新冠感染死亡患者的肺部单细胞图谱Python全流程

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新冠感染死亡患者的肺部单细胞图谱Python全流程 by 生信技能树

我们马拉松授课的第四周转录组环节的新叶老师计划把其授课内容细化和延伸，进阶到单细胞转录组，所以钻研了几篇优秀的CNS文章的图表复现，数据分析环节有R和Python，都值得解读和分享，先把文字版分享给大家哈。

这篇文献提供的代码是R与python版本，是个极好的学习单细胞与python的资源。今天先来看看文献背景。

文章信息：

标题：A molecular single-cell lung atlas of lethal COVID-19
期刊：Nature
日期：2021/04/29
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03569-1
通讯作者：Benjamin Izar  Jianwen Que 哥伦比亚大学欧文医学中心血液学/肿瘤科医学系
代码：https://github.com/IzarLab/CUIMC-NYP_COVID_autopsy_lung
视频：https://www.youtube.com/watch?v=uvyG9yLuNSE
代码：https://github.com/mousepixels/sanbomics_scripts
主代码：https://github.com/mousepixels/sanbomics_scripts/blob/main/single_cell_analysis_complete_class.ipynb

呼吸衰竭是severe SARS-CoV-2感染患者死亡的主要原因，但肺组织水平的宿主反应尚不清楚。本文对19名死于COVID-19的患者和7名对照组患者的肺中约11.6万个细胞核进行了单核RNA测序。综合分析发现了细胞组成、转录细胞状态和细胞间相互作用的重大变化，从而为了解致命COVID-19的生物学提供了帮助。

看这篇文献的时候，心情突然有点那么沉重。

数据情况

• 处理后的数据: https://singlecell.broadinstitute.org/single_cell/study/SCP1219.
• 处理后的数据在GEO中也有 GSE171524(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi?acc=GSE171524).
• 原始数据: https://duos.broadinstitute.org(study ID DUOS-000130).
• Source data(https://www.nature.com/articles/s41586-021-03569-1#Sec45) are provided with this paper

总共包含 COVID-19队列（19例样本）与 对照队列Control（7例样本）

COVID-19的肺细胞landscape

使用单细胞核测序，经过质控流程，得到一个肺的图谱：116,314个单细胞，包括COVID-19队列79,636个细胞以及对照队列Control 36,678个细胞。9个主要的细胞类型鉴定如下：

• epithelial cells (n = 30,070 cells)
• myeloid cells (n = 29,632)
• fibroblasts (n = 22,909)
• endothelial cells (n = 5,386)
• T and natural killer (NK) lymphocytes (n = 16,751)
• B lymphocytes and plasma cells (n = 7,236)
• neuronal cells (n = 2,017)
• mast cells (n = 1,464)
• antigen-presenting cells (APCs; primarily dendritic cells) (n = 849)

具体的样本情况以及详细注释：

髓系细胞的异常激活

髓系细胞是COVID-19肺的主要细胞成分，且比对照组肺更为普遍。我们鉴定了：

• 单核细胞(n = 3,176)
• 单核细胞衍生的巨噬细胞(MDMs;n = 9,534)
• transitioning MDMs (n = 4,203)
• 常驻肺泡巨噬细胞(resident alveolar macrophages，AMs;n = 12,511)

它们在diffusion component(DC)分析中被恢复为不同的轨迹，在COVID-19肺部更常见（图2a-c）。来自COVID-19个体的髓系细胞被高度和异常激活。

此外：

• COVID-19肺中的MDMs差异表达激活基因(例如CTSB、CTSD、CTSZ、PSAP)和两个长链非编码rna NEAT1和MALAT1，它们与异常巨噬细胞激活和受损的T细胞免疫相关
• AMs产生于胎儿单核细胞，可以自我更新，在COVID-19肺中富集并高度激活

这些数据表明，髓系细胞是COVID-19中炎症失调的主要来源。

血浆和T细胞响应

使用the variable heavy (IGHV) and light (IGLV) chains鉴定了浆细胞，T/NK细胞群体分为了：CD8⁺ T cells (n = 3,561), T regulatory (Treg) cells (n = 649), other CD4⁺ T cells (n = 7,586), and NK cells (n = 2,141)。

作者发现COVID-19肺部的T细胞丰度没有显著增加，只有细胞因子和T细胞激活和组织驻留相关程序的适度上调（上图G-I）。

肺泡上皮再生受损

上皮细胞分为：

• 肺泡上皮细胞 (AT1 and AT2 cells; n = 20,949)
• 气道上皮细胞 (basal, ciliated, club, goblet, and mucous cells; n = 7,223)
• 一种以表达炎症和细胞周期基因为特征的亚群, 包括 IRF8, B2M, MKI67 and TOP2A (‘cycling epithelium’; n = 609)
• 显示细胞外基质(ECM)成分高表达的亚群 COL6A3, COL1A2, and COL3A1

此外：在肺再生过程中，AT2细胞作为AT1细胞的祖细胞，可以分化为AT1；对照组肺中的AT2和AT1细胞形成了不同的簇。这其中有几个比较重要的基因：

• ETV5 ：COVID-19 AT2细胞低表达ETV5，维持AT2细胞身份，ETV5表达降低与向AT1细胞分化相关
• CAV1：AT1成熟晚期的标志，在COVID-19肺的AT1细胞中表达水平显著降低

COVID-19中的异位簇状细胞

在捕获的气道上皮细胞中，我们发现了四种不同的轨迹:

• KRT5+ TP63+基底细胞basal (n = 534)
• club细胞(n = 1232)
• 杯状细胞goblet cells (n = 1757)
• 一种细胞较少的轨迹(n = 110)，主要在COVID-19肺部发现，我们将其确定为簇状细胞putative tuft-like cells

簇状细胞参与气道炎症和肠组织再生，但它们在病毒性肺炎中的作用尚不清楚。本研究中表现如下：

• 新冠肺炎患者上呼吸道的簇状细胞(CHAT+或POU2F3+)数量增加了3倍，且只在新冠肺炎患者肺实质中异位存在，但在对照组肺中不存在（parenchyma为腺细胞组织，实质）

病理性成纤维细胞和肺纤维化

COVID-19肺部的成纤维细胞明显多于对照组(图1d)，α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA，基因名字ACTA2)免疫组化染色证实了这一发现：

纤维化程度(determined by a Sirius red fibrosis score)与疾病持续时间相关(图4a)，表明COVID-19的肺纤维化随着时间的推移而增加：

此外：作者确定了五种成纤维细胞亚型：与对照肺相比，COVID-19肺中病理或中间病理成纤维细胞的频率增加(图4c)

• 肺泡 alveolar (n = 4670)
• 外膜 adventitial (n = 3773)
• 病理 pathological (n = 2322)
• 中间病理 intermediate pathological  (n = 8779)
• 其他(n = 1099) (图4b)

主要细胞类型之间的配体-受体分析结果显示：

• 在所有细胞中配体-受体相互作用最多的是TGFβ1 - TGFβ受体2和BMP6-ACVR1，它们分别属于TGFβ家族和超家族。TGFβ信号在促进肺纤维化中具有重要作用，并与成纤维细胞介导的ADI27维持有关，而ADI27与DATP细胞状态密切相关。

这里还有一个有意思的分析：

为了研究针对pFBs（pathological fibroblasts）的潜在治疗策略，作者从单核转录组中推断蛋白质活性，然后将pFBs与其他成纤维细胞进行比较。该分析预测pFBs将表现出JunB和JunD活性的增加(图j)，它们通过增强TGFβ和STAT3信号通路诱导小鼠模型的肺纤维化，并与IL-1β的产生增加有关。最后，作者推断出pFBs中的药物作用靶点，并将MMP14和STAT3作为废除pFBs中有害程序的潜在靶点(图j)。

有好几个方法可以利用单细胞RNA数据推断蛋白层面的分子活性，下次介绍~

数据背景接上一篇：Python图文复现2022|01-文献阅读：致命COVID-19分子单细胞肺图谱

数据获取

有三种途径：

• 处理后的数据：single-cell portal: https://singlecell.broadinstitute.org/single_cell/study/SCP1219.
• 处理后的数据还可以在GEO获取：GSE171524
• 原始数据：the Broad Data Use and Oversight System: https://duos.broadinstitute.org (study ID DUOS-000130)，但是需要注册，注册要求好像还有丢丢特殊

这次就从GEO下载吧，下载完后：3个文件，一个处理后的csv表达数据，一个metadata，一个原始count数据压缩包tar

原文代码：https://github.com/IzarLab/CUIMC-NYP_COVID_autopsy_lung

但是本次我们使用一个利用这个数据讲python学习的资源，

• 视频如下：https://www.youtube.com/watch?v=uvyG9yLuNSE

视频相关代码如下：

• 代码：https://github.com/mousepixels/sanbomics_scripts
• 主代码：https://github.com/mousepixels/sanbomics_scripts/blob/main/single_cell_analysis_complete_class.ipynb

数据下载后，开工！

环境准备：

# 使用conda安装好相关软件
conda activate scanpy

# 导入包，注意dir路径改成自己的
import scanpy as sc
dir = '/path/data/GSE171524/GSE171524_RAW/'

数据读取

GSM5226574_C51样本是个肺对照样本，总共包含6099个细胞，34546个基因。

# 读取数据
adata = sc.read_csv(dir + 'GSM5226574_C51ctr_raw_counts.csv').T
adata

#AnnData object with n_obs × n_vars = 6099 × 34546

# 查看数据维度
adata.X.shape
#(6099, 34546)

Doublet过滤

# pip install scvi-tools
import scvi

# 过滤低表达基因以及高变基因选择
sc.pp.filter_genes(adata, min_cells = 10)
sc.pp.highly_variable_genes(adata, n_top_genes = 2000, subset = True, flavor = 'seurat_v3')

# 训练模型
scvi.model.SCVI.setup_anndata(adata)
vae = scvi.model.SCVI(adata)
vae.train()
#GPU available: False, used: False
#TPU available: False, using: 0 TPU cores
#IPU available: False, using: 0 IPUs
#HPU available: False, using: 0 HPUs
#Epoch 400/400: 100%|████████████████████████████████████████████████████████| 400/400 [23:10<00:00,  3.21s/it, loss=320, v_num=1]`Trainer.fit` stopped: `max_epochs=400` reached.
#Epoch 400/400: 100%|████████████████████████████████████████████████████████| 400/400 [23:10<00:00,  3.48s/it, loss=320, v_num=1]

solo = scvi.external.SOLO.from_scvi_model(vae)
solo.train()

df = solo.predict()
df['prediction'] = solo.predict(soft = False)
df.index = df.index.map(lambda x: x[:-2])
df

结果：doublet这一列的值越高，表明这个细胞约可能是双包体；

预测结果统计：

有1245个细胞被预测为双包体，占总细胞的20%左右，这对于10X来说，双包率有点太高了

df.groupby('prediction').count()

            doublet  singlet
prediction                  
doublet        1245     1245
singlet        4854     4854

因此，这里计算一个df值：

df['dif'] = df.doublet - df.singlet
df

新增一列df值：

给这个df绘制一个分布图：

import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt

sns.displot(df[df.prediction == 'doublet'], x = 'dif')
plt.savefig(dir+"01-df-displot.png")

结果图：

因此，将df大于1的预测为双包体：

doublets = df[(df.prediction == 'doublet') & (df.dif > 1)]
doublets

adata = sc.read_csv(dir+'GSM5226574_C51ctr_raw_counts.csv').T
adata.obs['doublet'] = adata.obs.index.isin(doublets.index)
adata.obs

预测结果：

去除：还剩余5618个细胞

adata = adata[~adata.obs.doublet]
adata

View of AnnData object with n_obs × n_vars = 5618 × 34546
    obs: 'doublet'

预处理

# 计算线粒体基因比例
adata.var['mt'] = adata.var.index.str.startswith('MT-')
adata.var

# 核糖体RNA基因
import pandas as pd
ribo_url = "http://software.broadinstitute.org/gsea/msigdb/download_geneset.jsp?geneSetName=KEGG_RIBOSOME&fileType=txt"
ribo_genes = pd.read_table(ribo_url, skiprows=2, header = None)
ribo_genes

#              0
# 0          FAU
# 1       MRPL13
# 2        RPL10
# 3       RPL10A
# 4       RPL10L
# ..         ...
# 83        RPS9
# 84        RPSA
# 85     RSL24D1
# 86  RSL24D1P11
# 87       UBA52

# [88 rows x 1 columns]

adata.var['ribo'] = adata.var_names.isin(ribo_genes[0].values)

接着计算qc指标

sc.pp.calculate_qc_metrics(adata, qc_vars=['mt', 'ribo'], percent_top=None, log1p=False, inplace=True)
adata.var.sort_values('n_cells_by_counts')

结果如下：

低表达过滤：

sc.pp.filter_genes(adata, min_cells=3)
adata.var.sort_values('n_cells_by_counts')
adata.obs.sort_values('n_genes_by_counts')

# 绘制小提琴图
sc.pl.violin(adata, ['n_genes_by_counts', 'total_counts', 'pct_counts_mt', 'pct_counts_ribo'], jitter=0.4, multi_panel=True)
plt.savefig(dir+"02-qc_violin.png")

结果图：

按照分位数来过滤细胞：

import numpy as np
upper_lim = np.quantile(adata.obs.n_genes_by_counts.values, .98)
#upper_lim = 3000
upper_lim
adata = adata[adata.obs.n_genes_by_counts < upper_lim]
adata.obs

过滤之后：

线粒体比例与核糖体比例：

adata = adata[adata.obs.pct_counts_mt < 20]
adata = adata[adata.obs.pct_counts_ribo < 2]
adata

过滤后：

View of AnnData object with n_obs × n_vars = 5489 × 24080
    obs: 'doublet', 'n_genes_by_counts', 'total_counts', 'total_counts_mt', 'pct_counts_mt', 'total_counts_ribo', 'pct_counts_ribo'
    var: 'mt', 'ribo', 'n_cells_by_counts', 'mean_counts', 'pct_dropout_by_counts', 'total_counts', 'n_cells'

标准化Normalization

标准化前后的区别可看：adata.X.sum(axis = 1)值的变化

adata.X.sum(axis = 1)

#normalize every cell to 10,000 UMI
sc.pp.normalize_total(adata, target_sum=1e4) 
adata.X.sum(axis = 1)

#change to log counts
sc.pp.log1p(adata) 
adata.X.sum(axis = 1)

adata.raw = adata

聚类Clustering

# 高变基因选择以及可视化
sc.pp.highly_variable_genes(adata, n_top_genes = 2000)
sc.pl.highly_variable_genes(adata)
plt.savefig(dir+"03-highly_variable_genes.png")

结果图：

选择主成分：

adata = adata[:, adata.var.highly_variable]
sc.pp.regress_out(adata, ['total_counts', 'pct_counts_mt', 'pct_counts_ribo'])
sc.pp.scale(adata, max_value=10)
sc.tl.pca(adata, svd_solver='arpack')
sc.pl.pca_variance_ratio(adata, log=True, n_pcs = 50)
plt.savefig(dir+"04-pca_variance.png")

结果图：

这里选择30个PCs，然后聚类：

sc.pp.neighbors(adata, n_pcs = 30)
sc.tl.umap(adata)
sc.pl.umap(adata)
plt.savefig(dir+"05-umap.png")

结果图：

使用leiden在低维空间可视化：

sc.tl.leiden(adata, resolution = 0.5)
sc.pl.umap(adata, color=['leiden'])
plt.savefig(dir+"05-umap_leiden.png")

结果图：聚成了11类

单个样本的分析演示到这里，下期进行所有样本整合分析~

读取数据

先定义一个函数，批量运行多个样本：这里一定要注意缩进问题

def pp(csv_path):    adata = sc.read_csv(csv_path).T    sc.pp.filter_genes(adata, min_cells = 10)    sc.pp.highly_variable_genes(adata, n_top_genes = 2000, subset = True, flavor = 'seurat_v3')    scvi.model.SCVI.setup_anndata(adata)    vae = scvi.model.SCVI(adata)    vae.train()    solo = scvi.external.SOLO.from_scvi_model(vae)    solo.train()    df = solo.predict()    df['prediction'] = solo.predict(soft = False)    df.index = df.index.map(lambda x: x[:-2])    df['dif'] = df.doublet - df.singlet    doublets = df[(df.prediction == 'doublet') & (df.dif > 1)]    adata = sc.read_csv(csv_path).T    adata.obs['Sample'] = csv_path.split('_')[2] #'raw_counts/GSM5226574_C51ctr_raw_counts.csv'    adata.obs['doublet'] = adata.obs.index.isin(doublets.index)    adata = adata[~adata.obs.doublet]    sc.pp.filter_cells(adata, min_genes=200) #get rid of cells with fewer than 200 genes    #sc.pp.filter_genes(adata, min_cells=3) #get rid of genes that are found in fewer than 3 cells    adata.var['mt'] = adata.var_names.str.startswith('mt-')  # annotate the group of mitochondrial genes as 'mt'    adata.var['ribo'] = adata.var_names.isin(ribo_genes[0].values)    sc.pp.calculate_qc_metrics(adata, qc_vars=['mt', 'ribo'], percent_top=None, log1p=False, inplace=True)    upper_lim = np.quantile(adata.obs.n_genes_by_counts.values, .98)    adata = adata[adata.obs.n_genes_by_counts < upper_lim]    adata = adata[adata.obs.pct_counts_mt < 20]    adata = adata[adata.obs.pct_counts_ribo < 2]    return adata

这个过程比较久，会依次读取GSE171524数据集中的26例样本，并进行上面的函数里面定义的分析。

这个过程中就可以跑去听听视频了。

import os# 注意dir改成自己的路径dir = '/path/data/GSE171524/'out = []for file in os.listdir(dir+'raw_counts/'):    out.append(pp(dir + 'raw_counts/' + file))

将多个样本连接合并在一起，合并后共有105264个细胞：

adata = sc.concat(out)adataAnnData object with n_obs × n_vars = 105264 × 29236    obs: 'Sample', 'doublet', 'n_genes', 'n_genes_by_counts', 'total_counts', 'total_counts_mt', 'pct_counts_mt', 'total_counts_ribo', 'pct_counts_ribo'    var: 'n_cells'

过滤并保存：

sc.pp.filter_genes(adata, min_cells = 10)from scipy.sparse import csr_matrixadata.X = csr_matrix(adata.X)adata.Xadata.write_h5ad(dir+'combined.h5ad')

预处理

先读取上次保存的数据：105264个细胞

import scanpy as scimport scviimport seaborn as snsimport numpy as npimport pandas as pdimport matplotlib.pyplot as plt# 注意dir改成自己的路径dir = '/path/data/GSE171524/'adata = sc.read_h5ad(dir+'combined.h5ad')adataAnnData object with n_obs × n_vars = 105264 × 29236    obs: 'Sample', 'doublet', 'n_genes', 'n_genes_by_counts', 'total_counts', 'total_counts_mt', 'pct_counts_mt', 'total_counts_ribo', 'pct_counts_ribo'    var: 'n_cells'

每个样本中的各种指标统计：

adata.obs.groupby('Sample').count()

共26个样本：

低表达过滤以及数据标准化

sc.pp.filter_genes(adata, min_cells = 100)adata.layers['counts'] = adata.X.copy()sc.pp.normalize_total(adata, target_sum = 1e4)sc.pp.log1p(adata)adata.raw = adata# 查看每个细胞的指标adata.obs.head()

结果图：

去Sample间的批次以及聚类

这个过程运行时间也会稍长一些

scvi.model.SCVI.setup_anndata(adata, layer = "counts", categorical_covariate_keys=["Sample"], continuous_covariate_keys=['pct_counts_mt', 'total_counts', 'pct_counts_ribo'])model = scvi.model.SCVI(adata)#may take a while without GPUmodel.train()adata.obsm['X_scVI'] = model.get_latent_representation()adata.layers['scvi_normalized'] = model.get_normalized_expression(library_size = 1e4)sc.pp.neighbors(adata, use_rep = 'X_scVI')sc.tl.umap(adata)sc.tl.leiden(adata, resolution = 0.5)sc.pl.umap(adata, color = ['leiden', 'Sample'], frameon = False)plt.savefig(dir+"01-intergration_umap.png")

结果图：

保存数据：

adata.write_h5ad(dir + 'integrated.h5ad')

差异表达分析

使用没有矫正的数据做差异表达分析

# 更改聚类数sc.tl.leiden(adata, resolution = 1)sc.tl.rank_genes_groups(adata, 'leiden')# 可视化sc.pl.rank_genes_groups(adata, n_genes=20, sharey=False)plt.savefig(dir+"02-intergration_rank_genes_groups.png", dpi=300)

部分cluster的top基因：

markers = sc.get.rank_genes_groups_df(adata, None)markers = markers[(markers.pvals_adj < 0.05) & (markers.logfoldchanges > .5)]markers# 保存markers.to_csv(dir+'markers.csv')

差异结果：

使用模型标准化后的值做差异表达分析：

markers_scvi = model.differential_expression(groupby = 'leiden')# 设定阈值markers_scvi = markers_scvi[(markers_scvi['is_de_fdr_0.05']) & (markers_scvi.lfc_mean > .5)]markers_scvi# 保存markers_scvi.to_csv(dir+'scvi_markers.csv')

结果：

重新聚类后的结果可视化：总共得到34个cluster

sc.pl.umap(adata, color = ['leiden'], frameon = False, legend_loc = "on data")plt.savefig(dir+"02-intergration_umap_1.png")## 有多少clusteradata.obs['leiden']#Name: leiden, Length: 105264, dtype: category#Categories (34, object): ['0', '1', '2', '3', ..., '30', '31', '32', '33']

结果图：

细胞类型注释

文章中进行了三次注释，第一次注释大类，主要为9个类：

这几个类的基因文章中没有提供，就用我们自己收集的基因来进行注释好了。

在视频资源中，视频speaker老师给了一张图：是目前免疫细胞分类很详细的一张图了：

https://learn.cellsignal.com/hubfs/landing-pages/2019/18-IMM-18284/18-IMM_18284-Human%20Markers%20PWHO-digital.pdf

基因可视化：

markers = ['EPCAM','KRT8','KRT18','KRT19',  # epithelial cells          'CD68', 'CTSS', 'FCN1','CD163',   # myeloid cells          'ACTA2', 'DCN', 'ACTB' , # fibroblasts          'PECAM1','CD34','VWF',   # endothelial cells          'PTPRC','CD3D','CD3E','CD3G','CD8A', 'CD4', # T and natural killer (NK) lymphocytes          'CD79A', 'MS4A1','CD19',  # B lymphocytes and plasma cells          'SNAP25', 'SYT1',         # neuronal cells          'CPA3',                   # mast cells          'CST3', 'LAMP3', 'HLA-DQB2', 'HLA-DPB1', 'BIRC3', # antigen-presenting cells (APCs; primarily dendritic cells)           'MKI67','TOP2A', # Cycling           'HBB','HBD'     # Erythroid          ]# 看某一个基因的表达情况markers[markers.names=="HBB"]markers[markers.group=="30"]#, layer = 'scvi_normalized'# , vmax = 5sc.pl.umap(adata, color = ["HBB"], frameon = False, layer = 'scvi_normalized', vmax =4)plt.savefig(dir+"03-intergration_umap_Erythroid_1.png")

以marker为基础，绘制如下类似图，vmax参数可以进行调整让结果看起来更明显，注视不出来的可以看看每个cluster高表达的基因，查一查功能就立马可以推断出来了：

结合marker表达以及cluster特异性高表达基因：

细胞注释如下：

for x in range(0,34):    print(f'"{x}":"", ')cell_type = {"0":"T Cell","1":"Epithelial Cell","2":"Myeloid Cell","3":"Fibroblast","4":"Myeloid Cell","5":"T Cell","6":"Myeloid Cell","7":"Epithelial Cell","8":"Endothelial","9":"Fibroblast","10":"Myeloid Cell","11":"pDC","12":"Epithelial Cell","13":"Fibroblast","14":"Fibroblast","15":"Epithelial Cell","16":"Epithelial Cell","17":"Myeloid Cell","18":"Epithelial Cell","19":"Epithelial Cell","20":"Neuronal Cell","21":"Epithelial Cell","22":"B Cell","23":"Mast Cell","24":"T Cell","25":"pDC","26":"Myeloid Cell","27":"Endothelial","28":"Fibroblast","29":"Myeloid Cell","30":"Erythroid","31":"B Cell","32":"Neuronal Cell","33":"Myeloid Cell"}

adata.obs['cell type'] = adata.obs.leiden.map(cell_type)sc.pl.umap(adata, color = ['cell type'], frameon = False, legend_loc = "on data")plt.tight_layout()plt.savefig(dir+"04-intergration_umap_anno.png", dpi=300)adataadata.uns['scvi_markers'] = markers_scviadata.uns['markers'] = markers# 保存adata.write_h5ad(dir + 'integrated_anno.h5ad')model.save(dir + 'model.model')

细胞注释结果如下：

这里注释出来了一串文献中没有的红细胞。

文献中的Fig1如下：

Fig1

如果要绘制Fig1，需要对上次笔记(Python图文复现2022|03-多样本整合分析)中的注释再进行进一步的详细注释，上次注释结果：

数据读取

import scanpy as sc
import scvi
import seaborn as sns
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt

# 注意dir改成自己的路径
dir = '/dir/data/GSE171524/'
adata = sc.read_h5ad(dir+'integrated_anno.h5ad')
adata

详细注释

marker采用来自数据库：PanglaoDB https://panglaodb.se/

首先是B，T/NK细胞，有：

• CD4+ T cells：CD4
• CD8+ T cells：CD8A, CD8B
• NK/T cells：NCAM1
• Plasma cells：MZB1

上皮群：

• AT1：AGER
• AT2：SFTPC
• Airway epithelial：SEC14L3, CDH1

髓系：

• Macrophages：MRC1
• Dendritic cells：ZBTB46
• Monocytes：APOBEC3A

基质细胞：

• smooth muscle cells：RGS5，ACTA2

markers = adata.uns['markers']

# 看某一个基因的表达情况
markers[markers.names=="RGS5"]

#, layer = 'scvi_normalized'
# , vmax = 5
sc.pl.umap(adata, color = ["RGS5"], frameon = False, layer = 'scvi_normalized', vmax =2)
plt.savefig(dir+"03-intergration_umap_gene_RGS5.png")

先给出每个cluster编号以及需要填充的空格，在后续的操作中这个地方会填上每个注释结果：

for x in range(0,34):
    print(f'"{x}":"", ')

cell_type_sub = {"0":"CD4+ T cells",
"1":"AT1",
"2":"Macrophages",
"3":"Fibroblast",
"4":"Macrophages",
"5":"CD8+ T cells",
"6":"Macrophages",
"7":"AT2",
"8":"Endothelial",
"9":"Fibroblast",
"10":"Macrophages",
"11":"Plasma cells",
"12":"AT2",
"13":"Fibroblast",
"14":"Fibroblast",
"15":"AT2",
"16":"Airway epithelial",
"17":"Macrophages",
"18":"Airway epithelial",
"19":"AT2",
"20":"Neuronal Cell",
"21":"Airway epithelial",
"22":"B Cell",
"23":"Mast Cell",
"24":"Cycling T/NK",
"25":"Plasma cells",
"26":"DCs",
"27":"Endothelial",
"28":"smooth muscle cells",
"29":"Monocytes",
"30":"Erythroid",
"31":"B Cell",
"32":"Neuronal Cell",
"33":"Macrophages"
}

注释后：

adata.obs['cell type_sub'] = adata.obs.leiden.map(cell_type_sub)
sc.pl.umap(adata, color = ['cell type_sub'], frameon = False, legend_loc = "on data")
plt.tight_layout()
plt.savefig(dir+"04-intergration_umap_anno_sub.png", dpi=300)

# 保存
adata.write_h5ad(dir + 'integrated_anno.h5ad')

详细注释结果如下：

绘制C、D图

首先对细胞进行计数：

# adata = sc.read_h5ad('integrated.h5ad')
adata.obs.Sample.unique().tolist()

# 添加一列细胞的样本来源
def map_condition(x):
    if 'cov' in x:
        return 'COVID19'
    else:
        return 'Control'

adata.obs['condition'] = adata.obs.Sample.map(map_condition)
adata.obs

结果图：

# 每个样本中的细胞数统计
num_tot_cells = adata.obs.groupby(['Sample']).count()
num_tot_cells = dict(zip(num_tot_cells.index, num_tot_cells.doublet))
num_tot_cells

# {'C51ctr': 10934, 'C52ctr': 3967, 'C53ctr': 6076, 'C54ctr': 3860, 'C55ctr': 5110, 'C56ctr': 3609, 'C57ctr': 4307, 'L01cov': 2737,'L03cov': 3604, 'L04cov': 3056, 'L04covaddon': 4073, 'L05cov': 2435, 'L06cov': 5657, 'L07cov': 4217, 'L08cov': 3473, 'L09cov': 3075, 'L10cov': 2713, 'L11cov': 2531, 'L12cov': 3259, 'L13cov': 4244, 'L15cov': 3516, 'L16cov': 1600, 'L17cov': 3937, 'L18cov': 2392, 'L19cov': 2135, 'L21cov': 2961, 'L22cov': 5786}

cell_type_counts = adata.obs.groupby(['Sample', 'condition', 'cell type']).count()
cell_type_counts = cell_type_counts[cell_type_counts.sum(axis = 1) > 0].reset_index()
cell_type_counts = cell_type_counts[cell_type_counts.columns[0:4]]
cell_type_counts

#      Sample condition        cell type  doublet
# 0    C51ctr   Control           B Cell       70
# 1    C51ctr   Control      Endothelial     1153
# 2    C51ctr   Control  Epithelial Cell     3711
# 3    C51ctr   Control       Fibroblast     1497
# 4    C51ctr   Control        Mast Cell      290
# ..      ...       ...              ...      ...
# 246  L22cov   COVID19        Mast Cell        7
# 247  L22cov   COVID19     Myeloid Cell     1663
# 248  L22cov   COVID19    Neuronal Cell       83
# 249  L22cov   COVID19           T Cell     1379
# 250  L22cov   COVID19              pDC      510

# [251 rows x 4 columns]


# 计算频率
cell_type_counts['total_cells'] = cell_type_counts.Sample.map(num_tot_cells).astype(int)
cell_type_counts['frequency'] = cell_type_counts.doublet / cell_type_counts.total_cells
cell_type_counts

每种细胞类型在COVID19与control两种条件下的频率差异：

绘图：

plt.figure(figsize = (10,4))
ax = sns.boxplot(data = cell_type_counts, x = 'cell type', y = 'frequency', hue = 'condition')
plt.xticks(rotation = 35, rotation_mode = 'anchor', ha = 'right')
plt.tight_layout()
plt.savefig(dir+"05-intergration_Fig1D.png", dpi=300)

结果图如下：

C图如下：

sc.pl.umap(adata, color = ['cell type_sub','condition'], frameon = False, legend_loc = "on data")
plt.savefig(dir+"05-intergration_Fig1B_C.png", dpi=300)

结果图如下：

下期见~

本次绘制图C：

Differential gene expression (log-normalized, scaled; see Methods) of AT1 and AT2 cells from COVID-19 and control lungs. Columns, single cells; rows, expression of top-regulated genes. Left bar, lineage markers for AT1 (purple) and AT2 (pink) cells. Colour-coded top lanes indicate expression strength of signatures (log-normalized; see Methods) and group assignment as indicated on the right. exp., expression

数据读取

import scanpy as sc
import scvi
import seaborn as sns
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt

# 注意dir改成自己的路径
dir = '/dir/data/GSE171524/'
adata = sc.read_h5ad(dir+'integrated_anno.h5ad')
adata

差异分析

首先提取注释到的AT1与AT2

subset = adata[adata.obs['cell type_sub'].isin(['AT1', 'AT2'])].copy()
subset

总共20741个细胞

差异分析可使用SCVI or diffxpy来做

diffxpy方法差异分析

这里需要安装diffxpy这个包，还比较麻烦。需要安装在scanpy的conda环境中，安装如下：

# 先安装依赖 batchglm 需要安装以前的版本：https://pypi.org/project/batchglm/#history 找到0.7.4版本，下载到本地
tar -zxvf batchglm-0.7.4.tar.gz
cd batchglm-0.7.4
pip install -e .

# 再安装 diffxpy
# 下载包到本地：https://github.com/theislab/diffxpy
unzip diffxpy-master.zip
cd diffxpy-master
pip install -e .

这样就安装成功了：

# two options: SCVI or diffxpy
import diffxpy.api as de

subset.X = subset.X.toarray()
len(subset.var)
#20858

# 低表达过滤
sc.pp.filter_genes(subset, min_cells=100)
len(subset.var)
#13412

# 修改一下细胞注释的列名
subset.obs = subset.obs.rename(columns = {'cell type_sub':'cell_type_sub'})
subset.obs

差异分析：

#if want to test between covid/non covid
# res = de.test.wald(data=subset,
#              formula_loc= '~ 1 + condition',
#              factor_loc_totest='condition'
#                   )

res = de.test.wald(data=subset,
             formula_loc= '~ 1 + cell_type_sub',
             factor_loc_totest='cell_type_sub'
                  )

dedf = res.summary().sort_values('log2fc', ascending = False).reset_index(drop = True)
dedf

结果如下：

查看谁是实验组，谁是对照组，并调整为 AT1 vs AT2

subset.obs.cell_type_sub.unique()

# ['AT2', 'AT1']
# Categories (2, object): ['AT1', 'AT2']

most_up = dedf.iloc[0].gene
i = np.where(subset.var_names == most_up)[0][0]

a = subset[subset.obs.cell_type_sub == 'AT1'].X[:, i]
b = subset[subset.obs.cell_type_sub == 'AT2'].X[:, i]
print(f"{most_up} expression:")
print(f"AT1: {a.mean()}")
print(f"AT2: {b.mean()}")

# THBS2 expression:
# AT1: 0.0
# AT2: 0.04352555051445961


dedf['log2fc'] = dedf['log2fc']*-1
dedf = dedf.sort_values('log2fc', ascending = False).reset_index(drop = True)
dedf

结果图：

挑选显著差异结果：

dedf = dedf[(dedf.qval < 0.05) & (abs(dedf.log2fc) > .5)]
dedf

结果图如下，有4836个显著差异表达基因：

卡表达值：

dedf = dedf[dedf['mean'] > 0.15]
dedf

还有1095个基因：

选择top50个基因绘制热图：

#top 25 and bottom 25 from sorted df
genes_to_show = dedf[-25:].gene.tolist() + dedf[:25].gene.tolist() 
sc.pl.heatmap(subset, genes_to_show, groupby='cell_type_sub', swap_axes=True)
plt.savefig(dir+"06-intergration_heatmap.png")

结果图：

scvi方法差异分析

# 加载上一次保存的模型
model  = scvi.model.SCVI.load(dir+ 'model.model', adata)
model

# 差异分析
scvi_de = model.differential_expression(
    idx1 = [adata.obs['cell type_sub'] == 'AT1'],
    idx2 = [adata.obs['cell type_sub'] == 'AT2']
    )

scvi_de

# 显著性结果筛选
scvi_de = scvi_de[(scvi_de['is_de_fdr_0.05']) & (abs(scvi_de.lfc_mean) > .5)]
scvi_de = scvi_de.sort_values('lfc_mean')
scvi_de


# 表达筛选
scvi_de = scvi_de[(scvi_de.raw_normalized_mean1 > .5) | (scvi_de.raw_normalized_mean2 > .5)]
scvi_de

最终筛选到952个基因：

#top 25 and bottom 25 from sorted df
genes_to_show = scvi_de[-25:].index.tolist() + scvi_de[:25].index.tolist() 
sc.pl.heatmap(subset, genes_to_show, groupby='cell_type_sub', swap_axes=True, layer = 'scvi_normalized',log = True)
plt.savefig(dir+"06-intergration_heatmap_scvi.png")

结果图如下：

结果保存

dedf.to_csv(dir+'dedf.csv')
scvi_de.to_csv(dir+'scvi_de.csv')

下次见~

数据读取

import scanpy as sc
import scvi
import seaborn as sns
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt

# 注意dir改成自己的路径
dir = '/dir/data/GSE171524/'
adata = sc.read_h5ad(dir+'integrated_anno.h5ad')
adata

# 添加一列细胞的样本来源，上次没保存这个
def map_condition(x):
    if 'cov' in x:
        return 'COVID19'
    else:
        return 'Control'

adata.obs['condition'] = adata.obs.Sample.map(map_condition)
adata.obs

# 提取注释到的AT1与AT2
subset = adata[adata.obs['cell type_sub'].isin(['AT1', 'AT2'])].copy()
subset

# 差异分析结果
dedf = pd.read_csv(dir + 'dedf.csv', index_col=0)
scvi_de = pd.read_csv(dir + 'scvi_de.csv', index_col=0)

富集分析

接下来对AT1 vs AT2的差异表达基因进行功能富集分析。

python中使用的是gseapy包进行功能富集分析，需要安装在scanpy的conda环境中，并且这个包需要在联网状态下使用：

# this method requires internet connection
# 安装：conda install -c bioconda gseapy -y
import gseapy as gp 

# 查看包中都有哪些功能数据库集合
gp.get_library_name()

enr = gp.enrichr(gene_list= dedf[dedf.log2fc > 0].gene.tolist(),
                 gene_sets=['KEGG_2021_Human','GO_Biological_Process_2021'],
                 organism='human', # don't forget to set organism to the one you desired!
                 outdir=None, # don't write to disk,
                 background = subset.var_names.tolist()
                )

enr.results

结果如下：

比较：Fig 3-d-e

subset.obs = subset.obs.rename(columns = {'cell type_sub':'cell_type_sub'})

sc.pl.violin(subset[subset.obs.cell_type_sub == 'AT2'], 'ETV5', groupby='condition')
plt.savefig(dir+"07-intergration_condition_ETV5.png")

结果图如下：

查看基因ETV5在两组中的表达显著性：使用mannwhitneyu进行检验

from scipy import stats
temp = subset[subset.obs.cell_type_sub == 'AT2']
i = np.where(temp.var_names == 'ETV5')[0][0]

a = temp[temp.obs.condition == 'COVID19'].X[:,i].todense()
b = temp[temp.obs.condition == 'Control'].X[:,i].todense()

stats.mannwhitneyu(a, b)

结果如下：MannwhitneyuResult(statistic=array([[17353149.]]), pvalue=array([[2.10908943e-171]]))

对DATP signature打分：Fig 3g

首先从文献的补充材料table S4的找到signature集合：our_DATP_sig，总共163个基因

另存为：datp_sig.txt，不要表头

这个基因集是什么来头呢，文中描述如下：

Recent studies have shown that inflammation can induce a cell state that is characterized by failure to fully transition to AT1 cells; this has been termed ‘damage-associated transient progenitors’ (DATPs), ‘alveolar differentiation intermediate’ (ADI), or ‘pre-AT1 transitional cell state’ (PATS)25–27 (hereafter referred to as DATPs)

现在想看DATPs这个基因集在AT1/AT2中不同分组COVID-19和Control的打分情况，是否支持：incomplete transition of AT2 to AT1 cells in COVID-19 lungs（在肺再生过程中，AT2细胞作为AT1细胞的祖细胞）与 除了病毒感染直接破坏肺泡上皮外，COVID-19患者的肺再生过程也受到损害 。

#gene signature, ie, input list of genes from user
with open(dir + 'datp_sig.txt') as f:
    datp_sig = [x.strip() for x in list(f)]
    
sc.tl.score_genes(subset, datp_sig, score_name = 'datp')
subset.obs

现在可以看到数据中多了一列datp的打分：

打分可视化：

sc.pl.violin(subset, 'datp', groupby='condition')
plt.savefig(dir+"08-intergration_datp_sig.png")

结果如下：

显著性检验：

a = subset[subset.obs.condition == 'COVID19'].obs.datp.values
b = subset[subset.obs.condition == 'Control'].obs.datp.values
stats.mannwhitneyu(a, b)

# 结果
# MannwhitneyuResult(statistic=77312171.0, pvalue=0.0)

# 将打分UMAP可视化
sc.pl.umap(subset, color = 'datp', vmax = 0.5)
plt.savefig(dir+"09-intergration_datp_sig_umap.png")

结果图如下：

本次国庆特刊单细胞python图文复现到此更新完毕，关于结果解读，如为什么选择绘制基因ETV5、CAV1在AT1/AT2不同分组COVID19 vs Control中的表达等等，视频中对文献结果的解读更精彩，可前往观看~