药物基因组学_个体化实验分析_实验报告

一、实验目的

1、（学会）收集特定癌种特定药物的包含药物响应与否相关的基因表达谱数据（TCGA/GEO）

2、（掌握）根据响应信息将样本划分为耐药或者敏感两类

3、（掌握）构建分类器

4、（学会）利用构建的分类器实现个体化耐药预测

二、实验流程

（1）搜集数据【数据使用的是平时研究的癌型】

从GEO网站上搜索 Colorecal Cancer FOLFOX【结直肠癌药物治疗联合方案】

在series_matrix文件中查找是否有药物相应的数据，如下图。

根据自己感兴趣的方向所选择的数据集GSE19860。同时还下载了GSE3964（5-FU），GSE72970（FOLFOX），但是由于在做T检验筛选差异基因的时候，后面两套数据根据药物是否敏感信息进行分类得到的t检验结果并不显著，因此，最后选择了GSE19860进行以下的个体化耐药分析实验。

（2）根据响应信息将样本划分为耐药或者敏感两类

在这套数据中，将FL_Responder定义为敏感标签为0，FL_Non_Responder定义为耐药标签为1。

（3）构建分类器【以下使用的分类器是weka软件中所构建的】

①筛选差异基因

代码：

setwd("E:\\...\\experiment")

rm(list=ls())

\######筛选差异基因

exp<-read.table("GSE19860_series_matrix.txt",header=T,sep="\t",stringsAsFactors = F)

\####补充缺失值

library(DMwR)

exp_new<-knnImputation(exp[,-1], k = 15, scale = T, meth = "weighAvg", distData = NULL)

\#exp<-exp[-which(is.na(exp[,1])),]  ####观察到有缺失值，因此采用k均值补缺失值

\#length(which(is.na(exp[,1])))

labell<-read.csv("label.txt",sep="\t",header=F,stringsAsFactors = F)

geneid<-exp[,1] #####响应response敏感为0，no response不响应耐药为1

exp_normal=exp_new[,which(labell[1,]==0)]

exp_cancer=exp_new[,which(labell[1,]==1)]

label<-c(rep(0,dim(exp_normal)[2]),rep(1,dim(exp_cancer)[2]))

\##rep()表示重复，重复1这个标签exp_normal的列数（[2]表示列，[1]表示行）

exprs<-cbind(exp_normal,exp_cancer)

exp_case=exprs[,which(label==1)];

exp_control=exprs[,which(label==0)];

t_result=matrix(,length(geneid),4)

for(i in 1:nrow(exp)){

 T_test=t.test(exp_case[i,],exp_control[i,],alternative="two.sided",paired=FALSE)

 t_result[i,1:3]=c(geneid[i],T_test$statistic,T_test$p.value);

} 

t_result[,4]=p.adjust(t_result[,3],method="BH");

t_final<-t_result[t_result[,3]<0.05,1:4]  ###观察到fdr<0.05的情况下，无结果，因此采用p<0.05进行筛选差异

②构建放入weka软件的训练集和验证集文件

#####构建放入weka的文件

\####对于筛选出的差异的探针，将这些探针对应的在样本中的表达谱提取出来

loc<-match(t_final[,1],exp[,1])

new<-exp[loc,]

new<-t(new) ####将数据设置为行为样本，列为基因

colnames(new)<-new[1,]

new<-new[-1,]

label_new<-as.data.frame(t(labell))

all_differ<-cbind(new,label_new)

\####训练集和测试集数据

traindata<-all_differ[c(1:20),]

testdata<-all_differ[c(21:40),]

\###选取20个样本作为训练集，20个样本作为测试集。

write.csv(traindata,"traindata.csv")

write.csv(testdata,"testdata.csv")

#####接下来是在excel表格中进行的操作

训练集和测试集的数据最后一列都是label的标签，其中测试机的label要都换成英文的?,如下图。

####放入weka将.csv的文件保存为.arff文件

步骤：Explorer -> open file [打开所要的训练集和测试集文件] ->save[保存为.arrf文件格式]

####对.arrf文件在notepad+进行操作

将label后面的numeric都换成英文的{0,1}，这一步很重要，不然后续会报错。

③接下来就可以放入weka进行分析

以下分析采取20个样本作为训练集，20个样本作为测试集，效果是与其他不同样本比例划分所得到的结果相比较后是较好的了，因此采用1:1构建训练集和测试集。

注：因为采取训练集个数大于测试集个数，会导致分类器的分类结果过度拟合，而导致分类准确率下降，并且准确率都在50%。

\1. 随机森林

在cmd（命令提示符）输入如下代码：

java -Xmx1024m -classpath .;D:\Weka-3-6\weka.jar weka.classifiers.trees.RandomForest -t C:\Users\11833\Desktop\class_data\traindata.csv.arff -d colonRandomForest.model > colonRandomForest.out

以下操作也如上图进行输入，建议将weka装在D盘，路径都为英文，防止出错。

\2. svm支持向量机

在cmd（命令提示符）输入如下代码：

svm模型的构建

java -Xmx1024m -classpath .;D:\Weka-3-6\weka.jar;D:\Weka-3-6\libsvm\java\libsvm.jar weka.classifiers.functions.LibSVM  -t C:\Users\11833\Desktop\class_data\traindata.csv.arff  -d colonLibSVM.model > colonLibSVM.out

（4）利用构建的分类器实现个体化耐药预测

根据前面的操作，我们会得到相应的分类器模型，接下来就是对测试结果进行验证。

\1. 随机森林

代码：

java -Xmx1024m -classpath .;D:\Weka-3-6\weka.jar weka.classifiers.trees.RandomForest -l colonRandomForest.model -T C:\Users\11833\Desktop\class_data\testdata.csv.arff -p 0 > PredictionResultRandomForest.txt

%%%%这个语句是用构建的模型来预测验证集-l是载入保存的模型，-T是验证集 -p 0这个参数是给出每个样本分类的标签，和分为该类的可能性

%%%%验证集的arff文件和训练集不一样，他的类标签相当于是未知的，在类标签那列就用？表示，但是属性那里要注意，你这里要和训练集一样

结果：

该数据是选择了训练集30个样本，测试集10个样本，根据比较，该分类器准确率只有50%。

\2. svm支持向量机

代码：

svm验证集的验证结果

java -Xmx1024m -classpath .;D:\Weka-3-6\weka.jar;D:\Weka-3-6\libsvm\java\libsvm.jar weka.classifiers.functions.LibSVM -l colonLibSVM.model -T C:\Users\11833\Desktop\class_data\testdata.csv.arff -p 0 > PredictionResultSVM.txt

其中分类正确的共有13个，分类错误的有7个，该分类器的正确率为65%。

三、讨论

下载的三套数据都没有得出较为差异的结果，可能是因为数据的分类未能很好将差异的基因筛选出来，且我同时注意到大概只剩下1000多个探针没有对应多个基因ID，而其他探针大多都比对到了多个探针，因此仍然对数据结果有所保留，也可能因此导致了分类器不够robust，所以分类效果不够准确。

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