第七讲 差异表达基因分析

基因表达数据分析中的差异分析方法随着基因组学和生物信息学的发展，基因表达数据分析在生物学研究中扮演着至关重要的角色。

基因表达数据的分析可以帮助我们寻找不同条件下的基因差异，从而进一步了解基因的功能以及生物系统的调控机制。

而在基因表达数据分析中，差异分析方法是最常用和重要的工具之一。

本文将介绍几种常见的基因差异分析方法，包括差异基因筛选、聚类分析和生物学功能注释等。

一、差异基因筛选差异基因筛选是基因表达数据分析中最常见的任务之一。

它的目的是从两个或多个不同条件下的基因表达数据中找出在两个条件之间有显著表达差异的基因。

在差异基因筛选中，常用的方法有t检验、方差分析和Wilcoxon秩和检验等。

t检验是一种基本的统计方法，适用于两个条件的差异分析。

它可以通过比较两个条件下基因的平均表达水平，来判断它们之间的差异是否具有统计学意义。

方差分析则适用于三个以上条件的差异分析。

它基于方差的分解，通过比较组内和组间的方差差异，判断基因的表达是否受到不同条件的显著影响。

Wilcoxon秩和检验是一种非参数检验方法，适用于数据不满足正态分布的情况。

它利用数据的秩次而非具体数值进行比较，更加鲁棒。

二、聚类分析除了差异基因的筛选，聚类分析也是基因表达数据分析中常用的方法之一。

聚类分析可以将基因表达数据分为若干个类别，从而发现具有相似表达模式的基因。

常见的聚类方法包括层次聚类和k均值聚类。

层次聚类是一种树状图分析方法，可以将样本或基因聚成一颗层次树。

它基于距离或相似性的度量，通过自下而上或自上而下的合并或分割，将数据划分为不同的类别。

而k均值聚类则是一种基于样本的聚类方法。

它将数据分为k个类别，并试图使得每个样本到其所属类别的中心距离最小。

三、生物学功能注释在差异分析之后，对差异基因的生物学功能进行注释是进一步理解基因调控机制的重要步骤。

生物学功能注释可以揭示差异基因所参与的生物过程、细胞部位和分子功能等信息。

在生物学功能注释中，常见的工具和数据库包括Gene Ontology （GO）注释、KEGG和Reactome等通路注释以及蛋白质-蛋白质相互作用网络等。

基因表达差异的分析方法研究基因表达差异是指在不同生物或不同条件下，对同一基因进行的表达实验中，所测得的表达量之间的差异。

对基因表达差异的研究可以帮助我们更好地理解基因功能和调控机制，并为疾病的诊断和治疗提供新的思路和方法。

接下来，将介绍一些基因表达差异分析的方法。

1. 微阵列技术微阵列技术是最早被用于基因表达差异分析的方法之一。

该技术利用DNA芯片上固定的互补DNA序列与待测RNA样品进行杂交，测定样品中各个基因的表达水平。

具体操作步骤包括：样品采集、RNA提取、标记、杂交与扫描等多个步骤。

虽然微阵列技术具有高通量、高灵敏度和高精度等优点，但也存在着成本高、样品处理复杂和标记的局限性等问题。

2. RNA测序技术随着二代测序技术的发展，RNA测序技术已成为一种常用的基因表达差异分析方法。

RNA测序技术利用高通量测序平台对RNA样品进行测序，可以对基因的转录和剪切等过程进行全面的检测和定量。

与微阵列技术相比，RNA测序技术不需要依赖于基因组序列信息，同时还可以检测未知序列和新基因的表达情况。

但RNA测序技术也存在着不同的测序深度和质量、样品处理和分析方法等影响分析结果的因素。

3. 质谱技术质谱技术是一种基于蛋白质组学的方法，也可以用于基因表达差异的分析。

该技术主要包括两个步骤：蛋白质消化和质谱分析。

在蛋白质消化步骤中，蛋白样品被加入胰酶等酶类，将多肽生成后进行分离。

在质谱分析中，分离后的多肽样品被注入质谱仪，得到其质量和放电荷比例的信息。

由此可以推断出蛋白的氨基酸组成和序列等信息。

质谱技术的优点包括定量、选择性和灵敏度高，同时可以进行定量分析和鉴别分析。

4. 基因编辑技术随着基因编辑技术的发展，我们还可以通过CRISPR-Cas等技术对基因表达差异进行分析。

在这种方法中，我们可以将CRISPR-Cas系统引导的RNA处理后注入细胞内，选择性地打靶并对目标基因进行编辑，从而直接体现基因在表达水平上的变化。

【转录组⼊门】7：差异基因分析作业要求：使⽤R语⾔，载⼊表达矩阵，然后设置好分组信息，统⼀⽤DEseq2进⾏差异分析，当然也可以⾛⾛edgeR或者limma的voom流程。

基本任务是得到差异分析结果，进阶任务是⽐较多个差异分析结果的异同点。

【1】安装DESeq21 # 下⾯是在R语⾔中操作2 # 载⼊安装⼯具3 > source("/biocLite.R")4 # 安装包5 > biocLite("DESeq2")6 # 载⼊包7 > library("DESeq2")DESeq2对于输⼊数据的要求：1.DEseq2要求输⼊数据是由整数组成的矩阵。

2.DESeq2要求矩阵是没有标准化的。

【2】DESeq2进⾏差异表达分析DESeq2分析差异表达基因简单来说只有三步：构建dds矩阵，标准化，以及进⾏差异分析。

# dds <- DESeqDataSetFromMatrix(countData = cts, colData = coldata, design= ~ batch + condition) #~在R⾥⾯⽤于构建公式对象，~左边为因变量，右边为⾃变量。

# dds <- DESeq(dds) #标准化# res <- results(dds, contrast=c("condition","treated","control")) #差异分析结果【3】构建dds矩阵1 > library(DESeq2) # 加载包2 > countData <- raw_count_filter[2:7] # 中括号中的数量要与condition中数量⼀致3 > condition <- factor(c("control","control","control","hypoxia","hypoxia","hypoxia"))4 > colData <- data.frame(s=colnames(countData),condition)5 # raw_count_filter：是所有样品的count按照gene id融合后⽣成的矩阵。

differential gene expression analysisDifferential gene expression analysis（差异基因表达分析）是一种研究基因表达模式在不同条件或不同组织样本之间差异的方法。

通过比较不同条件或组织样本的基因表达谱，可以发现哪些基因的表达水平发生了显著变化，从而了解这些基因在生物学过程或疾病发展中的作用。

在进行差异基因表达分析之前，通常需要对基因表达数据进行标准化处理，以确保不同样本之间的数据具有可比性。

然后，使用统计方法比较不同条件或组织样本的基因表达谱，筛选出表达差异显著的基因。

这些差异基因可能涉及不同的生物学过程、信号通路或疾病过程，具有重要的生物学意义。

差异基因表达分析在许多领域都有应用，如生物学、医学和农业等。

例如，在生物学研究中，差异基因表达分析可以用于研究生物生长发育过程中的基因表达变化；在医学研究中，差异基因表达分析可以用于研究疾病发生发展过程中的基因表达变化，从而发现潜在的治疗靶点或药物。

总之，差异基因表达分析是一种强大的工具，可以帮助我们深入了解基因表达模式的变化，揭示生物学过程和疾病机制，为药物研发和疾病治疗提供重要的线索和依据。

在差异基因表达分析中，数据标准化处理是非常重要的一步，其目的是消除不同样本或实验条件之间的系统误差，使数据具有可比性。

以下是一些常用的数据标准化处理方法：1.归一化：将每个样本的基因表达量转换为相对表达量，使不同样本之间具有可比性。

常见的归一化方法包括：•截尾值归一化：将表达量低于某一阈值的基因去除，或将其表达量设为0。

•最大值归一化：将每个样本的表达量除以该样本中表达量的最大值，使所有样本的表达量都在0-1之间。

•平均值归一化：将每个样本的表达量减去该样本表达量的平均值，使所有样本的表达量都为0。

1.批间归一化：由于实验过程中可能存在的批次效应，需要对不同批次的样本进行归一化处理，使它们之间具有可比性。

RNA测序数据中的差异表达基因分析方法研究随着高通量测序技术的快速发展，RNA测序成为了研究基因表达和转录组的重要方法之一。

通过RNA测序，我们可以获取到细胞或组织中全部转录本的信息，进而揭示出与疾病发生、发展以及生物学过程相关的差异表达基因。

差异表达基因分析是RNA测序数据分析的重要组成部分，它可以帮助我们识别出在不同样本中表达量有显著差异的基因，从而研究这些基因在生物学过程中的功能和调控机制。

在进行差异表达基因分析时，我们首先需要对RNA测序数据进行质量控制和预处理。

这包括去除低质量的reads、去除接头序列、去除rRNA和tRNA序列等。

接下来，我们需要将清洗后的reads进行比对，将其与参考基因组或转录组进行比对，以确定每个read的来源。

常用的比对工具包括Bowtie、STAR等。

比对完成后，我们需要对reads进行计数，统计每个基因的表达量。

这一步骤可以使用HTSeq、FeatureCounts 等软件实现。

在得到基因的表达矩阵后，接下来可以进行差异表达分析了。

差异表达分析的目的是找出在不同条件下表达显著差异的基因。

常用的差异表达分析方法包括DESeq2、edgeR、limma 等。

这些方法都基于数学模型，通过对基因表达矩阵进行统计学分析，找出在不同样本间表达水平差异显著的基因。

这些方法在差异分析中会考虑到基因间的离散和基因长度的偏差，并进行合适的统计假设检验。

通过设置合适的统计显著性阈值，我们可以筛选出差异表达显著的基因。

在差异表达基因分析中，我们通常会根据富集分析对差异表达基因进行功能注释，以了解其在生物学过程中的功能。

富集分析可以帮助我们发现差异表达基因富集在哪些生物学通路、功能模块以及进化树上。

常用的富集分析方法包括基于基因本体论的GO分析和基于生物通路的KEGG分析。

这些分析方法能够帮助我们从大量的差异表达基因中挖掘出具有重要生物学意义的基因。

此外，差异表达基因分析还可以进行聚类分析和可视化分析。

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分子生物学中的基因表达差异分析在分子生物学中，基因表达差异分析是一个重要的研究方向。

简单来说，基因表达差异指的是在不同条件下，不同基因的表达量存在差异。

这种差异的发现可以帮助科学家们更好地理解细胞的生命过程，发现致病基因等。

基因表达差异分析有很多方法，其中常用的包括芯片技术和RNA测序技术。

这两种方法本质上都是从不同的角度观察细胞的基因表达情况，从而找出差异。

这些差异可能来源于不同环境下的基因调控、基因突变等，因而能够为我们提供更多的生物信息。

RNA测序技术是一种高通量技术，能够同时检测上万个基因的表达情况。

在RNA测序实验中，实验者会提取细胞中的RNA，将其转录成cDNA，并通过二代测序技术进行分析。

通过比较不同条件下的RNA-Seq数据，我们就可以得到基因表达水平的差异。

芯片技术也被广泛应用于基因表达差异分析。

芯片通常被设计成包含数万个探针盘，每个探针盘对应一个基因。

实验者可以将RNA或cDNA样本标记后放置在芯片上，使其与芯片上的探针区域发生结合。

通过读取信号强度，我们可以得到对应基因的表达水平。

基因表达差异分析不仅用于生物学基础研究，还可以在医学领域中应用。

例如，在肿瘤研究中，科学家们可以使用RNA测序技术分析不同肿瘤样本集中基因表达差异，从而发现潜在的致病基因或生物标记物。

这种方法可以用来帮助医生更好地确定患者的诊断和治疗方案。

综上所述，基因表达差异分析是分子生物学领域中的重要研究方向。

通过比较不同样本的基因表达情况，我们可以揭示生命过程中的细节以及疾病发生发展的机制，从而为医学和生物学领域带来更多可能性。

差异表达基因分析：差异倍数（foldchange）,差异的显著性（P-value）⽕⼭图Differential gene expression analysis：差异表达基因分析Differentially expressed gene (DEG)：差异表达基因Volcano Plot：⽕⼭图差异倍数(fold change)fold change翻译过来就是倍数变化，假设A基因表达值为1，B表达值为3，那么B的表达就是A的3倍。

⼀般我们都⽤count、TPM或FPKM来衡量基因表达⽔平，所以基因表达值肯定是⾮负数，那么fold change的取值就是(0, +∞).为什么我们经常看到差异基因⾥负数代表下调、正数代表上调？因为我们⽤了log2 fold change。

当expr(A) < expr(B)时，B对A的fold change就⼤于1，log2 fold change就⼤于0（见下图），B相对A就是上调；当expr(A) > expr(B)时，B对A的fold change就⼩于1，log2 fold change就⼩于0。

通常为了防⽌取log2时产⽣NA，我们会给表达值加1（或者⼀个极⼩的数），也就是log2(B+1) - log2(A+1). 【需要⼀点对数函数的基础知识】为什么不直接⽤表达之差，差直接有正负啊？假设A表达为1，B表达为8，C表达为64；直接⽤差B相对A就上调了7，C就相对B上调了56；⽤log2 fold change，B相对A就上调了3，C相对B也只上调了3. 通过测序观察我们发现，不同基因在细胞⾥的表达差异⾮常巨⼤，所以直接⽤差显然不合适，⽤log2 fold change更能表⽰相对的变化趋势。

虽然⼤家都在⽤log2 fold change，但显然也是有缺点的：⼀、到底是5到10的变化⼤，还是100到120的变化⼤？⼆、5到10可能是由于技术误差导致的。