在做monocle的时候，我们最纠结的地方莫过于确定细胞的起点了。如果是比较明确的分析知道起点，或者有参考文献，结合自己的生物学背景能够推断还好，可是如果自己一篇空白，该怎么确定起点呢？这里介绍一款工具R包---CytoTRACE，能够辅助拟时单细胞推断起点。其实这个包之前就有小伙伴推荐让写一下，因为很简单，一直没有写，最近刚好用到，所以出一期！
CytoTRACE包官网：https://cytotrace.stanford.edu/
包下载地址：https://cytotrace.stanford.edu/CytoTRACE_0.3.3.tar.gz
具体的原理感兴趣的可看看作者的原文。首先需要说的是这个包的安装。这个包有两个功能，一个是单个数据集的分析，另一个功能是多个数据集的分析。第二个功能需要依赖于python包，所以如果实在windows系统下，python包安装不成功的话第二个功能则无法使用，但是一般情况下也涉及不到多个数据集，所以我们这里的例子就不瞎折腾了，只需要第一个功能可以使用即可。这个包的安装需本地安装，在之前的链接中下载安装包：https://cytotrace.stanford.edu/CytoTRACE_0.3.3.tar.gz
setwd('D:/KS项目/公众号文章/CytoTRACE包推断拟时起点辅助')
#CytoTRACE包
#官网：https://cytotrace.stanford.edu/
#包下载地址：https://cytotrace.stanford.edu/CytoTRACE_0.3.3.tar.gz
#安装包
#包的安装需下载安装包、本地安装即可
#安装error
# ERROR: dependencies 'HiClimR', 'ccaPP', 'nnls' are not available for package 'CytoTRACE'
# * removing 'C:/Users/tq199/AppData/Local/R/win-library/4.2/CytoTRACE'
# Warning in install.packages :
#install.packages() 安装这个几个包
library(CytoTRACE)
# No non-system installation of Python could be found.
# Would you like to download and install Miniconda?
# Miniconda is an open source environment management system for Python.
# See https://docs.conda.io/en/latest/miniconda.html for more details.
#因为CytoTRACE依赖两个python包scanoramaCT和numpy，所以R安装，library的时候，会有上面的提醒。
#安装conda什么的。windsows下设置python环境什么的太复杂，为了一个包折腾不值得，所以选择no。
#那么结果是这个包 多数据集分析的功能不能使用，不过没关系，一般我们也都是但数据集。
#当然，你也可以尝试安装python包，但是不一定成功
install.packages("reticulate")
library(reticulate)
conda_create("cytoTRACE",python_version = '3.7')
use_condaenv("cytoTRACE")
conda_install("cytoTRACE", "numpy")
conda_install("cytoTRACE", "scanoramaCT")
我们测试一下，用之前作用monocle的mouse data进行分析：CytoTRACE分析很简单，输入用单细胞count矩阵，可视化结合metadata。
mouse_data <- readRDS("D:/KS项目/公众号文章/monocle3拟时分析/mouse_data.rds")
exp1 <- as.matrix(mouse_data@assays$RNA@counts)
exp1 <- exp1[apply(exp1 > 0,1,sum) >= 5,]
results <- CytoTRACE(exp1,ncores = 1)
phenot <- mouse_data$celltype
phenot <- as.character(phenot)
names(phenot) <- rownames(mouse_data@meta.data)
emb <- mouse_data@reductions[["umap"]]@cell.embeddings
plotCytoTRACE(results, phenotype = phenot, emb = emb, outputDir = './')
plotCytoGenes(results, numOfGenes = 30, outputDir = './')
image.png
从结果上可以看到，PMN0和7的CytoTRACE评分最高，代表分化程度低，推断为这个细胞数据集中细胞的起点。CytoTRACE分析也返回了CytoTRACE评分文件，我们可以读取这个文件，然后自己做图（这里我标注的反了，不想改了）。
cyto <- read.table("CytoTRACE_plot_table.txt");head(cyto)
cutoff <- quantile(cyto$CytoTRACE, 0.75)
cyto$diff <- "low"
cyto[cyto$CytoTRACE > cutoff, ]$diff <- "high"
ggplot(cyto, aes(Component1, Component2, color = diff)) +
geom_point(size = 1.5, alpha = 1.0)
image.png
当然了，很多时候，我们已经做完了monocle分析，例如已经完成了ordercell这一步骤，那么我们可以直接将CytoTRACE分析及可视化应用在monocle对象上，看起来更加直观。首先我们看看monocle默认的结果。可以看到，拟时轨迹与CytoTRACE是相反的，这和之前有人说的，一般情况下，monocle2的拟时轨迹是反的，这里不谋而合了。
mouse_monocle <- readRDS("D:/KS项目/公众号文章/monocle2拟时结果个性化作图/mouse_monocle.rds")
p1=plot_cell_trajectory(mouse_monocle,color_by='Pseudotime')
p2=plot_cell_trajectory(mouse_monocle,color_by='celltype')
p1+p2
image.png
后面的分析和之前在seurat对象上的一样。
monocle_meta <- data.frame(t(mouse_monocle@reducedDimS),
mouse_monocle$Pseudotime,
mouse_monocle$State,
mouse_monocle$celltype)
colnames(monocle_meta) <- c("C1", "C2", "Pseudotime", "State", "celltype")
phenot1 <- monocle_meta$celltype
phenot1 <- as.character(phenot1)
names(phenot1) <- rownames(monocle_meta)
emb_monocle <- monocle_meta[,1:2]
plotCytoTRACE(results, phenotype = phenot, emb = emb_monocle, outputDir = './monocle/')
image.png
既然这个CytoTRACE包有很多高分文章使用，那么我们检测一下可信度。我们使用之前一篇Nature文章中的数据。这篇文章进行了monocle轨迹分析，但是没有使用CytoTRACE包，作者按照自己的生物学背景和实际数据推断的起点，所以我们用他的数据tset一下他的结果。一方面test Nature的结果，一方面test CytoTRACE包的结果。
#提取亚群
load("D:/KS项目/公众号文章/CytoTRACE包推断拟时起点辅助/sce.RData")
sce_sub <- sce1[,sce1$cluster %in% c("YSMP","GMP","Myeloblast","Monocyte")]
#直接用CytoTRACE分析看一下这几个细胞它推断的起点
sce_subExp <- as.matrix(sce_sub@assays$RNA@counts)
results <- CytoTRACE(sce_subExp,ncores = 1)
sce_subphenot <- sce_sub$cluster
sce_subphenot <- as.character(sce_subphenot)
names(sce_subphenot) <- rownames(sce_sub@meta.data)
sce_subemb <- sce_sub@reductions[["umap"]]@cell.embeddings
plotCytoTRACE(results, phenotype = sce_subphenot, emb = sce_subemb, outputDir = './test/')
image.png
看看原文的结果图：可以发现，结果是一致的！
image.png
（reference：Deciphering human macrophage development at single-cell resolution）
等等等等。。。。还没有结束（彩蛋）：我们之前发布完monocle2终结版之后呢，我测试过分析不会有问题了，可是很多小伙伴依然有问题，这里我们干脆测试一下，不论是ordercell还是BEAM都没有问题。前面的分析我们就直接利用函数一键跑完分析！
run_monocle2 <- function(
inputobj,
assay,
slot
){
requireNamespace("Seurat")
data <- GetAssayData(inputobj, assay = assay, slot = slot)
data <- data[rowSums(as.matrix(data)) != 0,]
pd <- new("AnnotatedDataFrame", data = inputobj@meta.data)
fData <- data.frame(gene_short_name = row.names(data), row.names = row.names(data))
fd <- new("AnnotatedDataFrame", data = fData)
monocds <- newCellDataSet(data,
phenoData = pd,
featureData = fd,
expressionFamily=negbinomial.size())
monocds <- estimateSizeFactors(monocds)
monocds <- estimateDispersions(monocds)
monocds <- detectGenes(monocds, min_expr = 0.1)
print(head(fData(monocds)))
expressed_genes <- row.names(subset(fData(monocds), num_cells_expressed >= 50)) # nolint
monocds <- monocds[expressed_genes, ]
disp_table <- dispersionTable(monocds)
unsup_clustering_genes <- subset(
disp_table, mean_expression >= 0.05 &
dispersion_empirical >= 2 * dispersion_fit
) #
monocds <- setOrderingFilter(monocds, unsup_clustering_genes$gene_id)
monocds <- reduceDimension(
monocds,
max_components = 2,
method = "DDRTree"
)
monocds <- orderCells(monocds)
return(monocds)
}
cds = run_monocle2(sce_sub, assay = 'RNA', slot = 'counts')
plot_cell_trajectory(cds, color_by = 'cluster')
plot_cell_trajectory(cds, color_by = 'Pseudotime')
image.png
分析是没有任何问题的，结果因为与原文参数不一致，有些出入，总体是一致的。接下来，我们做一下分支的BEAM分析。
BEAM_res <- BEAM(cds, branch_point = 1, cores = 2)
BEAM_res <- BEAM_res[order(BEAM_res$qval),]
BEAM_res <- BEAM_res[,c("gene_short_name", "pval", "qval")]
plot_genes_branched_heatmap(cds[row.names(subset(BEAM_res, qval < 1e-20)),],
branch_point = 1,
num_clusters = 4,
cores = 1,
use_gene_short_name = T,
show_rownames = T)
image.png
总之，分析是不会有任何错误的，如果你安装了monocle2终结解决版，还是出错，那么你需要考虑你是否正确安装使用，文件是否正确，或者有些R包版本的问题。最后，觉得分享对您有用的，点个赞再走呗！码字不易！
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