快来看看如何使用R语言绘制一张漂亮的火山图

Posted 2021-04-18 通通讲文献

“

火山图（Volcano Plot）是差异基因可视化非常好的工具，本文将向大家展示如何用R语言来实现火山图的绘制

”

在对基因芯片数据、测序数据进行差异表达分析之后，我们通常会选择绘制火山图（Volcano Plot）来对各基因的表达情况进行可视化，正如下图所示：

绘制火山图的工具有很多，本质上就是画一张散点图，然后可以根据自己的需要进行标注。上面这张图是使用R语言的ggplot2包绘制的，除此之外我们还可以用Graphpad Prism软件绘制，或者使用Excel也是可以，当然还有一些在线工具可以使用。

本篇推文，我就来教大家如何使用R语言绘制如上图所示的火山图，同时为了发扬偷懒的精神，方便日后使用，我最后还把绘图过程封装成了一个函数，这样再次使用的时候只用输入数据、简单调整参数，就可以很方便地得到一张好看的火山图啦！

好，废话不多说，我们这就开始吧！

首先准备绘图所需数据，我们需要一个数据框，里面包含了每个基因的表达变化情况，如下图所示：

（此为数据集GSE118370经limma包分析的结果：Tumor vs. Normal，命名为DEG）

我们还需要定义一下上下调基因：以logFC>1且adj.P.Val<0.05为显著上调基因，logFC<-1且adj.P.Val<0.05为显著下调基因，其余为表达变化不显著的基因，并在DEG中新增一列，命名为Change（logFC代表对变化倍数进行log2转换，adj.P.Val为校正后的P值，筛选标准更为严格）。

##给DEG添加一列，标注各基因上下调情况
DEG$Change <- as.factor(ifelse(DEG$adj.P.Val < 0.05 & abs(DEG$logFC) > 1,
                               ifelse(DEG$logFC > 1, 'Up', 'Down'),'NOT'))

加上Change这一列后，就可以开始绘图了。

library(ggplot2)
ggplot(data = DEG, aes(x = logFC, y = -log10(adj.P.Val),colour = Change))+
  geom_point(alpha = 0.5)

怎么样，最简单版的火山图就绘制好了，接下来就是对图片元素进行修饰，例如加上基因的名字、添加水平竖直分割线、调整背景等，具体的修饰过程参见下述代码：

##ggrepel包用来给散点添加标签
library(ggrepel)

##为了给散点添加标签，我们还需要给DEG再加上一列，为基因的名称（其实就是每行的名字）
##把DEG按logFC绝对值从大到小排序
DEG <- DEG[order(abs(DEG$logFC),decreasing = T),]

##新增加一列，为基因的名字
DEG$anno_name <- rownames(DEG)

##只取表达变化前10的基因进行标注，所以其余的都设置为NA
DEG$anno_name[11:nrow(DEG)] <- NA

##设置一个标题
title <- paste0('cutoff for logFC is ',1,
                '
cutoff for adj.P.Val is ',0.05,
                '
the number of up gene is ',nrow(DEG[DEG$Change=='Up',]),
                '
the number of down gene is ',nrow(DEG[DEG$Change=='Down',]))

##现在开始绘图
ggplot(data = DEG, aes(x = logFC, y = -log10(adj.P.Val),colour = Change))+
  geom_point(alpha = 0.5)+
  scale_colour_manual(values = c('blue','grey10','red'))+ #自定义定义散点颜色
  geom_text_repel(aes(label=anno_name),show.legend = F,segment.colour = 'black')+ #给散点添加标签
  xlab('log2(FC)')+ylab('-log10(adj.P.Val)')+ggtitle(title)+ #设置坐标轴及主标题
  geom_hline(yintercept = -log10(0.05),lty=4,lwd=0.6,alpha=0.8)+ #设置水平分割线
  geom_vline(xintercept = c(1,-1),lty=4,lwd=0.6,alpha=0.8)+ #设置竖直分割线
  theme_bw()+theme(panel.border = element_blank(), #设置背景
                   panel.grid.major = element_blank(),
                   panel.grid.minor = element_blank(),
                   axis.line = element_line(colour = "black"))

这样，最开始那张好看的火山图就绘制完成了，大家可以根据自己的喜好对图中元素进行修改。最后放一个大招：把整个绘图过程定义成一个函数，这样我们运行函数之后就只用短短一句话就可以生成火山图啦！

plot_vocalno <- function(DEG,logfccutoff=1,pcutoff=0.05,show.number=10,p=c('adj.p','p')){
##加载绘图所需包
library(ggrepel);library(ggplot2)

##根据输入选择P.Value或者adj.P.Val
if(p[1]=='p'){p <- 'P.Value'} else {
if(p[1]=='adj.p'){p <- 'adj.P.Val'} else {
  print('请输入正确的p！');break}}

#Change列要根据设置的cutoff阈值而定
DEG$Change = as.factor(ifelse(DEG[, colnames(DEG) %in% p[1]] < pcutoff & abs(DEG$logFC) > logfccutoff,
                              ifelse(DEG$logFC > logfccutoff, 'Up', 'Down'),'NOT'))

##还要规定一下show.number值
show.number <- floor(show.number)

##设置后续画图的标签列，以下代码是为了避免那些logFC符合但p值不符合的
if(show.number >= 1){
  DEG$anno_name <- rownames(DEG) #把行名设为打标签的一列
  DEG <- DEG[order(abs(DEG$logFC),decreasing = T),] #按logFC绝对值从大到小进行排序
  k <- 0
  for(i in 1:nrow(DEG)){
    if(DEG$Change[i]=='NOT') {DEG$anno_name[i] <- NA} else {k <- k+1}
    if(k==show.number) break
  }
  DEG$anno_name[{i+1} : nrow(DEG)] <- NA #只要前面的的show.number个，剩下的都为NA
} else {
  DEG$anno_name <- NA #当show.number为0时，整列都设为NA
}

##设置标题
title <- paste0('cutoff for logFC is ',logfccutoff,
                '
cutoff for ',p,' is ',pcutoff,
                '
the number of up gene is ',nrow(DEG[DEG$Change=='Up',]),
                '
the number of down gene is ',nrow(DEG[DEG$Change=='Down',]))

##自定义颜色（因为有时候没有Up或者Down，所以要选择一下）
manualcolor <- c('blue','grey10','red')
if(sum(DEG$Change %in% 'Up')==0) manualcolor <- c('blue','grey10')
if(sum(DEG$Change %in% 'Down')==0) manualcolor <- c('grey10','red')
if(sum(DEG$Change %in% 'Up')==0 & sum(DEG$Change %in% 'Down')==0) manualcolor <- c('grey10')

##根据p的选择，要选择一下纵坐标轴的映射列
if(p=='P.Value'){
  plot_tmp <- ggplot(data = DEG,aes(x=logFC,y=-log10(P.Value),colour=Change))
} else {
  plot_tmp <- ggplot(data = DEG,aes(x=logFC,y=-log10(adj.P.Val),colour=Change))
}

##开始绘图
plot_tmp+
  geom_point(alpha=.5,size=1)+ #画散点
  scale_colour_manual(values = manualcolor)+ #自定义定义散点颜色
  geom_text_repel(aes(label=anno_name),show.legend = F,segment.colour = 'black')+ #给散点添加标签
  xlab('log2(FC)')+ylab(paste0('-log10(',p,')'))+ggtitle(title)+ #设置坐标轴及主标题
  geom_hline(yintercept = -log10(pcutoff),lty=4,lwd=0.6,alpha=0.8)+ #设置水平分割线
  geom_vline(xintercept = c(logfccutoff,-logfccutoff),lty=4,lwd=0.6,alpha=0.8)+ #设置竖直分割线
  theme_bw()+theme(panel.border = element_blank(), #设置背景
                   panel.grid.major = element_blank(),
                   panel.grid.minor = element_blank(),
                   axis.line = element_line(colour = "black"))
}

参数解释：

1. DEG：差异表达分析结果，格式如前图；

2. logfccutoff：即为logFC的筛选阈值，默认为1；

3. pcutoff：即为P值的筛选阈值，默认为0.05；

4. show.number：设置散点标签的个数；

5. p：设置选择adj.P.Val还是P.Value，默认选择adj.P.Val。

（如发现代码有错误之处或不足，欢迎指正！）

—END—