零基础入门转录组数据分析——机器学习算法之SVM-RFE（筛选特征基因）

news2024/11/15 19:32:31

零基础入门转录组数据分析——机器学习算法之SVM-RFE（筛选特征基因）

目录

  • 零基础入门转录组数据分析——机器学习算法之SVM-RFE（筛选特征基因）
    • 1. SVM-RFE基础知识
    • 2. SVM-RFE（Rstudio）——代码实操
      • 2. 1 数据处理
      • 2. 2 构建SVM-RFE模型
      • 2. 3 SVM-RFE结果简单可视化
    • 注：配套资源只要改个路径就能运行，本人已检测过可以跑通，请放心食用，食用过程遇到问题，可先自行百度，实在解决不了可以私信

1. SVM-RFE基础知识

1.1 SVM是什么？
SVM（Support Vector Machine）算法是一种常见的监督学习算法，用于进行二分类或多分类任务。其主要思想是找到一个最优的组合，将不同类别的样本分隔开

1.2 RFE是什么？
RFE（Recursive Feature Elimination）算法是一种常用的特征选择方法，其通过逐步迭代，训练模型并剔除最不重要的特征，然后再次训练模型，直到达到指定的特征数量或达到某个性能指标。

1.3 SVM-RFE是什么？
SVM-RFE算法是SVM和RFE算法的结合，通过SVM模型进行特征的重要性评估，并利用RFE的迭代过程逐步剔除不重要的特征。

1.4 SVM-RFE原理？
SVM-RFE算法基于SVM的最大间隔原理，通过模型训练样本，对每个特征进行得分排序，之后利用RFE算法逐步迭代的方式：去掉最小特征得分的特征，然后用剩余的特征再次训练模型，进行下一次迭代，最后选出最优的特征组合。

1.5 SVM-RFE的优势？

  • 结合两种算法的优点： SVM算法主要关注于分类任务，通过寻找最优组合来实现不同类别样本的分离，但它本身并不具备特征选择的能力，而RFE算法则会迭代剔除不重要的特征，这样就能够在模型训练的同时进行特征选择，从而选出对分类结果最有影响的特征子集
  • 考虑特征之间的关联： 在每一轮迭代中，都会重新计算特征的权重，这样可以更好地考虑特征之间的关联关系，避免特征选择过程中的信息丢失。
  • 提高模型泛化能力： 通过剔除不重要的特征，SVM-RFE算法能够减少特征空间的维度，降低模型的复杂性，从而提高模型的泛化能力。
    -提高模型可解释能力： 筛选出的特征子集往往具有更好的可解释性，因为它们是数据中最具代表性的特征组合，同时算法会自动计算特征重要性并进行迭代，这样就减少了人为选择变量的可能性。

1.6 SVM-RFE的本质是什么？
筛选出一些关键特征，这些关键特征相对于其他特征来说，区分样本的能力更加精确。

举个栗子： 输入了8个基因的表达矩阵，此时基于这8个基因构建模型去观测模型对与样本的区分能力，发现区分准确性为80%，之后通过迭代的方式逐一剔除相对不重要的基因，最后发现剔除3个“不重要”基因后剩余5个基因构建的模型区分样本的准确性为95%（最高），那么此时认为这5个基因组合而成的模型为最优模型，这5个基因就作为对分类结果最有影响的特征子集被输出了。

综上所述： SVM-RFE就是一种用来筛选 关键特征 的方法（其结合了SVM算法的优点，同时也结合了RFE算法的优点），这个关键特征可以是临床指标，也可以是重要基因等，并且在关键特征选择的时候避免了人为的选择（算法自动迭代），输出基因重要性提高了可解释性。

2. SVM-RFE（Rstudio）——代码实操

本项目以TCGA——肺腺癌为例展开分析
物种：人类（Homo sapiens）
R版本：4.2.2
R包：tidyverse，caret，ggplot2，cowplot，ggplotify

废话不多说，代码如下：

2. 1 数据处理

设置工作空间：

rm(list = ls()) # 删除工作空间中所有的对象
setwd('/XX/XX/XX') # 设置工作路径
if(!dir.exists('./09_SVM-RFE')){
  dir.create('./09_SVM-RFE')
} 
setwd('./09_SVM-RFE/')

加载包：

library(tidyverse)
library(caret)
library(ggplot2)
library(cowplot)
library(ggplotify)

导入要分析的表达矩阵train_data ，并对train_data 的列名进行处理（这是因为在读入的时候系统会默认把样本id中的“-”替换成“.”，所以要给替换回去）

train_data <- read.csv("./data_fpkm.csv", row.names = 1, check.names = F)  # 行名为全部基因名，每列为样本名
colnames(train_data) <- gsub('.', '-', colnames(train_data), fixed = T)

train_data 如下图所示，行为基因名（symbol），列为样本名
在这里插入图片描述
导入分组信息表group 

group <- read.csv("./data_group.csv", row.names = 1) # 为每个样本的分组信息（tumor和normal）
colnames(group) <- c('sample', 'group')

group 如下图所示，第一列sample为样本名，第二列为样本对应的分组 （分组为二分类变量：disease和control）
在这里插入图片描述
导入要筛选的基因hub_gene (8个基因)

hub_gene <- data.frame(symbol = gene <- c('ADAMTS2', 'ADAMTS4', 'AGRN', 'COL5A1', 'CTSB', 'FMOD', 'LAMB3', 'LAMB4'))
colnames(hub_gene) <- "symbol"

hub_gene 如下图所示，只有一列：8个基因的基因名
在这里插入图片描述
从全部的基因表达矩阵中取出这8个基因对应的表达矩阵，并且与之前准备的分组信息表进行合并

dat <- train_data[rownames(train_data) %in% hub_gene$symbol, ] %>%
  t() %>%
  as.data.frame() # 整理后行为样本名，列为基因名
dat$sample <- rownames(dat)
dat <- merge(dat, group, var = "sample")
dat <- column_to_rownames(dat, var = "sample") %>% as.data.frame()

table(dat$group)
dat$group <- factor(dat$group, levels = c('disease', 'control'))

dat 如下图所示，行为基因名，前8列为基因对应的表达矩阵，第9列为合并的分组信息表
在这里插入图片描述

2. 2 构建SVM-RFE模型

构建SVM-RFE模型：
（1）使用rfeControl函数来设置递归特征消除过程中的交叉验证（CV）参数。这里指定了使用caretFuncs（一系列预定义的训练和预测函数，包括错误率等评估指标）作为评估函数，使用cv（交叉验证）作为方法，并设置交叉验证的次数为10次（number = 10）。

（2）执行递归特征消除 (rfe)算法构建模型rfe函数常用参数介绍如下：

  • x参数——是要输入的基因表达矩阵（也称为特征或自变量）
  • y 参数——这是要区分的目标变量。这里指向的是dat$group，根据前面得知这里是二分类变量分组——disease和control
  • sizes参数——这个参数指定了特征子集（要分析的范围），这里用c(1 : num)表示从1个特征到所有特征（除了最后一列）的所有可能组合都将被评估。
  • rfeControl参数——这个参数传递了之前定义的交叉验证控制参数。
  • method 参数——这个参数指定了用于评估特征子集性能的机器学习算法，这里是使用svmRadial方法——是使用支持向量机作为底层分类器，并且该SVM使用的是径向基函数核 （关于这个方法的介绍在这里不做展开介绍，感兴趣的小伙伴可以自行检索下）

（构建SVM-RFE模型中比较关注的参数就是上述的这些，当然还有其他参数，如果想深入了解可自行查看官方说明文档）

set.seed(21) # 设置种子
control <- rfeControl(functions = caretFuncs, method = "cv", number = 10) # cv 交叉验证次数10
# 执行SVM-RFE算法
num <- ncol(dat)-1
results <- rfe(x = dat[, 1:num], # 除去最后一列，其余列均为预测变量（也就是hubgene的表达量）
               y = dat$group, # 分组信息
               sizes = c(1:num), 
               rfeControl = control,
               method = "svmRadial"
)

注：在构建模型的时候切记要设置种子（设置随机种子是为了确保结果的可重复性。由于交叉验证涉及随机分割数据，因此设置种子可以确保每次运行代码时，数据的分割方式都是相同的，从而得到相同的模型结果）

注2：这一步在构建模型的时候花费的时间会比较长，属于正常情况！

接下来从构建的最优模型中提取出最优模型组合，并保存关键基因

## 结果分析
svmrfe_result <- data.frame(symbol = predictors(results)) ## 7个基因

write.csv(svmrfe_result, file = 'svm_rfe_gene.csv')

svmrfe_result中就对应着最优模型组合中的基因，如下图所示，可以看到只有7个基因，有个基因被剔除了，这7个基因就被认为是更加重要的特征基因。
在这里插入图片描述

2. 3 SVM-RFE结果简单可视化

接下来一步就是要对SVM-RFE结果进行简单可视化，毕竟文章里是要放图的，并且图片展现的效果会更好!!!

# SVM-RFE结果简单可视化
p1 <- plot(results, type=c("o"),
           xgap.axis = 1)
p1 <- as.ggplot(plot_grid(p1))+
  labs(title="SVM_RFE_analyse", x="", y = "",size=25) +
  # theme_bw()+
  theme(plot.title = element_text(hjust =0.5,colour="black",face="bold",size=25),
        axis.text.x = element_blank(), 
        axis.text.y = element_blank(), 
        axis.title.x = element_blank(),
        axis.title.y = element_blank(),
        legend.text = element_blank(),
        legend.title = element_blank(),
        legend.position = "none",
        panel.grid.major = element_blank(),
        panel.grid.minor = element_blank())
p1

SVM-RFE结果如下图所示，横坐标为变量对应的数目（这里指的是基因数目），纵坐标为区分样本的准确性，可以看到当所有基因都存在的时候（最右侧的点）区分准确度为0.96，剔除掉一个相对不重要的基因后区分准确度最高，之后再剔除基因就会导致模型区分准确度下降。
在这里插入图片描述

结语：

以上就是SVM-RFE算法筛选关键基因的所有过程，如果有什么需要补充或不懂的地方，大家可以私聊我或者在下方评论。

如果觉得本教程对你有所帮助，点赞关注不迷路！！！

与教程配套的原始数据+代码+处理好的数据见配套资源

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