2023-11-28-直播单细胞图表美化-seurat数据结构 featureplot dotplot vlnplot

单细胞常见的可视化方式有DimPlot，FeaturePlot ，DotPlot ，VlnPlot 和 DoHeatmap几种 ，Seurat中均可以很简单的实现，但是文献中的图大多会精美很多。

之前 跟SCI学umap图| ggplot2 绘制umap图，坐标位置 ，颜色 ，大小还不是你说了算 介绍过DimPlot的一些调整方法。

本文介绍FeaturePlot的美化方式，包含以下几个方面 ：

（1）调整点的颜色 ，大小

（2）展示基因共表达情况（点图，密度图）

（3）优化Seurat分组展示

（4）ggplot2修改theme ，lengend等

（5）批量绘制

一 载入R包，数据

仍然使用之前注释过的sce.anno.RData数据 ，后台回复 anno 即可获取

library(Seurat)
library(tidyverse)
library(scCustomize) # 需要Seurat版本4.3.0
library(viridis)
library(RColorBrewer)
library(gridExtra)

load("sce.anno.RData")
head(sce2,2)

这里额外安装scCustomize包，该R包对上面提到的Seurat 常用绘图函数进行了一些优化，但是需要Seurat版本4.3.0 以上。

二 FeaturePlot 相关

1，调整FeaturePlot颜色，大小

（1）Seurat 修改

有以下几种方式，可以使用FeaturePlot 内置的cols参数进行修改（p2 , p3），也可以使用ggplot2的方式 添加scale 进行修改（p4）

p1 <- FeaturePlot(object = sce2, features = "CD3D") 

p2 <- FeaturePlot(sce2, "CD3D", cols = c("#F0F921FF", "#7301A8FF"))

p3 <- FeaturePlot(sce2, "CD3D", cols = brewer.pal(10, name = "RdBu"))

p4 <- FeaturePlot(object = sce2, features = "CD3D") + 
  scale_colour_gradientn(colours = rev(brewer.pal(n = 10, name = "RdBu")))

注意左下p3 ，legend是有问题的，会随col参数中brewer.pal(10, name = "RdBu")中的10的数值而变动。

修改大小的话很简单，直接调整 pt.size = 1 即可，此处不做演示。

（2）scCustomize 修改

p11 <- FeaturePlot_scCustom(seurat_object = sce2, features = "CD3D")

p22 <- FeaturePlot_scCustom(seurat_object = sce2, features = "CD3D", colors_use = brewer.pal(11, name = "RdBu"),order = T)

p11 + p22

这里cols参数是没有问题的。

2 ，多基因共“表达”

单个基因就按照上面的方法直接绘制即可，如果想同时显示2个基因呢？

（1）Seurat 中提供了 blend = TRUE 函数，来可视化两个基因的共表达情况

FeaturePlot(sce2, features = c("MS4A1", "CD79A"), blend = TRUE)

注意blend = TRUE函数只能适用于2个基因，多个基因会报错 。

如果想实现多个基因的话，将目标基因和UMAP 的坐标提取出来使用ggplot2绘制即可 或者 使用scCustomize 包中的多基因联合密度图 ，如下。

（2）scCustomize 多基因联合密度图

密度图是通过Nebulosa包实现的，因此需要先安装Nebulosa 包 。然后用Plot_Density_Joint_Only()函数即可以同时绘制多个基因的联合密度图 ，可以不限于2个基因 。

BiocManager::install("Nebulosa")
#单基因
p000 <- Plot_Density_Custom(seurat_object = sce2, features = "CD3D")
#双基因
p111 <- Plot_Density_Joint_Only(seurat_object = sce2, 
                                features = c("CD3D", "CD3E"))
#多基因
p222 <- Plot_Density_Joint_Only(seurat_object = sce2, 
                                features = c("CD3D", "CD3E","CD79A"),
                                custom_palette = BlueAndRed())
p000 + p111 + p222

可以通过custom_palette 函数调整颜色，选择较少 。

除了展示共表达外，还可展示目标celltype的几个marker来辅助细胞类型鉴定。

3 , 分组相关

很多时候会需要分样本/分组展示重点基因来进行表达的比较，

（1）Seurat有 split.by 函数 ，虽然可以设置ncol，但是没有效果，如图所示，

sce2sub <- subset(sce2 ,group == "PT")
FeaturePlot(sce2sub, "CD3D", cols = brewer.pal(11, name = "RdBu"),
            pt.size = 1,
            split.by = "sample" ,ncol = 4)

（2）scCustomize 中FeaturePlot_scCustom函数 ，算是修正了这个小bug

FeaturePlot_scCustom(seurat_object = sce2, features = "CD3D", split.by = "orig.ident",
                     num_columns = 4)

4 ，ggplot2 修改theme / legend 相关

类似前面使用ggplot2的scale修改颜色，当然也可以修改theme等一系列

FeaturePlot(object = sce2, features = "CD3D",pt.size = 1,order = T) + 
  scale_colour_gradientn(colours = rev(brewer.pal(n = 10, name = "RdBu"))) + 
  DarkTheme() + 
  theme(text=element_text(size=14))+ 
  theme(text=element_text(face = "bold"))+
  theme(legend.text=element_text(size=8))

此处简单的示例，更多的参考ggplot2 | 关于标题，坐标轴和图例的细节修改，你可能想了解 ， ggplot2|theme主题设置，详解绘图优化-“精雕细琢” ，和ggplot2 |legend参数设置，图形精雕细琢

5 批量绘制

当有多个基因需要绘制时候，需要批量绘制 。

（1）features 可以接受向量，因此可以直接完成

marker_sign <- c("CD3E", 'CD3D', 'EPCAM', 'CD4', 'CD8A','SPP1', 'CD19', 'COL1A1', 'IGLC1')
FeaturePlot(sce2,features = marker_sign)

（2）grid.arrange 方式绘制

grid.arrange接受的是list ，可以通过layout_matrix 调整布局 。当然也可以最开始调整好基因在向量中的顺序，Seurat的结果是一样的 。

intersect_tls <- intersect(marker_sign,rownames(sce2)) 
plot_list <- lapply(intersect_tls,function(x){
  plot_list <- FeaturePlot(sce2,
                               features = x)
  })
#设置布局
lay <- rbind(c(1,2,3),
             c(4,5,6),
             c(7,8,9))

grid.arrange(grobs = plot_list, layout_matrix = lay)

因为单细胞的FeaturePlot的都是样的，看不出来grid.arrange的优势，后面会介绍空转中使用该函数通过布局 和 选择展示的图片 来绘制CNS级别的主图。

1. tsne展示marker基因

FeaturePlot(mye.seu,features = "CCR7",reduction = "tsne",pt.size = 1)+
  scale_x_continuous("")+scale_y_continuous("")+
  theme_bw()+ #改变ggplot2的主题
  theme( #进一步修改主题
    panel.grid.major = element_blank(),panel.grid.minor = element_blank(), #去掉背景线
    axis.ticks = element_blank(),axis.text = element_blank(), #去掉坐标轴刻度和数字
    legend.position = "none", #去掉图例
    plot.title = element_text(hjust = 0.5,size=14) #改变标题位置和字体大小
  )
ggsave("CCR7.pdf",device = "pdf",width = 10,height = 10.5,units = "cm")  

另一种方法就是把tsne的坐标和基因的表达值提取出来，用ggplot2画，其实不是很必要，因为FeaturePlot也是基于ggplot2的，我还是演示一下

mat1=as.data.frame(mye.seu[["RNA"]]@data["CCR7",])
colnames(mat1)="exp"
mat2=Embeddings(mye.seu,"tsne")
mat3=merge(mat2,mat1,by="row.names")

#数据格式如下：
> head(mat3)
Row.names     tSNE_1     tSNE_2   exp
1 N01_AAACGGGCATTTCAGG_1   5.098727  32.748145 0.000
2 N01_AAAGATGCAATGTAAG_1 -24.394040  26.176422 0.000
3 N01_AACTCAGGTAATAGCA_1  11.856730   8.086553 0.000
4 N01_AACTCAGGTCTTCGTC_1  10.421878  12.660407 0.000
5 N01_AACTTTCAGGCCATAG_1  33.555756 -10.437406 1.606
6 N01_AAGACCTTCGAATGGG_1 -23.976967  11.897753 0.738

mat3%>%ggplot(aes(tSNE_1,tSNE_2))+geom_point(aes(color=exp))+
  scale_color_gradient(low = "grey",high = "purple")+theme_bw()
ggsave("CCR7.2.pdf",device = "pdf",width = 13.5,height = 12,units = "cm")

用ggplot2的好处就是图形修改很方便，毕竟ggplot2大家都很熟悉

2. 热图展示marker基因

画图前，需要给每个细胞一个身份，因为我们跳过了聚类这一步，此处需要手动赋值

Idents(mye.seu)="celltype"

library(xlsx)
markerdf1=read.xlsx("ref_marker.xlsx",sheetIndex = 1)
markerdf1$gene=as.character(markerdf1$gene)
# 这个表格整理自原文的附表，选了53个基因

#数据格式
# > head(markerdf1)
# gene   celltype
# 1    S100B DC2(CD1C+)
# 2 HLA-DQB2 DC2(CD1C+)
# 3   FCER1A DC2(CD1C+)
# 4     CD1A DC2(CD1C+)
# 5     PKIB DC2(CD1C+)
# 6    NDRG2 DC2(CD1C+)

DoHeatmap(mye.seu,features = markerdf1$gene,label = F,slot = "scale.data")
ggsave("heatmap.pdf",device = "pdf",width = 23,height = 16,units = "cm")

label = F不在热图的上方标注细胞类型，
slot = "scale.data"使用scale之后的矩阵画图，默认就是这个

接下来用pheatmap画，在布局上可以自由发挥

library(pheatmap)
[email protected][,c("CB","celltype")]
colanno=colanno%>%arrange(celltype)
rownames(colanno)=colanno$CB
colanno$CB=NULL
colanno$celltype=factor(colanno$celltype,levels = unique(colanno$celltype))

先对细胞进行排序，按照celltype的顺序，然后对基因排序

rowanno=markerdf1
rowanno=rowanno%>%arrange(celltype)

提取scale矩阵的行列时，按照上面的顺序

mat4=mye.seu[["RNA"]]@scale.data[rowanno$gene,rownames(colanno)]
mat4[mat4>=2.5]=2.5
mat4[mat4 < (-1.5)]= -1.5 #小于负数时，加括号！

下面就是绘图代码了，我加了分界线，使其看上去更有区分度

pheatmap(mat4,cluster_rows = F,cluster_cols = F,
         show_colnames = F,
         annotation_col = colanno,
         gaps_row=as.numeric(cumsum(table(rowanno$celltype))[-6]),
         gaps_col=as.numeric(cumsum(table(colanno$celltype))[-6]),
         filename="heatmap.2.pdf",width=11,height = 7
         )