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单细胞RNA-seq分析技能Skill scanpy

Scanpy是一个用于单细胞RNA-seq数据分析的Python工具包，提供完整工作流程，包括数据加载、质量控制、标准化、降维、聚类、标记基因识别、细胞类型注释和轨迹分析。关键词：单细胞RNA-seq, 数据分析, Python, 生物信息学, 扫描派, 基因表达, 细胞聚类, 可视化。

数据分析 0 次安装 0 次浏览 更新于 3/16/2026

name: scanpy description: “单细胞RNA-seq分析。加载.h5ad/10X数据、质量控制、标准化、PCA/UMAP/t-SNE降维、Leiden聚类、标记基因识别、细胞类型注释、轨迹分析，用于scRNA-seq分析。”

Scanpy: 单细胞分析

概述

Scanpy是一个可扩展的Python工具包，用于分析单细胞RNA-seq数据，基于AnnData构建。应用此技能可完成完整的单细胞工作流程，包括质量控制、标准化、降维、聚类、标记基因识别、可视化和轨迹分析。

何时使用此技能

此技能应在以下情况下使用：

  • 分析单细胞RNA-seq数据（.h5ad、10X、CSV格式）
  • 对scRNA-seq数据集执行质量控制
  • 创建UMAP、t-SNE或PCA可视化
  • 识别细胞簇并查找标记基因
  • 基于基因表达注释细胞类型
  • 进行轨迹推断或伪时间分析
  • 生成出版质量的单细胞图

快速开始

基本导入和设置

import scanpy as sc
import pandas as pd
import numpy as np

# 配置设置
sc.settings.verbosity = 3
sc.settings.set_figure_params(dpi=80, facecolor='white')
sc.settings.figdir = './figures/'

加载数据

# 从10X Genomics
adata = sc.read_10x_mtx('path/to/data/')
adata = sc.read_10x_h5('path/to/data.h5')

# 从h5ad（AnnData格式）
adata = sc.read_h5ad('path/to/data.h5ad')

# 从CSV
adata = sc.read_csv('path/to/data.csv')

理解AnnData结构

AnnData对象是scanpy中的核心数据结构：

adata.X          # 表达矩阵（细胞×基因）
adata.obs        # 细胞元数据（DataFrame）
adata.var        # 基因元数据（DataFrame）
adata.uns        # 非结构化注释（字典）
adata.obsm       # 多维细胞数据（PCA、UMAP）
adata.raw        # 原始数据备份

# 访问细胞和基因名称
adata.obs_names  # 细胞条形码
adata.var_names  # 基因名称

标准分析工作流程

1. 质量控制

识别和过滤低质量细胞和基因：

# 识别线粒体基因
adata.var['mt'] = adata.var_names.str.startswith('MT-')

# 计算QC指标
sc.pp.calculate_qc_metrics(adata, qc_vars=['mt'], inplace=True)

# 可视化QC指标
sc.pl.violin(adata, ['n_genes_by_counts', 'total_counts', 'pct_counts_mt'],
             jitter=0.4, multi_panel=True)

# 过滤细胞和基因
sc.pp.filter_cells(adata, min_genes=200)
sc.pp.filter_genes(adata, min_cells=3)
adata = adata[adata.obs.pct_counts_mt < 5, :]  # 移除高MT%细胞

使用QC脚本进行自动化分析：

python scripts/qc_analysis.py input_file.h5ad --output filtered.h5ad

2. 标准化和预处理

# 归一化到每个细胞10,000个计数
sc.pp.normalize_total(adata, target_sum=1e4)

# 对数转换
sc.pp.log1p(adata)

# 保存原始计数以备后用
adata.raw = adata

# 识别高可变基因
sc.pp.highly_variable_genes(adata, n_top_genes=2000)
sc.pl.highly_variable_genes(adata)

# 子集到高可变基因
adata = adata[:, adata.var.highly_variable]

# 回归掉不希望的变化
sc.pp.regress_out(adata, ['total_counts', 'pct_counts_mt'])

# 缩放数据
sc.pp.scale(adata, max_value=10)

3. 降维

# PCA
sc.tl.pca(adata, svd_solver='arpack')
sc.pl.pca_variance_ratio(adata, log=True)  # 检查肘部图

# 计算邻域图
sc.pp.neighbors(adata, n_neighbors=10, n_pcs=40)

# UMAP用于可视化
sc.tl.umap(adata)
sc.pl.umap(adata, color='leiden')

# 替代方案：t-SNE
sc.tl.tsne(adata)

4. 聚类

# Leiden聚类（推荐）
sc.tl.leiden(adata, resolution=0.5)
sc.pl.umap(adata, color='leiden', legend_loc='on data')

# 尝试多种分辨率以找到最佳粒度
for res in [0.3, 0.5, 0.8, 1.0]:
    sc.tl.leiden(adata, resolution=res, key_added=f'leiden_{res}')

5. 标记基因识别

# 为每个聚类查找标记基因
sc.tl.rank_genes_groups(adata, 'leiden', method='wilcoxon')

# 可视化结果
sc.pl.rank_genes_groups(adata, n_genes=25, sharey=False)
sc.pl.rank_genes_groups_heatmap(adata, n_genes=10)
sc.pl.rank_genes_groups_dotplot(adata, n_genes=5)

# 获取结果为DataFrame
markers = sc.get.rank_genes_groups_df(adata, group='0')

6. 细胞类型注释

# 定义已知细胞类型的标记基因
marker_genes = ['CD3D', 'CD14', 'MS4A1', 'NKG7', 'FCGR3A']

# 可视化标记
sc.pl.umap(adata, color=marker_genes, use_raw=True)
sc.pl.dotplot(adata, var_names=marker_genes, groupby='leiden')

# 手动注释
cluster_to_celltype = {
    '0': 'CD4 T细胞',
    '1': 'CD14+ 单核细胞',
    '2': 'B细胞',
    '3': 'CD8 T细胞',
}
adata.obs['cell_type'] = adata.obs['leiden'].map(cluster_to_celltype)

# 可视化注释类型
sc.pl.umap(adata, color='cell_type', legend_loc='on data')

7. 保存结果

# 保存处理后的数据
adata.write('results/processed_data.h5ad')

# 导出元数据
adata.obs.to_csv('results/cell_metadata.csv')
adata.var.to_csv('results/gene_metadata.csv')

常见任务

创建出版质量图

# 设置高质量默认值
sc.settings.set_figure_params(dpi=300, frameon=False, figsize=(5, 5))
sc.settings.file_format_figs = 'pdf'

# UMAP自定义样式
sc.pl.umap(adata, color='cell_type',
           palette='Set2',
           legend_loc='on data',
           legend_fontsize=12,
           legend_fontoutline=2,
           frameon=False,
           save='_publication.pdf')

# 标记基因热图
sc.pl.heatmap(adata, var_names=genes, groupby='cell_type',
              swap_axes=True, show_gene_labels=True,
              save='_markers.pdf')

# 点图
sc.pl.dotplot(adata, var_names=genes, groupby='cell_type',
              save='_dotplot.pdf')

参考references/plotting_guide.md获取全面的可视化示例。

轨迹推断

# PAGA（基于分区的图抽象）
sc.tl.paga(adata, groups='leiden')
sc.pl.paga(adata, color='leiden')

# 扩散伪时间
adata.uns['iroot'] = np.flatnonzero(adata.obs['leiden'] == '0')[0]
sc.tl.dpt(adata)
sc.pl.umap(adata, color='dpt_pseudotime')

条件间差异表达

# 在细胞类型内比较处理与对照
adata_subset = adata[adata.obs['cell_type'] == 'T细胞']
sc.tl.rank_genes_groups(adata_subset, groupby='condition',
                         groups=['treated'], reference='control')
sc.pl.rank_genes_groups(adata_subset, groups=['treated'])

基因集评分

# 为细胞评分基因集表达
基因集 = ['CD3D', 'CD3E', 'CD3G']
sc.tl.score_genes(adata, 基因集, score_name='T_cell_score')
sc.pl.umap(adata, color='T_cell_score')

批次校正

# ComBat批次校正
sc.pp.combat(adata, key='batch')

# 替代方案：使用Harmony或scVI（单独包）

关键参数调整

质量控制

  • min_genes：每个细胞最小基因数（通常200-500）
  • min_cells：每个基因最小细胞数（通常3-10）
  • pct_counts_mt：线粒体阈值（通常5-20%）

标准化

  • target_sum：每个细胞目标计数（默认1e4）

特征选择

  • n_top_genes：高可变基因数（通常2000-3000）
  • min_mean, max_mean, min_disp：高可变基因选择参数

降维

  • n_pcs：主成分数（检查方差比图）
  • n_neighbors：邻居数（通常10-30）

聚类

  • resolution：聚类粒度（0.4-1.2，更高=更多簇）

常见陷阱和最佳实践

  1. 始终保存原始计数：过滤基因前adata.raw = adata
  2. 仔细检查QC图：基于数据集质量调整阈值
  3. 使用Leiden而非Louvain：更高效且结果更好
  4. 尝试多种聚类分辨率：找到最佳粒度
  5. 验证细胞类型注释：使用多个标记基因
  6. 基因表达图使用use_raw=True：显示原始计数
  7. 检查PCA方差比：确定最佳PC数
  8. 保存中间结果：长工作流程可能中途失败

捆绑资源

scripts/qc_analysis.py

自动化质量控制脚本，计算指标、生成图并过滤数据：

python scripts/qc_analysis.py input.h5ad --output filtered.h5ad \
    --mt-threshold 5 --min-genes 200 --min-cells 3

references/standard_workflow.md

完整的逐步工作流程，详细解释和代码示例，包括：

  • 数据加载和设置
  • 质量控制和可视化
  • 标准化和缩放
  • 特征选择
  • 降维（PCA、UMAP、t-SNE）
  • 聚类（Leiden、Louvain）
  • 标记基因识别
  • 细胞类型注释
  • 轨迹推断
  • 差异表达

从头执行完整分析时阅读此参考。

references/api_reference.md

scanpy函数的快速参考指南，按模块组织：

  • 读/写数据（sc.read_*, adata.write_*）
  • 预处理（sc.pp.*）
  • 工具（sc.tl.*）
  • 绘图（sc.pl.*）
  • AnnData结构和操作
  • 设置和实用程序

用于快速查找函数签名和常见参数。

references/plotting_guide.md

全面的可视化指南，包括：

  • 质量控制图
  • 降维可视化
  • 聚类可视化
  • 标记基因图（热图、点图、小提琴图）
  • 轨迹和伪时间图
  • 出版质量定制
  • 多面板图
  • 调色板和样式

创建出版就绪图时查阅此指南。

assets/analysis_template.py

完整分析模板，提供从数据加载到细胞类型注释的完整工作流程。复制并自定义此模板以进行新分析：

cp assets/analysis_template.py my_analysis.py
# 编辑参数并运行
python my_analysis.py

模板包括所有标准步骤，带有可配置参数和有用注释。

其他资源

有效分析提示

  1. 从模板开始：使用assets/analysis_template.py作为起点
  2. 先运行QC脚本：使用scripts/qc_analysis.py进行初始过滤
  3. 根据需要查阅参考：加载工作流程和API参考到上下文
  4. 迭代聚类：尝试多种分辨率和可视化方法
  5. 生物学验证：检查标记基因匹配预期细胞类型
  6. 记录参数：记录QC阈值和分析设置
  7. 保存检查点：在关键步骤写入中间结果