这项工作详细介绍了整合多组学数据的方法(串联、转换和基于模型)。通过结合基因组学、表观基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、宏基因组学、脂质组学和糖组学的数据,实现对生物系统的全面了解。该手稿提供了分步指南,强调了多组学集成的局限性、优势和可视化工具。
Method Article
这项工作详细介绍了整合多组学数据的方法(串联、转换和基于模型)。通过结合基因组学、表观基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、宏基因组学、脂质组学和糖组学的数据,实现对生物系统的全面了解。该手稿提供了分步指南,强调了多组学集成的局限性、优势和可视化工具。
本手稿为在生物学研究中整合多组学数据提供了全面的分步指南。
多组学数据整合是指将同一组生物样品上测量的数据与基因组学、表观基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、微生物组学、脂质组学和糖组学等不同组学技术进行组合和分析的过程。尽管多组学方法与单组或单组学分析具有相似的目标(例如,描述、区分、分类或预测),但它们能够捕获更广泛的分子信息,从而提供对生物系统及其复杂相互作用的更深入的理解。事实上,多组学数据集的组合可以提高预测准确性并产生更稳健的结果,特别是在可用样本数量有限的情况下。此外,由于机器学习技术的最新发展,多组学分析如今适用于揭示不同生物化合物中出现的隐藏模式和复杂现象。
这项工作的主要目的是提出多组学研究中常用的完整方案,从问题的初始表述到对结果进行生物学解释有用的工具。该手稿详细描述了整合多组学数据的各种方法,包括基于串联(低级)、基于转换(中级)和基于模型(高级)的方法,并强调了它们的局限性和优势,并介绍了通用可视化和诊断工具。
近年来,生物学研究领域取得了重大进展,特别是在组学技术领域。这些技术为了解生物系统的复杂性提供了宝贵的见解。然而,每种组学技术都提供了对生物成分的独特视角,需要整合多组学数据才能获得全面的理解。
多组学涵盖了各种类别的生物分子,由于新的、强大的高通量测序技术的出现,这些生物分子可以被定量定义。不同类型的组学技术包括基因组学、表观基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、宏基因组学、脂质组学和糖组学。基因组学涉及生物体基因组的研究,而表观基因组学则侧重于基因组的支持结构,包括蛋白质和 RNA 结合剂、替代 DNA 结构以及 DNA 的化学修饰。转录组学包括对所有 RNA 分子的研究,包括 mRNA、rRNA、tRNA 和其他非编码 RNA。蛋白质组学涉及蛋白质的研究,包括对特定蛋白质组的修饰。代谢组学侧重于生物基质内小分子(代谢物)的集合。宏基因组学涉及对具有特定物理化学特性的明确栖息地中的微生物群落的研究。脂质组学包括对细胞脂质的整个补体的研究,而糖组学则侧重于对糖组的研究,包括碳水化合物和糖1。
多组学数据的整合因其揭示复杂生物现象的潜力而受到科学界的日益关注。通过结合来自多种组学技术的数据,研究人员可以克服单个数据集的局限性,并获得更全面的生物系统视图。这种综合方法能够识别新的生物标志物、发现疾病机制以及阐明复杂的生物途径。
多年来,PubMed 中术语“多组学”和“多组学”的引用次数显着增加,从 2018 年的 307 次增加到 2021 年的 1414 次,再到 2023 年的 3933 次。不同类型组学变量的整合变得越来越普遍,因为它可以更深入地研究生物体疾病和功能障碍的潜在机制。单组学方法提供了隐藏生物学的有限、部分视图,因为它们专注于单一视角。然而,通过整合多组学数据,我们可以揭示不同生物分子的相互作用,了解多层内的关系,并弥合基因型和表型之间的差距。总体而言,多组学方法可以帮助回答重要问题,例如对疾病的不同亚组进行分类、预测与疾病相关的基本生物标志物以及更好地了解生物途径和机制。在以下部分中,不同的组学数据集也可以称为数据“视图”或数据“块”。
多组学整合技术可分为三个主要亚组,如Reel等人(2021)2 和Ritchie等人(2015)3 所述(图1)。
低级、早期集成或连接:此方法涉及将每个单个数据集中的变量连接成单个矩阵。然而,早期整合不考虑每种组学数据类型的唯一分布,并且可能会为某些具有更大维度的组学数据类型分配更多权重。它还带来了挑战,例如维度诅咒的风险增加、噪声增加、高度相关的变量以及计算可扩展性问题。尽管有这些局限性,早期整合可以识别多个组学层之间的协调变化并增强生物学解释。
基于中间层、中间整合或基于转化:在这种方法中,数学整合模型应用于组学数据的多层。中间集成侧重于从源中提取的子集或表示的融合。中整合中的两个子方法是中上方法和中下方法。中间方法涉及从每个块的降维中获得的串联分数,使其适合处理异构数据。然而,它可能缺乏可解释性。中下方法涉及局部变量选择和对级联变量子集的后续分析,从而更容易解释模型。中间集成具有提高信噪比、降低维度和提高统计功效等优点。
高级、后期整合或基于模型:这种方法涉及在每个单个组学水平上执行分析,并以临时方式组合结果。它包括融合单块模型的结果,以识别来自每个来源的生物标志物并提供对结果的联合解释。后期整合不会增加输入空间的维度,并且适用于每个组学数据的唯一分布。当一个组学层比其他组学层更具预测性时,它特别合适。然而,后期整合可能会忽视跨组学关系,并面临与缺乏对初始数据块之间联系的理解以及通过个体建模可能丢失生物信息相关的挑战。
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1. 研究问题定义
2. 组学选择
3. 确保数据质量
注意:确保按照下述步骤生成的组学数据的数据可靠性和可重复性。
4. 数据预处理
5. 降维
注意:降维有两种方法:去除嘈杂和冗余变量(特征选择)或组合特征以创建更有意义的变量(特征提取)。
6、积分方式选择
7. 统计分析
8. 生物学解释:
9. 验证和后续实验
10. 可视化和诊断工具
注意:可以使用各种类型的图来说明数据分析的结果,提供关键发现的直观表示。常用的地块包括火山地块、热图、马戏团地块和曼哈顿地块。







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与单组学分析一样,可视化是数据探索、数据集成、模式识别、假设生成和结果沟通的关键。具体来说,在数据预处理步骤中,大数据的良好可视化非常重要,有助于验证归一化、识别异常值等等。在多组学中,可视化至关重要,因为它可以帮助评估不同组学层/块的趋势,并且每个块的信息叠加可以帮助识别它们之间的共享信息。
个案研究
为了举例说明多组学方法,我们选择了“mixOmics TCGA数据集”26作为测试数据集,这是由癌症基因组图谱网络27生成的三种乳腺癌亚型(即LumA,Her2和Basal)的组学数据的两个归一化和清洁子集:
训练数据:训练数据集由 150 个样本组成:75 个 LumA、45 个基础样本和 30 个 Her2 训练样本,其中测量了蛋白质组学、miRNA 和 mRNA,每个样本对应一个不同的组学块。
测试数据:测试数据集由 70 个样本组...
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确定最相关的组学数据集是多组学整合研究的第一步。在营养研究中,代谢组学是最早需要关注的组学层之一,因为它可以突出饮食干预或对食物摄入的代谢反应的代谢途径和生化过程。另一方面,例如,在癌症生物学中,基因组学和转录组学提供有关 DNA、遗传变异和基因表达失调的信息,可以帮助了解肿瘤病因或异质性,并导致识别新的生物标志物。蛋白质组学在心血管、自身免疫性疾病和神经退行性疾病等多种疾病中也发挥着至关重要的作用。总体而言,它可以帮助寻找疾病特异性蛋白质、翻译后修饰和蛋白质-蛋白质相互作用,这对于识别生物标志物和开发靶向疗法至关重要。
在处理高维数据时,重要的是选择与所研究现象相关的变量,以简化分析和解释,减少所需的计算资源,并消除会混淆结果的噪声和冗余信息。
在多组学整合中,需要考虑几个关键步骤,以确保多个组学数据集的成功整合。预处理是任何多组学方法的第一个关键步骤,对单个组学数据集进行清理和预处理2,3
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E.A.、R.R.和O.C.是Société des Produits Nestlé SA的雇员。
作者感谢 Michael Affolter 博士、Loïc Dayon 博士、Jean Philippe Godin 博士、Francesca Giuffrida 博士、Eugenia Migliavacca 博士、Anne-Florence Bitbol 教授和 Zoltan Kutalik 教授的支持。
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
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| ggrepel R 包 | r-project.org | 0.9.5 | 使用 ggplot2 自动定位不重叠的文本标签 |
| 格子 R 包 | r-project.org 0.22-5 | 用于 R 的 Tellis 图形 | |
| 利马 R 包 | r-project.org | 3.58.1 | 微阵列数据混合的线性模型 |
| 组学 R 包 | r-project.org | 6.25.1 | Omic 数据集成项目 |
| NEMO R 包 | r-project.org | 0.1.0 | 基于邻域的多组学聚类 |
| R | r-project.org | 4.3.2 (2023-10-31) | 统计计算与图形编程语言 |
| R Studio | RStudio | 2023.12.1+402 (2023.12.1+402) | R SNFtool |
| R 包 | r-project.org | 2.3.1 | 相似性网络融合 |
| tidyr R 包 | r-project.org | 1.3.1 | 整齐杂乱的数据 |
| 标尺 R包 | r-project.org | 1.3.0 | 模型性能的整洁表征 |
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