GEO生信数据挖掘（六）实践案例——四分类结核病基因数据预处理分析

前面五节，我们使用阿尔兹海默症数据做了一个数据预处理案例，包括如下内容：

GEO生信数据挖掘（一）数据集下载和初步观察

GEO生信数据挖掘（二）下载基因芯片平台文件及注释

GEO生信数据挖掘（三）芯片探针ID与基因名映射处理

GEO生信数据挖掘（四）数据清洗（离群值处理、低表达基因、归一化、log2处理）

GEO生信数据挖掘（五）提取临床信息构建分组，分组数据可视化（绘制层次聚类图，绘制PCA图）

本节目录

结核病基因表达数据（GSE107994）观察

临床形状数据预处理

基因表达数据预处理

绘图观察数据

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结核病基因表达数据（GSE107994）观察

由于，在数据分析过程，你拿的数据样式可能会有不同，本节我们以结核病基因表达数据（GSE107994）为例，做一个实践案例。该数据集的临床形状数据和基因表达数据是单独分开的，读取，和处理都需自己改动代码。

先来看看基因表达数据，这个探针注释工作已经完成了，不需要处理。

再看看临床形状数据，需要手工删除前面的注释，把后半部分规整的数据保留下来。

临床形状数据预处理

# 手工删除前面的注释，读文件，转置
pdata <- t(read.delim("GSE107994_series_matrix_clean.txt", header = TRUE, sep = "\t"))

# 手工删除前面的注释，读文件，转置
pdata <- t(read.delim("GSE107994_series_matrix_clean.txt", header = TRUE, sep = "\t"))
pdata  <-pdata[-1,]
pdata_info = pdata[,c(1,7)]
colnames(pdata_info) = c('geo_accession','type')

#观察样本类型的取值都有哪些（结核，潜隐进展，对照和潜隐）
unique(pdata_info[,2])  
#"Leicester_Active_TB"  "Longitudnal_Leicester_LTBI_Progressor" "Leicester_Control"    #"Leicester_LTBI" 

group_data = as.data.frame(pdata_info)

处理前

处理后

增加不同的类型标签，根据需要，选取实验组和对照组

# 使用grepl函数判断字符串是否包含'Control'，并进行相应的修改
group_data$group_easy <- ifelse(grepl("Control", group_data$type ), "Control", "TB")

# 使用grepl函数判断字符串是否包含特定内容，然后进行相应的修改
group_data$group_easy <- ifelse(grepl("Control", group_data$type), "Control",
                                       ifelse(grepl("LTBI", group_data$type), "LTBI","TB"))
# 使用grepl函数判断字符串是否包含特定内容，然后进行相应的修改
group_data$group_more <- ifelse(grepl("Control", group_data$type), "Control",
                                ifelse(grepl("LTBI_Progressor", group_data$type), "LTBI_Progressor",
                                       ifelse(grepl("LTBI", group_data$type), "LTBI","TB")))

#尝试把进展组排除出去

save(group_data,file = "group_data.Rdata")

例如 我们可以进行 TB（结核） 和LTBI(潜隐结核)实验对照分析。

基因表达数据预处理

读取数据集

install.packages("openxlsx")
library(openxlsx)

# 读基因表达矩阵，第一列为基因名ID
gse_info<- as.data.frame(read.xlsx("GSE107994_Raw.xlsx", sheet = 1))
colnames(gse_info)

后续运行代码过程中，发现基因名称中有全数字的情况，这里做删除操作。

library(dplyr)
dim(gse_info)
#基因里面有数字
gse_info <- gse_info[!grepl("^\\d+$", gse_info$ID), ]  #有效

#基因名全为空
gse_info = gse_info[gse_info$ID != "",]  #无剔除
dim(gse_info) #[1] 58023   176

#负值处理
gse_info[gse_info <= 0] <- 0.0001

#重复值检查
table(duplicated(gse_info$ID))

分组数据条件筛选，TB（结核） 和LTBI(潜隐结核)

#+=====================================================
#================================================
#+========type分组数据条件筛选step3===========
#+====================================

#预处理之前，先筛选出TB组和LTBI组 的数据
unique(group_data[,"group_more"])  #"TB"  "LTBI_Progressor" "Control"    "LTBI" 

#"TB"  "LTBI" 对照，则剔除 "LTBI_Progressor" "Control" 
geo_accession_TB_LTBI <- group_data[group_data$group_more == "LTBI_Progressor" | group_data$group_more == "Control","geo_accession"]
gse_TB_FTBI = gse_info[,!(names(gse_info) %in% geo_accession_TB_LTBI)]



gse_TB_FTBI

低表达过滤(平均值小于1)

#+=====================================================
#================================================
#+========删除 低表达(平均值小于1)基因 step4===========
#+====================================
#+==============================

#新增一列计算平均
gene_avg_expression <- rowMeans(gse_TB_FTBI[, -1])  # 计算每个基因的平均表达量，排除第一列（基因名）
#仅去除在所有样本里表达量都为零的基因（平均值小于1）
gse_TB_FTBI_filtered_genes_1 <- gse_TB_FTBI[gene_avg_expression >= 1, ]

低表达过滤方案二（保留样本表达的排名前50%的基因）

#+=================================================================
#============================================================
#+========删除 低表达(排名前50%)基因 step5===========
#+==========================================
#+================================


#仅保留在一半以上样本里表达的基因

# 计算基因表达矩阵每个基因的平均值
gene_means <- rowMeans(gse_TB_FTBI_filtered_genes_1[,-1])

# 计算基因平均值的排序百分位数
gene_percentiles <- rank(gene_means) / length(gene_means)

# 获取阈值
threshold <- 0.25  # 删除后25%的阈值
#threshold <- 0.5  # 删除后50%的阈值
# 根据阈值筛选低表达基因
gse_TB_FTBI_filtered_genes_2 <- gse_TB_FTBI_filtered_genes_1[gene_percentiles > threshold, ]

# 打印筛选后的基因表达矩阵
dim(gse_TB_FTBI_filtered_genes_2) #[1] 17049   176

删除重复基因，取平均

#+=================================================================
#============================================================
#+========重复基因，取平均值 step6===========
#+==========================================
#+================================


dim(filtered_genes_2) 
table(duplicated(filtered_genes_2$ID))


#把重复的Symbol取平均值
averaged_data <- aggregate(.~ID , filtered_genes_2, mean, na.action = na.pass)  ##把重复的Symbol取平均值

#把行名命名为SYMBOL
row.names(averaged_data) <- averaged_data$ID  
dim(averaged_data)

#去掉缺失值
matrix_na = na.omit(averaged_data)  

#删除Symbol列（一般是第一列）
matrix_final <- subset(matrix_na, select = -1) 
dim(matrix_final) #[1] 22687   175

离群值处理

#+=================================================================
#============================================================
#+========离群值处理 step7==========================
#+==========================================
#+================================


#数据离群处理
#处理极端值
#定义向量极端值处理函数
#用于处理异常值，将超出一定范围的值替换为中位数，以减少异常值对后续分析的影响。
dljdz=function(x) {
  DOWNB=quantile(x,0.25)-1.5*(quantile(x,0.75)-quantile(x,0.25))
  UPB=quantile(x,0.75)+1.5*(quantile(x,0.75)-quantile(x,0.25))
  x[which(xUPB)]=quantile(x,0.5)
  return(x)
}

#第一列设置为行名
matrix_leave=matrix_final_TB_LTBI

boxplot(matrix_leave,outline=FALSE, notch=T, las=2)  ##出箱线图
dim(matrix_leave)

#处理离群值
matrix_leave_res=apply(matrix_leave,2,dljdz)

boxplot(matrix_leave_res,outline=FALSE, notch=T, las=2)  ##出箱线图
dim(matrix_leave_res)

log2 处理

#+=================================================================
#============================================================
#+========log2 处理 step8==========================
#+==========================================
#+================================


# limma的函数归一化，矫正差异  ，表达矩阵自动log2化

#1.归一化不是绝对必要的，但是推荐进行归一化。
#有重复的样本中，应该不具备生物学意义的外部因素会影响单个样品的表达，
#例如中第一批制备的样品会总体上表达高于第二批制备的样品，假设所有样品表达值的范围和分布都应当相似，
#需要进行归一化来确保整个实验中每个样本的表达分布都相似。
#2.归一化要在log2标准化之前做


library(limma) 

exprSet=normalizeBetweenArrays(matrix_leave_res)

boxplot(exprSet,outline=FALSE, notch=T, las=2)  ##出箱线图

## 这步把矩阵转换为数据框很重要
class(exprSet)   ##注释：此时数据的格式是矩阵（Matrix）
exprSet <- as.data.frame(exprSet)


#标准化 表达矩阵自动log2化
qx <- as.numeric(quantile(exprSet, c(0., 0.25, 0.5, 0.75, 0.99, 1.0), na.rm=T))
LogC <- (qx[5] > 100) ||
  (qx[6]-qx[1] > 50 && qx[2] > 0) ||
  (qx[2] > 0 && qx[2] < 1 && qx[4] > 1 && qx[4] < 2)

#负值全部置为空
#exprSet[exprSet <= 0] <- 0.0001
#去掉缺失值
#exprSet = na.omit(exprSet)  #15654
#save (exprSet,file = "waitlog_data_TB_LTBI.Rdata")

## 开始判断
if (LogC) { 
  exprSet [which(exprSet  <= 0)] <- NaN
  ## 取log2
  exprSet_clean <- log2(exprSet+1)  #@@@@是否加一 加一的话不产生负值@#@￥@#@#@%@%￥@@@@@@
  print("log2 transform finished")
}else{
  print("log2 transform not needed")
}


boxplot(exprSet_clean,outline=FALSE, notch=T, las=2)  ##出箱线图

dataset_TB_LTBI =exprSet_clean

绘图观察数据

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#============================================================
#+========对照组不同颜色画箱线图 step9==========================
#+==========================================
#+================================

# 使用grepl函数判断字符串是否包含'LTBI'，并进行颜色标记，为了画图
group_data_TB_LTBI$group_color <- ifelse(grepl("LTBI", group_data_TB_LTBI$group_more), "yellow", "blue")

#画箱线图查看数据分布
group_list_color = group_data_TB_LTBI$group_color 
boxplot( data.frame(dataset_TB_LTBI),outline=FALSE,notch=T,col=group_list_color,las=2)

dev.off()


#+=================================================================
#============================================================
#+========绘制层次聚类图 step10==========================
#+==========================================
#+================================
#+

#检查表达矩阵的样本名称，和分租信息的样本名称顺序,是否一致对应
colnames(dataset_TB_LTBI)
group_data_TB_LTBI$geo_accession



exprSet =dataset_TB_LTBI
#修改GSM的名字，改为分组信息
#colnames(exprSet)=paste(group_list,1:ncol(exprSet),sep = '')


#定义nodePar
nodePar=list(lab.cex=0.6,pch=c(NA,19),cex=0.7,col='blue')
#聚类
hc=hclust(dist(t(exprSet))) #t()的意思是转置

#绘图
plot(as.dendrogram(hc),nodePar = nodePar,horiz = TRUE)

dev.off()





#+=================================================================
#============================================================
#+========绘制PCA散点样本可视化图 step11===================
#+==========================================
#+================================



##PCA图
#install.packages('ggfortify')
library(ggfortify)
df=as.data.frame(t(exprSet))  #转置后就变成了矩阵
dim(df)  #查看数据维度
dim(exprSet)

df$group=group_data_TB_LTBI$group_more  #加入样本分组信息
autoplot(prcomp(df[,1:ncol(df)-1]),data=df,colour='group')  #PCA散点图

dev.off()

至此，我们对两个数据集进行了预处理工作，下面我们可以对处理完毕的数据进行差异分析了。