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加权基因共表达网络(wgcna)
加权基因共表达网络构建(weighted gene co-expression network analysis, wgcna)是一种从高通量数据中挖掘模块(module)信息的算法。在该方法中module被定义为一组具有类似表达趋势的基因集,如果这些基因在一个生理过程或不同组织中总是具有相类似的表达变化,那么我们有理由认为它们在功能上是相关的,可以把它们定义为一个模块(module)。这似乎有点类似于进行聚类分析所获得的结果,不同的是,wgcna的聚类准则具有生物学意义,而非常规的聚类方法(如利用数据间的几何距离),因此该方法所得出的结果具有更高的可信度。
用途
实验设计中包含多种因素,多个时间点等情况,同时样本还额外包含其他性状信息,同时该性状也是老师关注的研究内容,适合利用wgcna进行该类分析。如老师研究的是水稻,在进行其实验设计的同时,还额外收集到每个样本的千粒重情况,实验过程中还可以分析哪个模块的基因表达与千粒重的性状存在相关关系,从而推断特定的性状关联的模块。
前置分析条件
样本数量建议达到15以上,样本分组之间不应差异特别大
分析结果
原始数据及power值选择依据图
模块分析(包括模块识别,模块表达量箱线图,模块功能富集结果,模块特征基因条形图)
模块性状关联分析,识别显著关联模块
核心基因功能网络构建
demo示例
1.基因共表达网络构建和模块划分
选定合适的网络构建参数,建立起加权共表达网络模型,来对基因进行分类,将数千基因划分成为若干模块

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结果解读
上图中,每一种颜色表示一种颜色对应聚类树上的每个基因属于同一个模块,如果某些基因在一个生理过程或不同组织中总是具有相类似的表达变化,那么这些基因在功能上可能相关,可以把他们定义为一个模块(module)。
2.模块分析
分别对各个不同的模块进行柱形图,条形图,聚类图以及go,kegg富集分析。

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结果解读

上图分别包含了
模块特征基因变化的柱形图(左上)
展示了模块中各个样本的变化趋势
模块表达量的箱线图(右上)
展示了模块中所有样本基因表达量的分布及变化趋势
模块基因表达量的热图(左下)
展示了模块中基因表达在各个样本中的变化情况,红色表示高表达,蓝色表示低表达
模块基因的go富集图(右下)
展示了模块基因可能参与的功能,红色对应生物学过程,淡蓝色对应分子功能,嫩绿色对应细胞组分,
柱形高度越高,对应功能的富集显著性越显著
3.确定基因与性状的关联(若有性状数据)
通过建立网络模型,获得基因模块。而将这些模块与性状相关联,计算两者间的相关系数,则可揭示基因模块与性状的关联

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结果解读
颜色越深则模块与形状关联越紧密。红色代表正相关,蓝色代表负相关。图上的数值为相关系数,括号中的星号表示相关系数的显著性,其中pvalue<0.001对应`***`,pvalue<0.01对应`**`,pvalue<0.05对应`*`,pvalue<0.1对应`.`。
4.模块内基因相互作用网络分析
为了进一步探究每一模块内基因的相互作用状况,我们绘制了每一模块中的基因作用网络。每个模块选择了连接度较高的前50个基因来绘制基因网络

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结果解读
每个节点代表模块中的基因,两点之间的连线表示基因之间存在相关性,连线越多的点表示该点在网络中处于核心位置。
案例展示
案例一  大豆的形状与大小相关核心基因的研究
研究背景
大豆作为生产蛋白和油的主要作物,在全球范围广泛种植。随着高通量技术的推广,大豆相比较拟南芥和水稻的高通量研究要少很多。大豆产量相关的种子的形状和大小的高通量研究更是少见。
研究内容与结果
通过二代手段检测两个品种大豆v1和v2在s1、s2、s3时期样本中基因表达情况。获得两个品种大豆不同时期的基因表达情况,经过数据分析统计两品种大豆在不同时期差异基因的数量,富集分析获得差异基因功能富集结果。所有检测到基因(fpkm值小于0.05除外)经wgcna分析建立起加权共表达网络模型,将基因按照与种子大小的相关性划分为12个模块,以及每个模块基因座共表达找到核心基因。将调控种子大小的候选基因gmcyp78a5进行过表达验证其确实有使种子变大和重量变重的功能。

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     差异基因统计                                                                    wgcna分析
参考文献
juan du , shoudong wang , cunman he, et al. identification of regulatory networks and hub genes controlling soybean seed set and size using rna sequencing analysis. journal of experimental botany. 2017, 68(8):1955-1972. (if: 5.667)


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