harmony包整合多批次单细胞数据以去除批次效应（batch effect）

DoubleHelix

发布于 2023-12-26 11:48:19

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单细胞分析的前期教程：

单细胞专题 | 12.cellChat细胞通讯代码案例

1.1 方法文献

Korsunsky, I., Millard, N., Fan, J. et al. Fast, sensitive and accurate integration of single-cell data with Harmony. Nat Methods 16, 1289–1296 (2019). https://doi.org/10.1038/s41592-019-0619-0

1.2 使用案例

https://github.com/immunogenomics/harmony

(1) 加载案例数据，并构建Seurat对象

## Source required libraries
## install.packages("harmony")
library(data.table)
library(tidyverse)
library(ggthemes)
library(ggrepel)
library(harmony)
library(patchwork)
library(tidyr)
library(ggplot2)
library(Seurat)

pbmc.stim, pbmc.ctrl是2个批次的单细胞数据。

data("pbmc_stim")
pbmc <- CreateSeuratObject(counts = cbind(pbmc.stim, pbmc.ctrl), 
                           project = "PBMC", min.cells = 5)

(2) 添加批次信息

## Separate conditions
pbmc@meta.data$batch <- c(rep("STIM", ncol(pbmc.stim)), rep("CTRL", ncol(pbmc.ctrl)))

(3) 数据的归一化

pbmc <- pbmc %>%
  NormalizeData(verbose = FALSE)
VariableFeatures(pbmc) <- split(row.names(pbmc@meta.data), pbmc@meta.data$batch) %>% lapply(function(cells_use) {
  pbmc[,cells_use] %>%
    FindVariableFeatures(selection.method = "vst", nfeatures = 2000) %>% 
    VariableFeatures()
}) %>% unlist %>% unique

(4) PCA降维

pbmc <- pbmc %>% 
  ScaleData(verbose = FALSE) %>% 
  RunPCA(features = VariableFeatures(pbmc), npcs = 20, verbose = FALSE)

(5) 去除批次效应前的可视化

## 未进行批次效应校正
library(cowplot)
options(repr.plot.height = 5, repr.plot.width = 12)
p1 <- DimPlot(object = pbmc, reduction = "pca", pt.size = .1, group.by = "batch")
p2 <- VlnPlot(object = pbmc, features = "PC_1", group.by = "batch", pt.size = .1)
plot_grid(p1,p2)

(6) 运行RunHarmony去除批次效应

bacth就是分组变量，相当于2个批次效应的单细胞数据分组信息pbmc@meta.data$bacth。

pbmc <- pbmc %>% 
  RunHarmony("batch", plot_convergence = TRUE, 
             nclust = 50, max_iter = 10, early_stop = T)

通过设置plot_converge=TRUE，Harmony将生成一个显示整合流程的目标图。每个点代表经过一轮聚类后测量的成本。不同的颜色代表由max_iter控制的不同Harmony迭代（假设early_stop=FALSE）。这里max_iter=10，预期最多有10个修正步骤。

RunHarmony函数中主要参数：

group.by.vars：

参数类型：字符向量（character vector）
描述：该参数用于指定按照哪些变量对数据进行分组，以便进行整合。
示例：如果数据集包含批次信息和其他变量，可以将批次信息放在一个变量中，并将该变量传递给group.by.vars参数，以便根据批次信息对数据进行整合。

max.iter.harmony：

参数类型：数值型（numeric）
描述：设置Harmony算法的最大迭代次数。默认值为10。
示例：如果您希望算法运行更多或更少的迭代次数，可以调整此参数的值。

lambda：

参数类型：数值型（numeric）
默认值：1
描述：决定了Harmony整合的力度。lambda值越小，整合力度越大；反之，lambda值越大，整合力度越小。调整范围一般在0.5-2之间。
示例：如果您希望增强整合力度，可以将lambda值调小；如果您希望减小整合力度，可以将lambda值调大。

theta：

参数类型：数值型（numeric）
描述：Diversity clustering penalty parameter。为group.by.vars中的每个变量指定。默认theta=2。theta=0不鼓励多样性。较大的theta值导致更多样化的集群。
示例：根据您的数据和研究目的，可以调整theta的值以获得不同的聚类效果。

dims.use：

参数类型：数值型向量（numeric vector）或字符型向量（character vector）
描述：指定用于Harmony的PCA维度。默认情况下，使用所有PCA维度。
示例：如果您只对PCA的前几个维度感兴趣，可以将dims.use参数设置为一个数值向量，例如dims.use = c(1, 2)。

sigma：

参数类型：数值型（numeric）

默认值：0.1
描述：软k均值聚类的宽度。它决定了从单个细胞到聚类中心的距离。较大的sigma值导致细胞被分配到更多的聚类中，而较小的sigma值使软k均值聚类接近于硬聚类。
示例：根据您的数据和聚类需求，可以调整sigma的值以获得不同的聚类效果。

这些参数共同决定了Harmony算法在运行时的行为和结果。根据您的具体需求和数据特征，您可能需要调整这些参数以获得最佳的分析效果。在使用Harmony包时，请确保仔细阅读相关文档和教程。

RunHarmony的运行结果在pbmc@reductions$harmony中。

使用Embeddings命令访问新的Harmony embeddings。

harmony_embeddings <- Embeddings(pbmc, 'harmony')
harmony_embeddings[1:4, 1:4]

(7) 去除批次效应后的可视化

options(repr.plot.height = 5, repr.plot.width = 12)
p1 <- DimPlot(object = pbmc, reduction = "harmony", pt.size = .1, 
              group.by = "batch")
p2 <- VlnPlot(object = pbmc, features = "harmony_1", 
              group.by = "batch", pt.size = .1)
plot_grid(p1,p2)