生存模型的构建方法包括:
1. Lasso回归;
2. Cox多因素回归;
3. 随机森林;
4. 支持向量机
可以把log_rank_test或cox筛选出的基因单独做模型构建,也可以取交集之后再做模型构建。
1. Lasso回归(机器学习算法)
目的:从若干个基因中挑选真正对生存有影响的基因。
Lasso回归可以对这些基因进行统计和打分,从而挑出关键基因。
1.1 准备输入数据(表达矩阵数据和临床信息数据)
load("TCGA-KIRC_sur_model.Rdata")
ls()
exprSet[1:4,1:4]
meta[1:4,1:4]
1.2 构建lasso回归模型
输入数据是表达矩阵(仅含tumor样本)和每个病人对应的生死(顺序必须一致)。
x=t(exprSet) #转换成基因在列
y=meta$event #结局
library(glmnet)
- 1.2.1 挑选合适的λ值
Lambda 是构建模型的重要参数。他的大小关系着模型选择的基因个数
#调优参数
set.seed(1006)
#⚠️不设置的话,每次运行时后面的结果(选出的基因)会不断变化。这也就是说,如果文献中使用了Lasso回归,是没有办法复现结果的。
cv_fit <- cv.glmnet(x=x, y=y) #cv.glmnet()就是一个调优参数的过程
plot(cv_fit)
图的横轴是选择的λ值,图最上方的数字代表选择对应的λ值时,模型所使用的基因数。
两条虚线分别指示了两个特殊的λ值,一个是lambda.min,一个是lambda.1se,这两个值之间的lambda都认为是可用的。lambda.1se构建的模型最简单,即使用的基因数量少,而lambda.min则准确率更高一点,使用的基因数量更多一点。
#系数图
fit <- glmnet(x=x, y=y) #glmnet是构建模型的
plot(fit,xvar = "lambda")
这张图中的每一条线代表一个基因。横坐标和上面那张图一样是log Lambda,纵坐标是系数。从左往右看,系数一直在0附近的,不管λ是几都不会被选到。
这两张图就是Lasso回归最经典的两张图。
- 1.2.2 用这两个λ值重新建模
两个都构建一下,再比较哪个模型更好。实际操作也可直接选择lambda.min到lambda.1se中的任意一个λ值构建模型,λ值的选择不是固定的。
model_lasso_min <- glmnet(x=x, y=y,lambda=cv_fit$lambda.min) # 得到的模型是一个列表
model_lasso_1se <- glmnet(x=x, y=y,lambda=cv_fit$lambda.1se) # 得到的模型是一个列表
View(model_lasso_1se) #从中选一个查看一下格式
选中的基因与系数存放于模型的子集beta中,beta是一个稀疏矩阵,用到的基因有一个s0值(系数值),没用的基因只记录了“.”(系数是0),所以可以用下面代码挑出用到的基因。
head(model_lasso_min$beta,20)
choose_gene_min=rownames(model_lasso_min$beta)[as.numeric(model_lasso_min$beta)!=0] #as.numeric不等于0的基因就是有系数的也就是被选中了的基因。
choose_gene_1se=rownames(model_lasso_1se$beta)[as.numeric(model_lasso_1se$beta)!=0]
length(choose_gene_min)
# [1] 35 ##选到了35个基因
length(choose_gene_1se)
# [1] 11 ##选到了11个基因
save(choose_gene_min,file = "lasso_choose_gene_min.Rdata")
- 1.2.3 模型预测
使用predict函数
进行模型预测(提供模型和数据就可以得到预测结果)
newx参数是预测对象。输出结果lasso.prob是一个矩阵,第一列是min的预测结果,第二列是1se的预测结果,预测结果是概率,或者说百分比,不是绝对的0和1。
将每个样本的生死和预测结果放在一起,直接cbind即可。
lasso.prob <- predict(cv_fit, newx=x, s=c(cv_fit$lambda.min,cv_fit$lambda.1se) )
re=cbind(y ,lasso.prob)
head(re)
# y 1 2
# TCGA-A3-3307-01A-01T-0860-13 0 0.1151638 0.2300976
# TCGA-A3-3308-01A-02R-1324-13 0 0.4020126 0.3591050
# TCGA-A3-3311-01A-02R-1324-13 1 0.2906333 0.2954458
# TCGA-A3-3313-01A-02R-1324-13 1 0.3831590 0.3456060
# TCGA-A3-3316-01A-01T-0860-13 0 0.3284941 0.3113726
# TCGA-A3-3317-01A-01T-0860-13 0 0.3832764 0.3342198
## y是每个病人,1和2是给的lamda值是min和1se的时候,模型给每个病人计算出来的预测值评分是多少
re=as.data.frame(re)
colnames(re)=c('event','prob_min','prob_1se')
#将真实结局event和预测值合并在一起
re$event=as.factor(re$event)
- 1.2.4 模型评估(绘制ROC曲线)
计算AUC取值范围在0.5-1之间,越接近于1越好。可以根据预测结果绘制ROC曲线。
library(ROCR)
library(caret)
#min
pred_min <- prediction(re[,2], re[,1])
auc_min = performance(pred_min,"auc")@y.values[[1]]
perf_min <- performance(pred_min,"tpr","fpr")
plot(perf_min,colorize=FALSE, col="blue")
lines(c(0,1),c(0,1),col = "gray", lty = 4 )
text(0.8,0.2, labels = paste0("AUC = ",round(auc_min,3)))
#1se
pred_1se <- prediction(re[,3], re[,1])
auc_1se = performance(pred_1se,"auc")@y.values[[1]]
perf_1se <- performance(pred_1se,"tpr","fpr")
plot(perf_1se,colorize=FALSE, col="red")
lines(c(0,1),c(0,1),col = "gray", lty = 4 )
text(0.8,0.2, labels = paste0("AUC = ",round(auc_1se,3)))
把两个模型的图画一起
plot(perf_min,colorize=FALSE, col="blue")
plot(perf_1se,colorize=FALSE, col="red",add = T)
lines(c(0,1),c(0,1),col = "gray", lty = 4 )
text(0.8,0.3, labels = paste0("AUC = ",round(auc_min,3)),col = "blue")
text(0.8,0.2, labels = paste0("AUC = ",round(auc_1se,3)),col = "red")
ggplot绘图(和上面的图含义一样,ggplot2画的图更好看,绘图也更灵活)
tpr_min = performance(pred_min,"tpr")@y.values[[1]]
tpr_1se = performance(pred_1se,"tpr")@y.values[[1]]
dat = data.frame(tpr_min = [email protected][[1]],
fpr_min = [email protected][[1]],
tpr_1se = [email protected][[1]],
fpr_1se = [email protected][[1]])
library(ggplot2)
ggplot() +
geom_line(data = dat,aes(x = fpr_min, y = tpr_min),color = "blue") +
geom_line(aes(x=c(0,1),y=c(0,1)),color = "grey")+
theme_bw()+
annotate("text",x = .75, y = .25,
label = paste("AUC of min = ",round(auc_min,2)),color = "blue")+
scale_x_continuous(name = "fpr")+
scale_y_continuous(name = "tpr")
ggplot() +
geom_line(data = dat,aes(x = fpr_min, y = tpr_min),color = "blue") +
geom_line(data = dat,aes(x = fpr_1se, y = tpr_1se),color = "red")+
geom_line(aes(x=c(0,1),y=c(0,1)),color = "grey")+
theme_bw()+
annotate("text",x = .75, y = .25,
label = paste("AUC of min = ",round(auc_min,2)),color = "blue")+
annotate("text",x = .75, y = .15,label = paste("AUC of 1se = ",round(auc_1se,2)),color = "red")+
scale_x_continuous(name = "fpr")+
scale_y_continuous(name = "tpr")
- 1.2.5 切割数据构建模型并预测
对数据进行切割,一组做训练集
,使用表达矩阵和临床信息用来构建模型。一组做测试集
,输入表达矩阵来对结局进行预测,测序构建的模型预测的结果。
用R包caret切割数据,生成的结果是一组代表列数的数字,用这些数字来给表达矩阵和meta取子集即可。
library(caret) #机器学习R包,可以比较科学的拆分数据。
set.seed(12345679)
sam<- createDataPartition(meta$event, p = .5,list = FALSE) #根据event来切分,一半一半和7比3都可以
head(sam)
train <- exprSet[,sam] #切分表达矩阵,sam是一组,非sam是另一组。
test <- exprSet[,-sam]
train_meta <- meta[sam,] #切分临床信息
test_meta <- meta[-sam,]
#看一下,不要让临床信息差的太多
prop.table(table(train_meta$stage))
prop.table(table(test_meta$stage))
prop.table(table(test_meta$race))
prop.table(table(train_meta$race))
切割后的train数据集建模
#计算lambda
x = t(train)
y = train_meta$event
cv_fit <- cv.glmnet(x=x, y=y)
plot(cv_fit)
#构建模型
model_lasso_min <- glmnet(x=x, y=y,lambda=cv_fit$lambda.min)
model_lasso_1se <- glmnet(x=x, y=y,lambda=cv_fit$lambda.1se)
#挑出基因
head(model_lasso_min$beta)
choose_gene_min=rownames(model_lasso_min$beta)[as.numeric(model_lasso_min$beta)!=0]
choose_gene_1se=rownames(model_lasso_1se$beta)[as.numeric(model_lasso_1se$beta)!=0]
length(choose_gene_min)
# [1] 18
length(choose_gene_1se)
# [1] 3
模型预测
用训练集构建模型,预测测试集的生死,注意newx参数变了。
lasso.prob <- predict(cv_fit, newx=t(test), s=c(cv_fit$lambda.min,cv_fit$lambda.1se) )
re=cbind(event = test_meta$event ,lasso.prob)
re=as.data.frame(re)
colnames(re)=c('event','prob_min','prob_1se')
re$event=as.factor(re$event)
head(re)
再画ROC曲线
library(ROCR)
library(caret)
# 训练集模型预测测试集
#min
pred_min <- prediction(re[,2], re[,1])
auc_min = performance(pred_min,"auc")@y.values[[1]]
perf_min <- performance(pred_min,"tpr","fpr")
#1se
pred_1se <- prediction(re[,3], re[,1])
auc_1se = performance(pred_1se,"auc")@y.values[[1]]
perf_1se <- performance(pred_1se,"tpr","fpr")
tpr_min = performance(pred_min,"tpr")@y.values[[1]]
tpr_1se = performance(pred_1se,"tpr")@y.values[[1]]
dat = data.frame(tpr_min = [email protected][[1]],
fpr_min = [email protected][[1]],
tpr_1se = [email protected][[1]],
fpr_1se = [email protected][[1]])
ggplot() +
geom_line(data = dat,aes(x = fpr_min, y = tpr_min),color = "blue") +
geom_line(data = dat,aes(x = fpr_1se, y = tpr_1se),color = "red")+
geom_line(aes(x=c(0,1),y=c(0,1)),color = "grey")+
theme_bw()+
annotate("text",x = .75, y = .25,
label = paste("AUC of min = ",round(auc_min,2)),color = "blue")+
annotate("text",x = .75, y = .15,label = paste("AUC of 1se = ",round(auc_1se,2)),color = "red")+
scale_x_continuous(name = "fpr")+
scale_y_continuous(name = "tpr")
2. Cox多因素回归
如果Lasso回归挑出的基因数目还是太多,就可以通过Cox多因素回归再进行筛选。
使用Lasso回归挑出的基因作为Cox多因素回归的输入数据,使用逐步回归法
去挑选可选范围内最好的模型。(通常来说做数据挖掘的文章构建模型的话最后一步都是多因素Cox)
2.1 准备输入数据
if(!require(My.stepwise))install.packages("My.stepwise")
load("TCGA-KIRC_sur_model.Rdata") #KIRC整理好的生存数据
load("lasso_choose_gene_min.Rdata") #Lasso回归选出的35个基因(这里没有区分lnc和mRNA)
2.2 构建coxph模型
将用于建模的基因(例如lasso回归选中的基因)从表达矩阵中取出来,可作为列添加在meta表格的后面,组成的数据框赋值给dat。
library(stringr)
e=t(exprSet[choose_gene_min,]) #从矩阵中取出Lasso回归选出的35个基因
colnames(e)= str_replace_all(colnames(e),"-","_") #因为miRNA的名字中有减号-,而cox的公式中有加号,会造成干扰,因此需要将基因名中的-替换成_。
dat=cbind(meta,e)
dat$gender=as.numeric(factor(dat$gender)) #把levels转换成数字作为输入
dat$stage=as.numeric(factor(dat$stage))
colnames(dat) #dat矩阵行是样本,列是感兴趣的临床信息和挑出的35个基因
# [1] "ID" "event" "death" "last_followup" "race"
# [6] "age" "gender" "stage" "time" "age_group"
# [11] "hsa_mir_101_1" "hsa_mir_1179" "hsa_mir_1185_1" "hsa_mir_1248" "hsa_mir_1269"
# [16] "hsa_mir_1277" "hsa_mir_1305" "hsa_mir_130a" "hsa_mir_130b" "hsa_mir_144"
# [21] "hsa_mir_149" "hsa_mir_181b_2" "hsa_mir_181c" "hsa_mir_18a" "hsa_mir_223"
# [26] "hsa_mir_2276" "hsa_mir_27b" "hsa_mir_28" "hsa_mir_3149" "hsa_mir_34c"
# [31] "hsa_mir_3613" "hsa_mir_3614" "hsa_mir_365_2" "hsa_mir_3651" "hsa_mir_3667"
# [36] "hsa_mir_3676" "hsa_mir_376b" "hsa_mir_3917" "hsa_mir_548q" "hsa_mir_612"
# [41] "hsa_mir_627" "hsa_mir_676" "hsa_mir_9_2" "hsa_mir_939" "hsa_mir_95"
逐步回归法构建最优模型(从若干个因素中挑选出更关键的)
library(survival)
library(survminer)
library(My.stepwise)
vl <- colnames(dat)[c(6,7,8,11:ncol(dat))] #选择感兴趣的输入因素,这里选了列名中从age开始到最后一列的35个因素作为输入
My.stepwise.coxph(Time = "time",
Status = "event",
variable.list = vl, #从这些因素中挑选更关键的因素,输出结果中最后一个模型是最好的
data = dat)
使用输出结果里的最后一个模型(逐步回归法经过若干次迭代后选出的最好的模型)
# 复制输出结果中的最后一个公式
model = coxph(formula = Surv(time, event) ~ stage + hsa_mir_223 + age +
hsa_mir_34c + hsa_mir_3917 + hsa_mir_3651 + hsa_mir_144 +
hsa_mir_2276 + hsa_mir_3667 + hsa_mir_3149 + hsa_mir_627 +
hsa_mir_101_1, data = dat)
逐步回归法最重要的是选出了~后面的这些因素,作为它认为的最优因素组合来构建模型,~后的因素也可以通过其它方式挑选,公式还是一样的写法。
2.3 模型可视化-森林图
ggforest(model,data = dat)
森林图绘图更多参考:https://www.jianshu.com/p/58c90b2f3910
2.4 模型预测
fp <- predict(model,newdata = dat)
library(Hmisc) #使用Hmisc包中的函数计算C Index
options(scipen=200)
with(dat,rcorr.cens(fp,Surv(time, event))) #用1-返回的C Index值是我们所说的C Index,也就是上面森林图中标出的0.81
# C Index Dxy S.D. n missing uncensored
# 0.19234306 -0.61531388 0.03361968 516.00000000 0.00000000 158.00000000
# Relevant Pairs Concordant Uncertain
# 89174.00000000 17152.00000000 176550.00000000
C-index用于计算生存分析中的COX模型预测值与真实之间的区分度(discrimination),也称为Harrell's concordanceindex。C-index在0.5-1之间。0.5为完全不一致,说明该模型没有预测作用,1为完全一致,说明该模型预测结果与实际完全一致。
2.5 切割数据构建模型并预测
- 2.5.1 切割数据
用R包caret切割数据,生成的结果是一组代表列数的数字,用这些数字来给表达矩阵和meta取子集即可。
library(caret)
set.seed(12345679)
sam<- createDataPartition(meta$event, p = .5,list = FALSE)
train <- exprSet[,sam]
test <- exprSet[,-sam]
train_meta <- meta[sam,]
test_meta <- meta[-sam,]
- 2.5.2 切割后的train数据集建模
和上面的建模方法一样。
e=t(train[choose_gene_min,])
colnames(e)= str_replace_all(colnames(e),"-","_")
dat=cbind(train_meta,e)
dat$gender=as.numeric(factor(dat$gender))
dat$stage=as.numeric(factor(dat$stage))
colnames(dat)
#install.packages("My.stepwise")
# library(My.stepwise)
# vl <- colnames(dat)[c(6,7,8,11:ncol(dat))]
# My.stepwise.coxph(Time = "time",
# Status = "event",
# variable.list = vl,
# data = dat)
model = coxph(formula = Surv(time, event) ~ stage + hsa_mir_223 + age +
hsa_mir_34c + hsa_mir_181b_2 + hsa_mir_3614, data = dat)
- 2.5.3 模型可视化
ggforest(model, data =dat)
- 2.5.4 用切割后的数据test数据集验证模型
e=t(test[choose_gene_min,])
colnames(e)= str_replace_all(colnames(e),"-","_")
test_dat=cbind(test_meta,e)
test_dat$gender=as.numeric(factor(test_dat$gender))
test_dat$stage=as.numeric(factor(test_dat$stage))
fp <- predict(model,newdata = test_dat)
library(Hmisc)
with(test_dat,rcorr.cens(fp,Surv(time, event)))
# C Index Dxy S.D. n missing
# 0.22565299 -0.54869403 0.04919064 258.00000000 0.00000000
# uncensored Relevant Pairs Concordant Uncertain
# 75.00000000 21440.00000000 4838.00000000 44858.00000000
3 随机森林
3.1 准备输入数据
输入数据是肿瘤样本表达矩阵exprSet和临床信息meta
load("TCGA-KIRC_sur_model.Rdata")
library(randomForest)
library(ROCR)
library(genefilter)
library(Hmisc)
3.2 构建随机森林模型
输入数据是表达矩阵(仅含tumor样本)和对应的生死。(和Lasso回归一样)
x=t(exprSet)
y=meta$event
#构建模型,一个叫randomForest的函数,运行时间很长,存Rdata跳过
tmp_rf="TCGA_KIRC_miRNA_rf_output.Rdata"
if(!file.exists(tmp_rf)){
rf_output=randomForest(x=x, y=y,importance = TRUE, ntree = 10001, proximity=TRUE )
save(rf_output,file = tmp_rf)
}
load(file = tmp_rf)
#top30的基因
varImpPlot(rf_output, type=2, n.var=30, scale=FALSE,
main="Variable Importance (Gini) for top 30 predictors",cex =.7)
随机森林算法筛选基因不像Lasso回归那么绝对,不是直接分是用到了还是没用到,随机森林只能帮我们把基因的重要性进行排名 ,要选前多少个基因是我们自己定的。(这里选了前30,如上图)
rf_importances=importance(rf_output, scale=FALSE)
head(rf_importances)
# %IncMSE IncNodePurity
# hsa-let-7a-1 1.852761e-04 0.1787383
# hsa-let-7a-2 2.167420e-04 0.1916623
# hsa-let-7a-3 2.218169e-04 0.1858544
# hsa-let-7b 7.399404e-05 0.1628646
# hsa-let-7c 7.658155e-05 0.1635053
# hsa-let-7d 1.974099e-04 0.2382185
#解释量top30的基因,和图上是一样的,从下往上看。
choose_gene=rownames(tail(rf_importances[order(rf_importances[,2]),],30)) #选前30个基因,这个数值可变
3.3 模型预测和评估
rf.prob <- predict(rf_output, x) #rf.prob是预测值,越接近于0就表示模型预测这个人活着,越接近于1就表示模型预测这个人死了。
re=cbind(y ,rf.prob) #预测值和真实值放在一起查看比较
head(re)
# y rf.prob
# TCGA-A3-3307-01A-01T-0860-13 0 0.1364447
# TCGA-A3-3308-01A-02R-1324-13 0 0.1793771
# TCGA-A3-3311-01A-02R-1324-13 1 0.6709712
# TCGA-A3-3313-01A-02R-1324-13 1 0.7742376
# TCGA-A3-3316-01A-01T-0860-13 0 0.2035863
# TCGA-A3-3317-01A-01T-0860-13 0 0.1619938
ROC曲线(随机森林如果不做另外一个数据的验证,它的AUC值是1,所以绘制ROC曲线没有什么意义)
library(ROCR)
#library(caret)
pred <- prediction(re[,2], re[,1])
auc = performance(pred,"auc")@y.values[[1]]
auc
# [1] 1
3.4 切割数据构建模型并预测
- 3.4.1 切割数据
用R包caret切割数据,生成的结果是一组代表列数的数字,用这些数字来给表达矩阵和meta取子集即可。
library(caret)
set.seed(12345679)
sam<- createDataPartition(meta$event, p = .5,list = FALSE)
train <- exprSet[,sam]
test <- exprSet[,-sam]
train_meta <- meta[sam,]
test_meta <- meta[-sam,]
- 3.4.2 切割后的train数据集建模
和上面的建模方法一样。
#建模
x = t(train)
y = train_meta$event
tmp_rf="TCGA_KIRC_miRNA_t_rf_output.Rdata"
if(!file.exists(tmp_rf)){
rf_output=randomForest(x=x, y=y,importance = TRUE, ntree = 10001, proximity=TRUE )
save(rf_output,file = tmp_rf)
}
load(file = tmp_rf)
choose_gene=rownames(tail(rf_importances[order(rf_importances[,2]),],30))
head(choose_gene)
# [1] "hsa-mir-511-1" "hsa-mir-155" "hsa-mir-409" "hsa-mir-1185-1"
# [5] "hsa-mir-1277" "hsa-mir-149"
3.5 模型预测
用训练集构建模型,预测测试集的生死。
x = t(test)
y = test_meta$event
rf.prob <- predict(rf_output, x)
re=cbind(y ,rf.prob)
re=as.data.frame(re)
colnames(re)=c('event','prob')
re$event=as.factor(re$event)
再看AUC值。
library(ROCR)
# 训练集模型预测测试集
pred <- prediction(re[,2], re[,1])
auc= performance(pred,"auc")@y.values[[1]]
auc
# [1] 0.7121311
模型还可以。
4 支持向量机(Support Vector Machine, SVM)
前三种预测方法都是可以把建模时所 使用的基因挑出来,也可以写出公式,SVM比前三种方法要简单很多。
4.1 准备输入数据
load("TCGA-KIRC_sur_model.Rdata")
library(ROCR)
library(genefilter)
library(Hmisc)
library(e1071) #SVM的包名
4.2 构建支持向量机模型
- 4.2.1 切割数据
用R包caret切割数据,生成的结果是一组代表列数的数字,用这些数字来给表达矩阵和meta取子集即可。
library(caret)
set.seed(12345679)
sam<- createDataPartition(meta$event, p = .5,list = FALSE)
train <- exprSet[,sam]
test <- exprSet[,-sam]
train_meta <- meta[sam,]
test_meta <- meta[-sam,]
- 4.2.2 train数据集建模
x=t(train)
y=as.factor(train_meta$event)
model = svm(x,y,kernel = "linear")
summary(model)
#
# Call:
# svm.default(x = x, y = y, kernel = "linear")
#
#
# Parameters:
# SVM-Type: C-classification
# SVM-Kernel: linear
# cost: 1
#
# Number of Support Vectors: 176
#
# ( 108 68 )
#
#
# Number of Classes: 2
#
# Levels:
# 0 1
- 4.2.3 模型预测
用训练集构建模型,预测测试集的生死。不同于其他模型,这个预测结果是分类变量,直接预测生死,而不是prob。
x=t(test)
y=as.factor(test_meta$event)
pred = predict(model, x)
table(pred,y)
# y
# pred 0 1
# 0 142 47
# 1 41 28
上面的结果列的0和1是预测的存活和死亡,行的0和1是真实的存活和死亡。预测值是0的有142+41个,预测值是1的有47+28个。真实是0的有142+47个,真实是1的有41+28个。41(false negative)和47(false positive)就属于误判。
代码来自2021生信技能树数据挖掘课