九月学徒ChIP-seq学习成果展（6万字总结）（下篇）

生信技能树单细胞天地 2022-06-07

学徒第4周是ChIP-seq数据分析实战训练，讲义大纲文末的阅读原文，配套视频在B站：

九月学徒已经结业，表现还不错，学了几个NGS组学数据处理加上部分单细胞，随机安排的文献数据处理图表复现也完成的还不赖，昨天在生信技能树的WGCNA代码就是他写的；重复一篇WGCNA分析的文章（代码版）

因为公众号排版真的是力气活，同样我也是逼着学徒自己排版的，反正这辈子就苦这么一回！“作词作曲”都是他自己！

因为学徒提交作业实在是太长，超过了微信公众号发完限制，所以分成上下文！

上游数据分析在主页，现在我们一起来看看次页的下游分析！

下游Chip-seq数据分析

1.Y叔的R包学习——注释

参考y叔的ChIP-seq数据分析大礼包

示例：

library(ChIPseeker)
library(ggplot2)
library(dplyr)
library(org.Hs.eg.db)

require(ChIPseeker)
f <- getSampleFiles()[[4]]#.bed文件,这里用包里的测试数据
require(TxDb.Hsapiens.UCSC.hg19.knownGene)
txdb <- TxDb.Hsapiens.UCSC.hg19.knownGene#TxDb文件
#注释主体
x <- annotatePeak(f, tssRegion=c(-1000, 1000), TxDb=txdb)#x为输出对象

这里需要注意的是，启动子区域是没有明确的定义的，所以你可能需要指定tssRegion，把基因起始转录位点的上下游区域来做为启动子区域。
有了这两个输入（BED文件和TxDb对象），你就可以跑注释了，然后就可以出结果了。

1.1.ChIPseeker包输入文件

.bed文件
由上游测序数据处理而来
TxDb文件
TxDb.Hsapiens.UCSC.hg19.knownGene
同名的包中含有相应的文件，直接引用即可，同样hg38也有同名的包，Bioconductor提供了30个TxDb包，可以供我们使用。要与测序数据比对一致
如果实在没有TxDb呢？
使用GenomicFeatures包函数来制作TxDb对象（这也是为什么说ChIPseeker支持所有物种）
示例：
require(GenomicFeatures) hg19.refseq.db <- makeTxDbFromUCSC(genome="hg19", table="refGene")

makeTxDbFromUCSC：通过UCSC在线制作TxDb
makeTxDbFromBiomart: 通过ensembl在线制作TxDb
makeTxDbFromGRanges：通过GRanges对象制作TxDb
makeTxDbFromGFF：通过解析GFF文件制作TxDb

1.2.ChIPseeker包输出文件

1.2.1.查看输出文件

X
在R里打输出的对象，它会告诉我们ChIPseq的位点落在基因组上什么样的区域，分布情况如何。

   > x
   Annotated peaks generated by ChIPseeker
   1331/1331  peaks were annotated
   Genomic Annotation Summary:
                Feature  Frequency
   9           Promoter 48.1592787
   4             5' UTR  0.7513148
   3             3' UTR  4.2073629
   1           1st Exon  0.7513148
   7         Other Exon  3.9068370
   2         1st Intron  3.6814425
   8       Other Intron  7.7385424
   6 Downstream (<=3kb)  1.1269722
   5  Distal Intergenic 29.6769346

as.GRanges(x) %>% head(5)
查看具体信息，会显示出每个peak的位置，所在的区域

1570289448158

1.2.2.输出文件解读

genomic annotation注释：annotation列，注释的是peak的位置，它落在什么地方了，可以是UTR，可以是内含子或者外显子
nearest gene annotation（最近基因）注释：多出来的其它列，注释的是peak相对于转录起始位点（TSS）的距离，不管这个peak是落在内含子或者别的什么位置上，即使它落在基因间区上，都能够注释到一个离它最近的基因（即使它可能非常远）

针对于不同的转录本，一个基因可能有多个转录起始位点，所以注释是在转录本的水平上进行的，可以看到输出有一列是transcriptId

两种注释策略面对不同的研究对象，第一种策略，peak所在的位置可能就是调控本身（比如你要做可变剪切的，最近基因的注释显然不是你关注的点）；而做基因表达调控的，当然promoter区域是重点，离结合位点最近的基因更有可能被调控。

1.3.annotatePeak函数的参数

1.3.1.搜索peak上下游基因

想看peak上下游某个范围内（比如说-5k到5k的距离）都有什么基因：

addFlankGeneInfo=TRUE联合使用flankDistance=5000
peak位置-5k到5k的距离内所包含的基因
解析：输出中多三列: flank_txIds, flank_geneIds和flank_gene_distances，在指定范围内所有的基因都被列出，但是ID很不友好，看不出什么有用的信息，使用下面的参数会解决这个问题。

1.3.2.注释peak上下游基因

annoDb='org.Hs.eg.db'参数

注释后会多出三列信息

ENSEMBL：不解释
SYMBOL：不解释
GENENAME：基因描述信息

1.3.3.正负链分开注释（少用）

sameStrand=TRUE

默认FALSE，ChIPseq数据通常情况下是没有正负链信息，但不排除特殊情况，可以给你的peak分别赋正负链，然后传入sameStrand=TRUE，分开做两次，你就可以分开拿到正链和负链的最近基因。总之，较少见

1.3.4.nearest相对整个基因

ignoreOverlap=TRUE

忽略当peak和TSS有overlap时，两种注释都指向同一个基因的冗杂信息，最近基因会去找不overlap的

overlap=”TSS”

最近基因是相对于TSS

overlap=”all”

最近基因是相对于整个基因

1.3.5.只想注释上游或者是下游的基因

只想注释上游：ignoreDownstream = T

只想注释下游：ignoreUpstream = T

注：默认都是FALSE

1.4.注释文件导出

as.data.frame就可以转成data.frame，然后就可以用write.table

2.Y叔的R包学习——可视化

参考CS6: ChIPseeker的可视化方法

2.1.载入必要的包

library(ggplot2)
library(dplyr)
library(org.Hs.eg.db)
library(ChIPseeker)
require(TxDb.Hsapiens.UCSC.hg19.knownGene)

#Vennerable包没有镜像，需要从github下载安装
require(Vennerable, character.only = TRUE)
library(devtools)
install_github("js229/Vennerable")


txdb <- TxDb.Hsapiens.UCSC.hg19.knownGene

2.2.观察peaks在染色体的分布

covplot函数可以直接接受macs2-callpeak的输出bed文件进行画图。

函数返回的图中，每个竖线表示一个peaks在染色体的位置，线的宽度表示peaks在染色体的分布范围。

原始示例数据3：

1570329971545

把peaks数目只留下10行

1570330011350

修改其中9号染色体上peaks的范围，将其改大为chr9 2000 24381608。

1570330123157

#这里用的是包内置数据
library(ChIPseeker)
library(ggplot2)

files <- getSampleFiles()
#绘制第四个样本peaks在染色体上的分布
covplot(files[[4]])

#分别绘制不同样本上的peaks分布图
peak<-GenomicRanges::GRangesList(CBX6=readPeakFile(files[[4]]),
                                 CBX7=readPeakFile(files[[5]]))
covplot(peak, weightCol="V5") + facet_grid(chr ~ .id)

#具体到指定染色体上的指定范围
covplot(peak, weightCol="V5", chrs=c("chr17", "chr18"), xlim=c(4e7, 5e7))+ facet_grid(chr ~ .id)

#covplot选项：
#chrs    指定想要展示染色体，默认为全部
#xlim    指定x轴坐标范围，即染色体的范围
#如果需要ggplot刻面展示，不同样本是用id来表示

不同样本的分布图（先用GenomicRanges::GRangesList构建对象）

1570330279933

2.3.固定窗口的peaks分布

library(ChIPseeker)
require(TxDb.Hsapiens.UCSC.hg19.knownGene)
txdb <- TxDb.Hsapiens.UCSC.hg19.knownGene
files <- getSampleFiles()
peak <- readPeakFile(files[[4]])
#选择promoter区作为窗口，使用转录起始位点，然后指定上下游，使用getPromoters函数，通过提取数据库里的数据，找到promoters区域上下游3000bp范围，准备好窗口
promoter <- getPromoters(TxDb=txdb, 
    upstream=3000, downstream=3000)
#使用getTagMatrix函数，把peak比对到这个窗口，并生成矩阵，供分析、可视化
tagMatrix <- getTagMatrix(peak,windows=promoter)

tagHeatmap(tagMatrix, xlim=c(-3000, 3000), 
    color="red")

#peakHeatmap函数只要给文件名，就可以直接出peaks的热图，是针对promoter区上下游的窗口进行绘图
peakHeatmap(files,TxDb=txdb,
            upstream=3000, downstream=3000, 
            color=rainbow(length(files)))

经过修改示例文件3，只保留前30行，发现tagMatrix结果没有数据。说明了上述步骤是需要找到在promoter区域上下游3000bp范围内的peaks进行展示。

修改这个文件第一行chr11 114049934 114050346为chr11 1140 114050346后在进行同样的操作：

1570332880801

可以认为由于修改了这个peak值的范围，所以找到了这个peak，但是因为范围比较大，就把在Promoter上下游3000bp范围内全部给覆盖了。如果有空，可以考虑先从TxDb.Hsapiens.UCSC.hg19.knownGene找到promoter的坐标，然后修改一个peak的范围再次进行展示实验。

使用正常的示例文件4进行绘制热图展示：

1570333070461

2.4.谱图的形式来展示结合的强度

两种方式：

#方式一：直接从原始文件出相同的图
plotAvgProf2(files[[4]], TxDb=txdb, 
             upstream=3000, downstream=3000,
             xlab="Genomic Region (5'->3')", 
             ylab = "Read Count Frequency")

#方式二：
peak <- readPeakFile(files[[4]])
#选择promoter区作为窗口，使用转录起始位点，然后指定上下游，使用getPromoters函数，通过提取数据库里的数据，找到promoters区域上下游3000bp范围，准备好窗口
promoter <- getPromoters(TxDb=txdb, 
                         upstream=3000, downstream=3000)
#使用getTagMatrix函数，把peak比对到这个窗口，并生成矩阵，供分析、可视化
tagMatrix <- getTagMatrix(peak,windows=promoter)

plotAvgProf(tagMatrix, xlim=c(-3000, 3000),
            xlab="Genomic Region (5'->3')", 
            ylab = "Read Count Frequency")

#添加置信区间
plotAvgProf(tagMatrix, xlim=c(-3000, 3000), 
            conf = 0.95, resample = 1000)

#峰高证明结合的紧密

1570334187029

加上了置信区间：

1570334202334

ChIPseeker还提供了getBioRegion函数，你可以指定’exon’或’intron’，它会像getPromoters一样为你准备好数据，即使这不是你感兴趣的，你也依然可以用它来准备窗口，然后可视化看一下。

2.5.注释信息的可视化

主要就是注释一下，peaks峰落在的区域的分布，看看都落在了哪里

#整个对象
peakAnno <- annotatePeak(files[[4]], 
    tssRegion=c(-3000, 3000),
    TxDb=txdb, annoDb="org.Hs.eg.db")
#饼图
plotAnnoPie(peakAnno)
#柱状分布图
plotAnnoBar(peakAnno)
#vennpie
vennpie(peakAnno)
#UpSetR
upsetplot(peakAnno)
upsetplot(peakAnno, vennpie=TRUE)#融合vennpie

plotAnnoPie

1570340148847

plotAnnoBar

1570340181116

vennpie

1570340197551

upsetplot，还可以使用vennpie=T这个参数将上面的vennpie图放到upset图的左上角（但是我画的时候一直报错，说空间太小，把画布拉大了也还是不行，没找到原因）

1570340214709

3.Y叔的R包学习——peak注释到的基因KEGG

library(ChIPseeker)
library(clusterProfiler)
library(TxDb.Hsapiens.UCSC.hg19.knownGene)
txdb <- TxDb.Hsapiens.UCSC.hg19.knownGene

bedfile=getSampleFiles()
seq=lapply(bedfile, readPeakFile)
genes=lapply(seq, function(i) 
  seq2gene(i, c(-1000, 3000), 3000, TxDb=txdb))

cc = compareCluster(geneClusters = genes, 
                    fun="enrichKEGG", organism="hsa")

dotplot(cc, showCategory=10)

4.自己结果的peaks注释

1570088544387

经过前面的ChIP-seq测序数据处理的常规分析，得到了BED格式的peaks记录文件，我选取的这篇文章里面做了2次ChIP-seq实验，分别是：

一个野生型MCF7细胞系的 BAF155 immuno precipitates和一个突变型MCF7细胞系的 BAF155 immuno precipitates，这样通过比较野生型和突变型MCF7细胞系的 BAF155 immuno precipitates的不同结果就知道该细胞系的BAF155 突变，对它在全基因组的结合功能的影响。

得到的文件有：

2.5K Oct  4 17:44 Xu_MUT_rep2_rmdup_summits.bed
2.4K Oct  4 17:20 Xu_MUT_rep2_sort_summits.bed
3.3K Oct  4 17:43 Xu_WT_rep1_rmdup_summits.bed
3.2K Oct  4 17:19 Xu_WT_rep1_sort_summits.bed

每个BED的peaks记录，本质是就3列是需要我们注意的，就是染色体，以及在该染色体上面的起始和终止坐标，如下，而peak calling的MACS输出bed文件默认是前5列，其中第五列指的是片段堆积的峰高：

chr1    121485178   121485179   Xu_MUT_rep2_rmdup_peak_1    169.64561
chr10    42385559    42385560    Xu_MUT_rep2_rmdup_peak_2    28.26733
chr10   42387315    42387316    Xu_MUT_rep2_rmdup_peak_3    21.20116
chr10   42392730    42392731    Xu_MUT_rep2_rmdup_peak_4    24.90387
chr10   42599794    42599795    Xu_MUT_rep2_rmdup_peak_5    13.26007
chr11   18127886    18127887    Xu_MUT_rep2_rmdup_peak_6    5.11958
chr12   107104197    107104198   Xu_MUT_rep2_rmdup_peak_7    4.89626
chr16   46392027    46392028    Xu_MUT_rep2_rmdup_peak_8    18.40010
#~~~内容过多，无法全部展示~~~

我们所谓的peaks注释，就是想看看该peaks在基因组的哪一个区段，看看它们在各种基因组区域(基因上下游，5,3端UTR，启动子，内含子，外显子，基因间区域，microRNA区域)分布情况，但是一般的peaks都有近万个，所以需要批量注释。

这里我们使用Y叔的Chipseeker包：

library(ChIPseeker)
library(ggplot2)
library(dplyr)
library(org.Hs.eg.db)

rm(list = ls())
options(stringsAsFactors = F)

file=list.files("bedfile/")
filepath=file.path("bedfile",file)
filepath

require(ChIPseeker)
require(TxDb.Hsapiens.UCSC.hg19.knownGene)
txdb <- TxDb.Hsapiens.UCSC.hg19.knownGene#TxDb文件
require(clusterProfiler) 

##循环比对
for (bedPeaksFile in filepath) {
  peak=readPeakFile( bedPeaksFile )
  peakAnno=annotatePeak(peak, tssRegion=c(-3000, 3000), 
                           TxDb=txdb, annoDb="org.Hs.eg.db") 
  peakAnno_df=as.data.frame(peakAnno)
  write.table(peakAnno_df,sep = "\t",row.names = F,file = paste0(basename(bedPeaksFile),".xls"))
}

5.寻找motif

背景

motif是比较有特征的短序列，会多次出现的，一般认为它的生物学意义重大，做完CHIP-seq分析之后，一般都会寻找motif 。

motif的定义如下：

motif: recurring pattern. eg, sequence motif, structure motif or network motif
DNA sequence motif: short, recurring patterns in DNA that are presumed to have a biological function.
从上边的定义可以看出，其实motif这个单词就是形容一种反复出现的模式，而序列motif往往是DNA上的反复出现的模式，并被假设拥有生物学功能。而且，经常是一些具有序列特异性的蛋白的结合位点（如，转录因子）或者是涉及到重要生物过程的（如，RNA 起始，RNA 终止， RNA 剪切等等）。

motif最先是通过实验的方法发现的，换句话说，不是说有了ChIP-seq才有了motif分析，起始很早人们就开始研究motif了！例如，'TATAAT’ box在1975年就被pribnow发现了，它与上游的‘TTGACA’motif是RNA聚合酶结合位点的特异性序列。而且，当时的人们就知道，不是所有的结合位点都一定完美地与motif匹配，大部分都只匹配了12个碱基中的7-9个。结合位点与motif的匹配程度往往也与蛋白质与DNA的结合强弱有关。

目前被人们识别出来的motif也越来越多，如TRANSFAC和JASPAR数据库都有着大量转录因子的motif。而随着ChIP-seq数据的大量产出，motif的研究会进一步深入，有一些课题组会将现有的ChIP-seq数据进行整合，提供更全面，更准确的motif数据库。

一篇文献列出了2014年以前的近乎所有知名的A survey of motif finding Web tools for detecting binding site motifs in ChIP-Seq data 链接见：https://biologydirect.biomedcentral.com/articles/10.1186/1745-6150-9-4

利用homer进行peaks的注释和寻找motif

首先下载数据库：

perl ~/miniconda2/share/homer-4.10-0/configureHomer.pl -install hg19 &

下载成功后会多出 ~/miniconda2/share/homer-4.10-0/data/genomes/hg19/ 文件夹, 共 5.9G

这个文件夹取决于你把homer这个软件安装到了什么地方。

利用homer进行寻找motif：

因为homer对输入文件有格式要求，所以需要对call peaks的输出文件进行格式转换：

awk '{print $4"\t"$1"\t"$2"\t"$3"\t+"}' Xu_MUT_rep2_rmdup_summits.bed >homer_peaks.tmp

这里可以格式修改一起写到脚本中，利用循环在批量处理。

mkdir /project/home/lyang/ChIP-seq_test/motif && cd /project/home/lyang/ChIP-seq_test/motif
ln -s ../6.macs2-callpeak/bedfile ./


for id in bedfile/*.bed;
do
echo $id
file=$(basename $id )
sample=${file%%.*} 
echo $sample

awk '{print $4"\t"$1"\t"$2"\t"$3"\t+"}' $id >homer_peaks.tmp  
findMotifsGenome.pl homer_peaks.tmp hg19 ${sample}_motifDir -p 10 -len 8,10,12 2>${sample}.motifrr.log 
annotatePeaks.pl    homer_peaks.tmp hg19  -p 10 1>${sample}.peakAnn.xls 2>${sample}.ann_err.log 
done


#Usage: findMotifsGenome.pl <input_pos_file> <genome> <output_directory> [options]
#-p：线程
#-len：motif length, default=8,10,12
#

#Usage: annotatePeaks.pl <input_peak_file | tss>  <genome version>  [options...]
#-p：线程
#

把上面的代码保存为脚本runMotif.sh，然后运行：

nohup bash runMotif.sh 1>motif.log 2>runmotif_err.log &

不仅仅找了motif，还顺便把peaks注释了一下。得到的后缀为peakAnn.xls 的文件就可以看到和使用R包注释的结果是差不多的。

1570679919720

下图是R包的注释结果：

1570680164949

下面是homer的注释结果：

1570680374490

还可以使用meme来找motif，需要通过bed格式的peaks的坐标来获取fasta序列。MEME，链接：http://meme-suite.org/

homer输出结果：

homer找motif结果文件：

1570347503028

homer注释结果文件（文件过长，找了几个比较短的可以看全，大致了解下输出文件的格式即可）：

1570347642069

对了，昨天的九月学徒转录组学习成果展（3万字总结）（上篇）也是我写的！

一定要继续关注哦，下期更精彩！

学徒写在最后

首先感谢Jimmy老师的教程和代码，基本上只要跟着一步步学下来，肯定能复现漂亮的图，但是其中的原理需要自己仔细研究和领会。
另外，非常感谢jimmy老师对我耐心的指导和引导，当我遇到问题时，能一下了解我遇到的代码问题在哪里，比我百度谷歌半天教程都有用。

我写在后面

学徒已经做的很优秀了，一个月的时间总是短暂的，但学习的脚步不能停下，希望他回去以后能有更多的学习成果跟大家分享！

当然，如果你感兴趣学徒培养，也可以看看招学徒的通知：

你可以先看看我是如何培养学徒的：

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