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新手学 RNA-Seq 分析,看这一篇就够了

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为什么很多 RNA-seq 分析,最后只能得到「一堆差异基因」?RNA-seq 分析最难的不是得到差异基因,而是证明这些差异真实存在,并解释它们意味着什么。

除了要熟悉 RNA-seq 的顺序:测序公司发送数据——下载表达矩阵——运行 DESeq2——获得差异基因——绘制火山图——GO/KEGG 富集——文章完成。

更要了解:「这些差异基因是否可靠?」、「样本之间是否存在批次效应?」、「这些通路变化是否具有生物学意义?」、「你的分析如何支持后续机制研究?」

如何准备样本、设置分组

假设我们研究:某药物是否能够改变肿瘤细胞的转录状态?

实验设计:


  • Control 组(Ctrl_1、Ctrl_2、Ctrl_3)

  • Treatment 组(Treat_1、Treat_2、Treat_3)


经过 RNA 测序后,我们获得了一个巨大的表达矩阵:


图 1:表达矩阵

RNA-seq 完整分析流程:从测序数据到候选机制


图 2:RNA-seq 完整分析流程(ChatGPT)

一个标准 RNA-seq 分析流程通常包括:

Raw sequencingdata——质量控制(QC)——比对/定量——Gene Count Matrix——样本质量评价——PCA 聚类分析——差异表达分析(DEG)——火山图/热图——GO/KEGG——候选机制发现——实验验证

RNA-Seq 分析的第一步:Gene Count Matrix

通常我们从测序公司拿到的是 Gene-level raw count 矩阵。表格里的每个数字,代表测序读段(reads)被比对到某个基因上的原始数量。如下:


⚠️ 一个提醒:

很多初学者拿 TPM 或 FPKM 直接跑 DESeq2——这是错的。

因为 DESeq2 的设计输入是原始 count,它会自己完成:测序深度校正、样本间标准化、统计模型拟合。直接输入标准化后的表达值,反而会破坏 DESeq2 内置的统计假设。

PCA 分析:RNA-seq 最重要的质量控制工具


图 3:PCA 分析示意图(https://blog.csdn.net/telasi2004/article/details/142501798)

PCA(Principal Component Analysis,主成分分析)的作用:确认实验组和对照组是否真的存在整体表达差异:同一组的样本,应该聚在一起;不同组的样本,应该分开

(PCA 通常被用于 RNA-seq 探索性分析和质量控制,用于观察样本间主要变异来源及分组聚类情况)

DESeq2:RNA-seq 差异分析最常用工具之一

DESeq2 基于基因表达水平、样本间差异、测序深度、生物学变异,最终输出差异基因:


图 4:DESeq2 分析后的差异基因

我们通过筛选设置阈值进行分析,主要关注两个指标:

  • Fold Change(倍数变化):查看实验组的表达量是控制组的几倍。为例如:如果,说明表达量翻倍(上调);如果等于,说明表达量减半(下调)。

  • FDR / P-adj(校正后的 P 值):这个差异是否真实,因为我们同时对两万个基因做检验(多重假设检验),极容易出现「假阳性」。建议看校正后的 P-adj(通常要求)。

结果可视化(可以利用在线网站分析,也可以在 R 中分析)

1、火山图:寻找差异基因

它将基因的「变化幅度」和「统计学显著性」完美结合在了一张图里。

  • 横轴:(表达量的变化倍数)。越靠右表示上调倍数越大,越靠左表示下调倍数越大。

  • 纵轴:(显著性水平)。点的位置越高,说明差异越具有统计学意义。

  • 参考线:通常会画两条竖虚线和一条横虚线作为阈值。


图 5:火山图(https://blog.csdn.net/qq_37148940/article/details/141564354)

2、聚类热图(Heatmap):基因表达模式全景图

热图是用来聚焦你筛选出的核心基因集,看它们在不同样本里的相对变化趋势。

  • 行与列:通常每一行代表一个基因,每一列代表一个样本。

  • 颜色阶梯:颜色代表表达量标准化(如 Z-score)后的高低。通常红色代表高表达,蓝色代表低表达。

  • 聚类树(Dendrogram):顶部和左侧像树枝一样的线条,代表样本间或基因间的相似性聚类结果。


图 6:聚类热图(https://blog.csdn.net/qq_41909309/article/details/103595682)

3、GO 富集条形图(Barplot)

横轴通常是富集到该通路的基因数量(Count),纵轴是通路的名称。颜色的深浅通常代表 P 值或 q 值的大小(越红越显著)。


图 7:GO 富集条形图(https://www.zhihu.com/zvideo/1397273860954296320)

4、KEGG 气泡图(Dotplot)

横轴是 GeneRatio(富集到该通路的差异基因数 / 差异基因总数),气泡的大小代表基因数量,气泡的颜色代表显著性。


图 8:KEGG 气泡图(https://blog.csdn.net/MurphyStar/article/details/129683996)

编辑:小 z

题图:自制

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