分かりやすい 欠点 5集合以上だと領域数が多過ぎて意味不明 注意点 4集合の場合は正円だと描けないので楕円等を使う 23 / 60
24. 階層的クラスタリング 項目 説明 名前 階層的クラスタリング 区分 教師なし学習 > クラスタリング 処理内容 似ているデータ点を順にまとめていき、閾値で切って 複数のクラスタに分ける 関連用語 樹形図、平均連結法、ウォード法、シルエットスコア 利点 ランダム性がない、生命科学の分野で一般的 欠点 汎用的な閾値自動決定法が無い 注意点 RNA-seqでは相関類似度を使うか遺伝子毎にZスコア化 する、単連結法はChaining現象が発生するため非推奨 24 / 60
25. 階層的クラスタリング、補足 設定項目 類似度 or 非類似度: ユークリッド距離、相関類似度など 連結法: ウォード法、平均連結法など クラスタ分割基準: クラスタ数指定、非類似度の閾値指定など 私はRNA-seqデータ解析の場合では相関類似度、平均連結法、 非類似度の閾値指定を使っている。閾値は以下の式で計算 意味は、相関係数をフィッシャー変換した際の3σ点 1 − tanh ( 3 √N − 3 ) 25 / 60
26. K平均法 項目 説明 名前 K平均法、K-means 区分 教師なし学習 > クラスタリング 処理内容 クラスタ数をKとし、各クラスタの中心位置 (最初はラ ンダム) とそれに属するデータ点を交互に更新する 関連用語 - 利点 簡単 欠点 クラスタ数を決め打ちする必要がある、クラスタの初期 配置により結果が変わる 注意点 RNA-seqでは相関類似度を使うか遺伝子毎にZスコア化 する 26 / 60
27. エンリッチメント解析 項目 説明 名前 エンリッチメント解析 区分 その他 処理内容 入力した遺伝子一覧の中に、どのような注釈を持つ遺伝 子が多いかをデータベースに問い合わせ、出力する 関連用語 GO (Gene Ontology)、フィッシャーの正確検定 利点 個々の遺伝子について知らなくても結果の解釈が出来る 欠点 データベースによって結果が違う、重複数が極めて少な いものも出力される、詳しいことは分からない 注意点 P値だけ見てはダメ、個数も確認する 27 / 60
28. エンリッチメント解析、補足 フィッシャーの正確検定とは、ベン図で2つの集合の重なりが 有意に大きいかどうかを判定するもの。 エンリッチメント解析の場合の2つの集合とは、入力した遺伝子 群 (DEGなど) と特定の注釈を持つ遺伝子群のこと。 私は普段DAVIDを使うので、以下DAVIDについて補足する。 https://david.ncifcrf.gov/ P値はDAVIDの独自補正がかかっている。私はDAVIDから結果を ダウンロードしてPythonでP値とQ値を再計算している。その 際、遺伝子の個数が少ない注釈も除外している。 GOで名前に"regulation of transcription" と付くものは解釈が 難しいので私は除外している。 28 / 60
29. Outline はじめに 一般的な手法 同期性揺らぎ遺伝子解析 (DNB解析) エネルギー地形解析 RNA-seqデータ前処理 まとめ 29 / 60
30. 同期性揺らぎ遺伝子解析 (DNB解析) 項目 説明 名前 同期性揺らぎ遺伝子解析、DNB解析 区分 その他 処理内容 揺らぎが大きく、かつ、互いに強く相関した遺伝子群を 選ぶ 関連用語 中央絶対偏差、スピアマンの相関係数、階層的クラスタ リング 利点 揺らぎに注目する点が独自的 欠点 言葉が独り歩きしていて過度に期待される、結果が合っ ているかどうかよく分からない、手法が確立していない 注意点 後述 30 / 60
31. 主な流れ 主な流れ 1. 揺らぎの大きな遺伝子を選ぶ 2. その中から相関強度の高いクラスタを選ぶ 必要に応じて前処理や後処理をする。 本質的に 変数選択 の手法、発現変動遺伝子と同様 31 / 60
32. 考えるべきこと 考えるべきことが沢山ある。 揺らぎの指標: 標準偏差、中央絶対偏差 揺らぎ判定法: 倍率変化、割合、仮説検定 倍率変化や割合の閾値 仮説検定の種類: F検定、Levene ル ビ ー ン 検定、Brown-Forsythe検定 対照群: 使用する、使用しない 複数時点の扱い: 時点毎、中心化して結合、対照群のみプール 相関の指標: ピアソンの相関係数、スピアマンの相関係数 連結法: 平均連結法、完全連結法 クラスタ分割基準: 個数、閾値 32 / 60
33. 考えるべきこと、続き クラスタ選択: 最大クラスタのみ選択、2番目以降も選択 最大クラスタに対する大きさ 最大クラスタ数 最小クラスタサイズ 事後クラスタリング: する、しない 時点毎の中心化: する、しない 相関係数の指標: ピアソン、スピアマン 最大クラスタ数 最小クラスタサイズ 遺伝子全体の揺らぎスコア: 選択条件に使う、使わない 33 / 60
34. RNA-seqに対する現在の方針 外れ値に強い 中央絶対偏差 と スピアマンの相関係数 は必須 結果の再現性を高めるため 対照群なし を選択 時点毎に計算するか、中心化して結合するかは、結果があまり 変わらないことが多いのでどちらでも良い。 対照群なし、かつ、時点毎の場合、異なる時点間で取れる遺伝子 が大きく重複するので、事後クラスタリング が必要 結果の妥当性を以下で確認 ヒートマップ 遺伝子リスト エンリッチメント解析 34 / 60
35. 何が難しいのか? 手法が確立しておらず、選択肢の組み合わせの数が膨大なため、 データ毎に 数理の知識 と データ解析の経験 に基づき組み合わせ を変え、その妥当性を高度な ドメイン知識 に基づき多角的かつ 慎重に判断する必要がある。 私自身もマイクロアレイとRNA-seqのドメイン知識しか持ってい ないので、他の種類のデータには全く手が出せない。 今回の目的はお互いに知っている手法を教え合うことだが、正直に言 うと DNB解析の習得は勧められない。やるとしても、再実験が容易 で結果の再現性を確認しやすいものが良いと思う。 35 / 60
36. よくある間違い 1サンプルのみで高発現し、残りのサンプルでは全然揺らいでい なかった → 外れ値 に引きずられただけ サンプルを番号順にした場合、あるサンプルまでは一様に低く、 それ以降が一様に高かった → バッチ効果 を拾っただけ snoRNA (Snorから始まる) など短い転写産物ばかり → S/N比 の悪い遺伝子が取れただけ Olfrなど平均発現量の低い遺伝子ばかり → 同上 ミトコンドリア遺伝子 (mtから始まる) やリボソーム蛋白質 (Rp から始まる) ばかり → 単に 高発現 遺伝子を拾っただけ ほぼ全ての条件で同じ遺伝子が出てきた → 単に コントロール群 で偶然値が揃っていた 遺伝子を拾っただけ 36 / 60
37. Outline はじめに 一般的な手法 同期性揺らぎ遺伝子解析 (DNB解析) エネルギー地形解析 RNA-seqデータ前処理 まとめ 37 / 60
38. エネルギー地形解析 項目 説明 名前 エネルギー地形解析、Energy Landscape Analysis (ELA) 区分 その他 処理内容 データを二値化し、イジングモデルに当てはめ、エネル ギーの谷や、谷と谷の間のエネルギー障壁を計算する 関連用語 イジングモデル、ベースングラフ、非連結性グラフ 利点 独自性が高い、解析ツールの使用自体は簡単 欠点 約7個の変数を選ぶ必要がある、結果の解釈が難しい 注意点 後述 38 / 60
39. エネルギー地形解析、補足 江崎先生がMatlabで作ったツールのPython移植版: https://github.com/okumakito/elapy エネルギーは仮想的なもので、確率と関連した値 単独のエネルギーの値に意味はなく、相対的な差が大事 頂点番号は、0と1から成る2進数を10進数に直したもの 例、1100111 = 64 + 32 + 4 + 2 + 1 = 103 ベースングラフでは、頂点が多いほど谷が広く、最小エネルギー が小さいほど谷が深いことを意味する。 非連結性グラフは、状態間 (正確にはエネルギー極小パターン間) を遷移する際のエネルギー障壁の高さを図示したもの。 p ∝ exp(−E) 2 39 / 60
40. エネルギー地形解析、補足続き 混乱を避けるため、ベースングラフの連結成分を 状態、個々の 頂点を パターン と呼び分ける。 ベースングラフの矢印は、1変数のみが異なる近傍パターンの中 でエネルギーが最小のものに向かって引いたもの、つまり、最急 降下方向を表す。実際は逆方向に遷移することもある。 非連結性グラフを元にした等高線図の作成も出来る。 40 / 60
41. Outline はじめに 一般的な手法 同期性揺らぎ遺伝子解析 (DNB解析) エネルギー地形解析 RNA-seqデータ前処理 まとめ 41 / 60
42. お断り ここから先はPythonのコードを載せる。 RNA-seqに興味の無い方にも、データフレームの使い方の参考に なるとありがたい。 データフレームとは、各行と各列の名前付きの2次元データ 42 / 60
43. 主な前処理 FASTQ → BAM → カウントデータ (私は出来ないので外注) ファイルの結合 不要な行や列の除外 ID変換 列名の変更 正規化 対数化 外れ値の除外 低発現遺伝子の除外 その他、対象データ特有の問題に対する処理 43 / 60
44. ファイルの結合 データファイルはなるべく1つにまとめる。 作業効率を上げるため、かつ、ミスを減らすため 私の場合、結合したい元ファイルを同じディレクトリに入れ、 以下のような流れで結合している。後述の処理を適宜足す。 dir_name = '../data/orig/' # 元データを置いたディレクトリ名 file_list = os.listdir(dir_name) # ファイル名一覧を取得 file_list.sort() # 並び替え out_list = [] # 出力格納用リスト for file_name in file_list: file_path = os.path.join(dir_name, file_name) # フルパス df = pd.read_csv(file_path) # csvファイル読み込み ### ここに色々な処理を追加 ### out_list.append(df) # 出力格納用リストに追加 df = pd.concat(out_list, axis=1) # 全体を結合 df.to_csv('tmp.csv') # ファイルに保存、重要ファイル上書き防止のためtmp 44 / 60
45. ファイル読み込みの補足 データがコンマ区切りでなくタブ区切りの場合 df = pd.read_table(file_path) # read_csvの sep='\t' と同じ 1列目をindexとして扱う場合 (1行目は既定でheader扱い) df = pd.read_csv(file_path, index_col=0) 一部の列のみを読み込む場合 df = pd.read_csv(file_path, usecols=['ABC','DEF']) # 2列のみ ある文字から始まるコメント行を除く場合 df = pd.read_csv(file_path, comment='#') # '#" から始まる行を除外 他にもread_csv, read_tableのオプションは沢山ある。 45 / 60
46. 不要な行や列の除外 ここは千差万別。比較的よく使うもの ある列 (仮にxyzとする) を除外 df = df.drop('xyz', axis=1) ある列が空欄でない行だけ抽出 df = df[~df.xyz.isnull()] ある列の値がある値 (仮にabcとする) の行だけ抽出 df = df[df.xyz=='abc'] ある列の値があるリスト (仮にx_list) に含まれる行だけ抽出 df = df[df.xyz.isin(x_list)] 46 / 60
47. 不要な行や列の除外、続き ある列の値がある文字列から始まる行のみ抽出、他 df = df[df.xyz.str.startswith('ABC')] # ABCで始まる df = df[df.xyz.str.endswith('ABC')] # ABCで終わる df = df[df.xyz.str.contains('ABC')] # ABCを含む (以下、条件部で利用) 文字列のある番号の文字のみ抽出 df.xyz.str[0] # 例、ABC, DEF > A, D 文字列をsplitした場合のある番号のブロックのみ抽出 df.xyz.str.split('-').str[1] # 例、ABC-123, DEF-456 > 123, 456 型変換 df.xyz.astype(int) # 整数に変換 df.xyz.astype(str) # 文字列に変換 47 / 60
48. ID変換 Ensembl ア ン サ ン ブ ル IDなどの分かりにくいIDを遺伝子記号に変換 例、ENSMUSG00000024401 → Tnf 複数の元IDが同じ遺伝子記号に対応する場合は最大値を採用 対応する遺伝子記号の無い転写産物のデータは削除 やり方は色々ある。例えば、遺伝子記号の列をindexにして groupbyするなど df = df.set_index('gene_sym').groupby(axis=0,level=0).max() 48 / 60
49. 列名の変更 必要に応じて自分が分かりやすいように各列の名前を変更する。 手動で元ファイルを変更するのでなく、スクリプトを使う。 ミスを防ぐため、後で結果を再現できるようにするため データが数列程度なら直接書いても可 df.columns = ['ABC','DEF','GHI'] # 3列の列名を更新 長い場合は、for文などで修正名リストを作ってから更新 データの最初だけ見て番号順になっていると過信しない。 正規表現を使わずとも、大抵のことはreplaceとsplitで可能 49 / 60
50. 正規化 マイクロアレイでは分位数正規化 (quantile normalization) など も使われていたが、RNA-seqデータではほぼTPM TPMでは、まず行毎に正規化し、次に列毎に正規化する。 df= df.divide(len_sr, axis=0) # 各行を遺伝子の長さで割る df = df / df.sum() # 列毎に総和で割る df *= 10**6 # 1Mを掛ける ちなみに、RPKMでは行と列と正規化の順が逆 TPMで箱ひげ図がうまく揃わない場合、私は刈り込みTPMを使っ ている。2行目を以下のように変更 from scipy import stats trim_sum = stats.trim_mean(df, 0.05) * len(df) # 刈り込み総和 df = df / trim_sum # 列毎に刈り込み総和で割る 50 / 60
51. 対数化 0は対数を取れない。 1などを予め足す場合もある。 私は、0は0のままとし、0以外の最小値を0にシフトしている。 df[df==0] = None # 0を一旦Noneに置換 df = df.apply(np.log2) # 対数化 df -= df.min().min() # 0以外の最小値を引く df = df.fillna(0) # Noneを0に戻す 0以外の場合を式で書くと . ただし、どうしても0と0以外の小さい値の差が不自然に大きく なる問題が生じる。当然、PCAやDEGに悪影響が出る。 結局、対数を取るなら後述する低発現遺伝子の除外が必要 log(x/xmin) 51 / 60
52. 外れ値の除外 PCAとヒートマップを目視で確認し、外れ値のサンプルを除外 PCAでは同じ条件の他の点から遠く離れた位置に来る。 ヒートマップでは縦線が出る。 52 / 60
53. PCAの使い方 色分け表示するにはseabornのscatterplotが便利 座標データをデータフレーム化し、各サンプルのグループ名を 3列目にして、hueでその列名を指定する。 from sklearn.decomposition import PCA model = PCA(n_components=2) # PCAオブジェクトを用意 score = model.fit_transform(df.T) # スコア行列の計算 pos_df = pd.DataFrame(score, columns=list('xy')) # データフレーム化 pos_df['group'] = group_list # 各サンプルのグループ名を追加 perc1, perc2 = 100 * model.explained_variance_ratio_ # 寄与率 fig, ax = plt.subplots() # 図を用意 sns.scatterplot(data=pos_df, x='x', y='y', hue='group', ax=ax) # 散布図の描画、色はグループ別 ax.set_xlabel(f'PC1 ({perc1:.1f} %)') # x軸のラベル、寄与率込み ax.set_ylabel(f'PC2 ({perc2:.1f} %)') # y軸のラベル、寄与率込み ax.legend(bbox_to_anchor=(1,1)) # 凡例の位置を枠外に移動 fig.show() # 図の表示 53 / 60
54. ヒートマップの使い方 RNA-seqデータをヒートマップにする時は遺伝子毎のZスコア化 (標準化) が必須 clustermapの場合 (簡単だが微調整できない) sns.clustermap(df, z_score = 0, # 各行 (遺伝子) をZスコア化 cmap = 'RdBu_r', # 高発現が赤、低発現が青 vmax = 3, # カラースケールの最大値 vmin = -3, # カラースケールの最小値 row_cluster = True, # 各行をクラスタリングする col_cluster = False, # 各列をクラスタリングしない metric = 'correlation', # 相関係数を類似度とする method = 'average' # 平均連結法を使用 ) 微調整したい場合はsns.heatmapを使う。 54 / 60
55. ヒートマップの使い方2 sns.heatmapを使う場合 from scipy.cluster.hierarchy import linkage, leaves_list # 行毎にZスコア化 df = ((df.T - df.T.mean()) / df.T.std()).T # 行方向をクラスタリング、相関類似度と平均連結法を使用 Z = linkage(df, metric='correlation', method='average') # 行方向を並べ替え df = df.iloc[leaves_list(Z)] # 図の描画 fig, ax = plt.subplots() # 図を用意 sns.heatmap(df, cmap='RdBu_r', ax=ax, vmax=3, vmin=-3) # ヒートマップの描画 fig.show() # 図の表示 55 / 60
56. 低発現遺伝子の除外 低発現遺伝子の除外は必要 発現量が小さいほどS/N比が悪い。 0と非ゼロの差が対数化で増幅される。 平均値や中央値が閾値以上の遺伝子のみ抽出 df = df[df.mean(axis=1)>=5] # 平均が5以上の遺伝子を抽出 多臓器データの場合、臓器毎に計算する。 消化酵素など一部の臓器のみで発現する遺伝子がいるため 56 / 60
57. 前処理が妥当かどうかの確認 私は以下の4つで前処理が妥当かどうかを確認している。 箱ひげ図 PCA DEGのヒートマップ DEGのエンリッチメント解析 大事なのは 違和感に気付く こと。 57 / 60
58. Outline はじめに 一般的な手法 同期性揺らぎ遺伝子解析 (DNB解析) エネルギー地形解析 RNA-seqデータ前処理 まとめ 58 / 60
59. まとめ、その1 私の知っている複数のデータ解析手法について紹介した。 一般的な手法として、PCA、階層的クラスタリング、倍率変化に 基づくDEG取得、エンリッチメント解析などを説明した。このあ たりは実験系の方が自分で扱えるようになることが望ましい。 DNB解析が難しい理由として、手法が確立しておらず、選択肢の 組み合わせが膨大で、データ毎に結果が妥当かどうかを判断する 際に高度なドメイン知識が必要なためと説明した。 59 / 60
60. まとめ、その2 エネルギー地形解析を使うこと自体は簡単だが、解釈が難しいこ とを説明した。逆に言うと、慣れれば武器になる。 RNA-seqデータの前処理をPythonコードと共に説明した。色々 と書いたものの、結局のところ「これをやっておけば大丈夫」と いう保証は無いので、きちんと結果を確認して違和感を見落とさ ないことが何より大事。 60 / 60