主要记录如何使用 GENIE3 构建基因调控网络（GRN）。

1.安装

GENIE3 支持从 Bioconductor 上安装，运行如下代码安装。

BiocManager::install("GENIE3")

2.使用说明

　　主要分为数据准备、计算权重矩阵和提取对应关系三部分，其中核心部分是使用GENIE3 函数计算出权重举证。

2.1 数据准备

表达数据有下面几点要求：

  • 数据类型为 matrix
  • 行为基因列为细胞
  • 无需标准化
rm(list = ls())
library(GENIE3)
exprMatr <- matrix(sample(1:10, 100, replace=TRUE), nrow=20)
rownames(exprMatr) <- paste("Gene", 1:20, sep="")
colnames(exprMatr) <- paste("Sample", 1:5, sep="")
head(exprMatr)

2.2 运行 GENIE3

2.2.1 使用默认参数

set.seed(123) # 设置随机种子，确保结果的可重复性

weightMat <- GENIE3(exprMatr)
weightMat[1:5,1:5]

　　weightMat 是一个包含所有基因间调控关系权重的矩阵，数值越大越越可靠。weightMat[i,j] 表示从第 i 个基因到第 j 个基因的调控权重，注意这里是有顺序，比如从 A 基因到 B 基因和从 B 基因到 A 基因的权重一般是不一样的。

2.2.2 使用子集

　　人的基因有 2 w 左右，若全部进行分析，不仅会增加计算时间，而且获得的矩阵会包含许多噪音，从而掩盖所需的调控网络，这种情况下就可以使用 regulators 参数挑选一些感兴趣的基因集（根据实际需求选择，如差异基因集、通路基因集等）再进行计算。

# 可以输入基因在exprMatr中的位置

regulators <- c(2, 4, 7)
# 也可以直接输入基因名

regulators <- c("Gene2", "Gene4", "Gene7")

weightMat <- GENIE3(exprMatr, regulators=regulators)

上面结果就会得到一个 3 行 10 列的基因调控权重矩阵。

2.2.3 修改 tree-based method 的相关参数

　　GENIE3 是基于 regression trees 构建的，内置了 Random Forest method (RF, default) 和 Extra-Trees method (ET) 两种方法，通过 treeMethod 参数来选择方法，具体两种方法适用的数据特点可自行查阅相关资料。两个方法中还包含下面两个参数：

  • K: Number of candidate regulators randomly selected at each tree node (for the determination of the best split)
  • ntrees: Number of trees in an ensemble for each target gene. Default: 1000
weightMat <- GENIE3(exprMatr, treeMethod="ET", K=7, nTrees=50)

2.2.4 并行计算

　　在基因/样本数目比较多的情况下可以使用 nCores 参数增加线程数目来缩短计算时间。需要注意的是当线程数大于 1 时，设置随机种子便不能确保结果的可重复性。

weightMat <- GENIE3(exprMatr, nCores=4, verbose=TRUE)

2.3 获取调控关系

　　本质上就是把上面获得的矩阵变换成关系对，使用 melt 函数和数据框的基本操作同样可以获得如下结果，不过作者已经包装好了，能够一行代码获得结果还是比较方便的。

# 获取所有的调控关系

linkList <- getLinkList(weightMat)

# 获取top的调控关系

linkList <- getLinkList(weightMat, reportMax=5)

# 获取权重阈值以上的调控关系

linkList <- getLinkList(weightMat, threshold=0.1)

　　最后，同样可以构建 GRN 的软件还有GRNBoost。其速度较GENIE3 快，所以在数据量较大的情况下可以使用GRNBoost，链接地址如下：

GRNBoost：https://github.com/aertslab/GRNBoost

参考资料：
1.aertslab/GENIE3
2.GENIE3 vignette
3.GENIE3—一款预测基因调控网络的R包
4.基因调控网络 (Gene Regulatory Network) 01