fastspar微生物相关性推断

fastspar

简介

fastspar是基于Sparcc通过C编写的，速度更快，内存消耗更少。sparcc是基于OTU的原始count数，通过log转换和标准化去除传统相对丰度的天然负相关（因为所有OTU之和为1，某些OTU丰度高另外一些自然就少，导致最后出现正相关少负相关多的假象）。

FastSpar是SparCC算法的C++实现，比原来的Python2版本快几千倍，并且使用的内存少得多。FastSpar的实现提供了线程支持和一个P值估计器，该估计器考虑了重复数据排列的可能性（进一步的细节见本文）。

FastSpar目前正在开发中，可能缺乏完整程序中预期的某些功能。虽然FastSpar的工作一般没有问题，但必须特别注意确保提供正确格式的输入数据。

安装

Conda

To install through conda, use:

conda install -c bioconda -c conda-forge fastspar

使用

1.相关性推断

要运行FastSpar，你必须有BIOM tsv格式文件（没有元数据）中的绝对OTU计数。fake_data.tsv（来自最初的SparCC实现）将作为一个例子。

• 输入文件：fake_data.tsv(fastspar/tests/data/fake_data.tsv,63k):制表符分隔，行为OTU,列为样本号

• header（第一行第一列一定是#OTU ID，否则报错）
  
  
  计算相关性

  (base) [yutao@myosin data]$ mkdir out; time fastspar --otu_table fake_data.tsv --correlation out/median_correlation.tsv --covariance out/median_covariance.tsv -t 30 &>1.log&

  耗时2.4s

  -t <int>, --threads <int> Number of threads (default: 1)

  -c <path>, --otu_table <path>
  OTU input OTU count table
  -r <path>, -correlation <path>
  Correlation output table
  -a <path>, --covariance <path>
  Covariance output table
  -i <int>, --iterations <int>
  Number of interations to perform (default: 50)

• median_correlation.tsv
  
  结果是一个相关系数对称矩阵，对角线是自身的相关系数为1，其他例如1行2列表示OTU0 vs OTU1相关系数为0.7265

• median_covariance.tsv
  
  迭代次数（SparCC相关性估计的轮次）和排除迭代次数（发现和排除高度相关的OTU对的次数）也可以进行调整。

fastspar --iterations 50 --exclude_iterations 20 --otu_table tests/data/fake_data.tsv --correlation median_correlation.tsv --covariance median_covariance.tsv

进一步，可以增加排除相关OTU对的最小阈值

fastspar --threshold 0.2 --otu_table tests/data/fake_data.tsv --correlation median_correlation.tsv --covariance median_covariance.tsv

2.精确P值的计算

有几种方法可以计算推断出的相关关系的p值。在这里，我们选择使用基于稳健互换的方法。这个过程包括从原始OTU计数数据的随机排列中推断出相关关系。每个p值的大小与随机排列的数据中观察到的更极端的相关性的频率有关。在下面的例子中，我们从1000个自举相关性中计算出p值。

1.首先我们生成1000个自举计数。

mkdir bootstrap_counts
(base) [yutao@myosin data]$ mkdir bootstrap_counts;  fastspar_bootstrap --otu_table tests/data/fake_data.tsv --number 1000 --prefix bootstrap_counts/fake_data
# 耗时1s
# --number 迭代次数
# -t 线程

• 会在out下生成1000个重抽样列表

(base) [yutao@myosin data]$ ls out/
fake_data_0.tsv    fake_data_326.tsv  fake_data_552.tsv  fake_data_779.tsv
fake_data_100.tsv  fake_data_327.tsv  fake_data_553.tsv  fake_data_77.tsv
fake_data_101.tsv  fake_data_328.tsv  fake_data_554.tsv  fake_data_780.tsv
fake_data_102.tsv  fake_data_329.tsv  fake_data_555.tsv  fake_data_781.tsv

2.然后推断每个自举计数的相关性（在所有可用进程中并行运行）。

这里使用parallel进行并行计算

mkdir bootstrap_correlation
parallel fastspar --otu_table {} --correlation bootstrap_correlation/cor_{/} --covariance bootstrap_correlation/cov_{/} -i 5 ::: bootstrap_counts/*
# 1000次计算耗时14s
# bootstrap_correlation/cor_{/}，bootstrap_correlation/cov_{/} 表示输出文件名是cor_,cov_加输入文件名

(base) [yutao@myosin data]$ ls bootstrap_correlation
cor_fake_data_0.tsv    cor_fake_data_701.tsv       cov_fake_data_400.tsv
cor_fake_data_100.tsv  cor_fake_data_702.tsv       cov_fake_data_401.tsv
cor_fake_data_101.tsv  cor_fake_data_703.tsv       cov_fake_data_402.tsv
cor_fake_data_102.tsv  cor_fake_data_704.tsv       cov_fake_data_403.tsv
cor_fake_data_103.tsv  cor_fake_data_705.tsv       cov_fake_data_404.tsv
cor_fake_data_104.tsv  cor_fake_data_706.tsv       cov_fake_data_405.tsv
cor_fake_data_105.tsv  cor_fake_data_707.tsv       cov_fake_data_406.tsv

• 注意，此步骤需要有足够的存储，1278 * 85（大小400k）的矩阵产生了24G的中间结果

3.根据这些相关性，然后计算出p值

fastspar_pvalues --otu_table tests/data/fake_data.tsv --correlation median_correlation.tsv --prefix bootstrap_correlation/cor_fake_data_ --permutations 1000 --outfile pvalues.tsv
# 耗时2s
-c/--otu_table <path>
               OTU input table used to generated correlations
  -r/--correlation <path>
                   Correlation table generated by FastSpar
  -p/--prefix <str>
               Prefix output of bootstrap output files
  -n/--permutations <int>
               Number of permutations/ bootstraps
  -o/--outfile <path>
               Output p-value matrix filename

线程

如果FastSpar是用OpenMP编译的，线程可以通过在命令行中调用--threads <thread_number>来使用几个工具。

fastspar --otu_table tests/data/fake_data.txt --correlation median_correlation.tsv --covariance median_covariance.tsv --iterations 50 --threads 10

解析成长表

# ++++++++++++++++++++++++++++
# flattenCorrMatrix
# ++++++++++++++++++++++++++++
# cormat : matrix of the correlation coefficients
# pmat : matrix of the correlation p-values
library(Hmisc) # 生成相关性/P-value矩阵，测试使用
library(dplyr) # 合并数据
setwd("C:/北大真菌细菌互作/互作")
tax <- read.table('Taxonomy_info.txt', header = T)
# 解析两个对角线矩阵，cormat是fastspac的相关性矩阵，pmat是fastspac的p-value矩阵
flattenCorrMatrix <- function(cormat, pmat){
  ut <- upper.tri(cormat) 
  data.frame( row = rownames(cormat)[row(cormat)[ut]], 
                                      column = rownames(cormat)[col(cormat)[ut]], cor =(cormat)[ut], p = pmat[ut] )
}

r <- read.table('median_correlation.tsv', header = T, row.names = 1,
                check.names = F, comment.char = "", sep = "\t") #忽略注释字符
View(head(r))
pv <- read.table('pvalues.tsv', header = T, row.names = 1,
                check.names = F, comment.char = "", sep = "\t") #忽略注释字符
View(head(pv))

res <- flattenCorrMatrix(r, pv)

View(head(res))
write.table(res, 'Correlation_result.tsv', quote = F)

dim(res)
filter <- subset(res, res$p < 0.05)
dim(filter)

# 添加分组信息
View(head(tax))
r1 <- left_join(filter, tax, by = c('row' = 'ID'))
r1 <- left_join(r1, tax, by = c('column' = 'ID'))
# 添加互作类型
r1$Type <- 'null'

r1$Type[r1$Kingdom.x == "Fungi" & r1$Kingdom.y == "Fungi"] <- "FF"
r1$Type[r1$Kingdom.x == "Bacteria" & r1$Kingdom.y == "Bacteria"] <- "BB"
r1$Type[r1$Kingdom.x == "Fungi" & r1$Kingdom.y == "Bacteria"] <- "FB"
r1$Type[r1$Kingdom.x == "Bacteria" & r1$Kingdom.y == "Fungi"] <- "FB"

# 保留细菌vs真菌
write.table(r1, 'All_Correlation_result.tsv', quote = F, sep = "\t")


data <- read.table('Bacteria_and_fungi_for_sparcc.tsv', header = T, row.names = 1, 
                   comment.char = "", sep = '\t' )
cor.test(as.matrix(data[1,]), as.matrix(data[2760,]), method = 'spearman')
#举个栗子
# res3 <- rcorr(as.matrix(mtcars[,1:7]))
# res <- flattenCorrMatrix(res3$r, res3$P)

报错

• error while loading shared libraries: libmkl_rt.so

(base) [yutao@myosin data]$ fastspar_bootstrap --help
fastspar_bootstrap: error while loading shared libraries: libmkl_rt.so: cannot open shared object file: No such file or directory

解决

(base) [yutao@myosin data]$ conda install -c intel mkl

• libc++abi: terminating with uncaught exception of type std::invalid_argument: stof: no conversion;Abort trap: 6
  要求输入的OTU表格为数值数据，除首行和首列外，其他均为数值，不能出现NA，对输入的大表数据可以先通过数据筛选确认符合上述情况。

Citation

fastspac github

If you use this tool, please cite the FastSpar paper and original SparCC paper:

Watts, S. C., Ritchie, S. C., Inouye, M., & Holt, K. E. (2018). FastSpar: rapid and scalable correlation estimation for compositional data. Bioinformatics. doi: 10.1093/bioinformatics/bty734

Friedman, J. & Alm, E.J. (2017). Inferring correlation networks from genomic survey data. PLoS Comput. Biol. 8, e1002687.