用途
Arboreto 是一个用于从基因表达数据推断基因调控网络(GRN)的计算库,使用可并行化算法,可从单机扩展到多节点集群。其核心能力是根据观测样本(细胞、样本、条件)间的表达模式,识别哪些转录因子(TF)调控哪些靶基因。
适用场景为转录组数据分析,包括 bulk RNA-seq 与单细胞 RNA-seq。
主要能力
- 基本 GRN 推断:输入数据准备(Pandas DataFrame 或 NumPy 数组),使用 GRNBoost2 或 GENIE3 执行推断,可按转录因子过滤,并输出可解释的结果格式。
- 算法选择:提供 GRNBoost2 和 GENIE3 两种算法。GRNBoost2 为基于梯度提升的快速推断,针对大型数据集(1 万以上观测)优化,是大多数分析的默认选择;GENIE3 为基于随机森林的推断,采用原始多元回归方法,用于对比或验证。
- 分布式计算:可从本地多核扩展到集群环境。本地模式默认自动使用全部可用核心;也可自定义本地客户端控制资源;集群模式可连接远程 Dask 调度器。
- 与 pySCENIC 集成:Arboreto 是 SCENIC 流程中用于单细胞调控网络分析的核心组件,可用于 GRN 推断,后续调控子识别与活性评分参见 pySCENIC 文档。
- 可复现性:可设置随机种子以获得可复现结果,也可使用多个种子进行稳健性分析并合并网络、筛选共识连接。
使用方式
安装:
uv pip install arboreto
依赖项:scipy、scikit-learn、numpy、pandas、dask、distributed。
基本推断示例:
import pandas as pd
from arboreto.algo import grnboost2
if __name__ == '__main__':
# Load expression data (genes as columns)
expression_matrix = pd.read_csv('expression_data.tsv', sep='\t')
# Infer regulatory network
network = grnboost2(expression_data=expression_matrix)
# Save results (TF, target, importance)
network.to_csv('network.tsv', sep='\t', index=False, header=False)
关键点:始终使用 if __name__ == '__main__': 保护,因为 Dask 会生成新进程。
也可使用现成脚本执行标准推断任务:
python scripts/basic_grn_inference.py expression_data.tsv output_network.tsv --tf-file tfs.txt --seed 777
算法对比:
from arboreto.algo import grnboost2, genie3
# Fast, recommended
network_grnboost = grnboost2(expression_data=matrix)
# Classic algorithm
network_genie3 = genie3(expression_data=matrix)
自定义本地客户端控制资源:
from distributed import LocalCluster, Client
local_cluster = LocalCluster(n_workers=10, memory_limit='8GB')
client = Client(local_cluster)
network = grnboost2(expression_data=matrix, client_or_address=client)
client.close()
local_cluster.close()
连接远程 Dask 调度器:
from distributed import Client
client = Client('tcp://scheduler:8786')
network = grnboost2(expression_data=matrix, client_or_address=client)
输出解读
Arboreto 返回包含调控连接的 DataFrame,列为:
| 列 | 说明 |
|---|---|
| TF | 转录因子(调控者) |
| target | 靶基因 |
| importance | 调控重要性得分(越高表示越强) |
过滤策略包括:每个靶基因取前 N 个连接、按重要性阈值过滤(例如 > 0.5)、统计显著性检验(置换检验)。
常见用例
单细胞 RNA-seq 分析:加载单细胞表达矩阵(细胞 × 基因),推断细胞类型特异性调控网络,并过滤高置信连接。
import pandas as pd
from arboreto.algo import grnboost2
if __name__ == '__main__':
# Load single-cell expression matrix (cells x genes)
sc_data = pd.read_csv('scrna_counts.tsv', sep='\t')
# Infer cell-type-specific regulatory network
network = grnboost2(expression_data=sc_data, seed=42)
# Filter high-confidence links
high_confidence = network[network['importance'] > 0.5]
high_confidence.to_csv('grn_high_confidence.tsv', sep='\t', index=False)
Bulk RNA-seq 配合 TF 过滤:
from arboreto.utils import load_tf_names
from arboreto.algo import grnboost2
if __name__ == '__main__':
# Load data
expression_data = pd.read_csv('rnaseq_tpm.tsv', sep='\t')
tf_names = load_tf_names('human_tfs.txt')
# Infer with TF restriction
network = grnboost2(
expression_data=expression_data,
tf_names=tf_names,
seed=123
)
network.to_csv('tf_target_network.tsv', sep='\t', index=False)
多条件比较分析:
from arboreto.algo import grnboost2
if __name__ == '__main__':
# Infer networks for different conditions
conditions = ['control', 'treatment_24h', 'treatment_48h']
for condition in conditions:
data = pd.read_csv(f'{condition}_expression.tsv', sep='\t')
network = grnboost2(expression_data=data, seed=42)
network.to_csv(f'{condition}_network.tsv', sep='\t', index=False)
可复现性
始终设置随机种子以获得可复现结果:
network = grnboost2(expression_data=matrix, seed=777)
可使用多个种子进行稳健性分析,合并网络并筛选共识连接。
故障排查
- 内存错误:通过过滤低方差基因减小数据集,或使用分布式计算。
- 性能缓慢:使用 GRNBoost2 而非 GENIE3,启用分布式客户端,过滤 TF 列表。
- Dask 错误:确保脚本中存在
if __name__ == '__main__':保护。 - 结果为空:检查数据格式(基因为列),核实 TF 名称与基因名称匹配。
限制
关于算法细节、参数说明与选择指导、集群设置、性能优化及大规模工作流等更多内容,资料中指向相应参考文档;具体收费、价格与平台信息暂未提供。