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Python也能画漂亮的complex heatmap？

百家 作者：数据分析 2023-02-01 14:18:43

对于经常用R语言来画图的科研工作者来说，应该对ComplexHeatmap（https://jokergoo.github.io/ComplexHeatmap-reference/book/）很熟悉了吧。这个包画的热图，既专业又漂亮。

可惜的是，在python中，一直没能出现一个可以画出好看complex heatmap的包，由于我们在用python做机器学习或者处理大数据的时候，也需要画热图，而在python和R中来回切换，也比较麻烦而且没有效率。

今天，给大家介绍一款可以在python中画出类似于R中ComplexHeatmap效果的包：PyComplexHeatmap（https://github.com/DingWB/PyComplexHeatmap）。直接看下面的代码和图吧(教程来自：https://github.com/DingWB/PyComplexHeatmap/blob/main/examples.ipynb)：

1. 导入相关包

import os,sys
import PyComplexHeatmap
from PyComplexHeatmap import *
%matplotlib inline
import matplotlib.pylab as plt
plt.rcParams['figure.dpi'] = 120
plt.rcParams['savefig.dpi']=300

2. 快速入门

#Generate example dataset
df = pd.DataFrame(['AAAA1'] * 5 + ['BBBBB2'] * 5, columns=['AB'])
df['CD'] = ['C'] * 3 + ['D'] * 3 + ['G'] * 4
df['EF'] = ['E'] * 6 + ['F'] * 2 + ['H'] * 2
df['F'] = np.random.normal(0, 1, 10)
df.index = ['sample' + str(i) for i in range(1, df.shape[0] + 1)]
df_box = pd.DataFrame(np.random.randn(10, 4), columns=['Gene' + str(i) for i in range(1, 5)])
df_box.index = ['sample' + str(i) for i in range(1, df_box.shape[0] + 1)]
df_bar = pd.DataFrame(np.random.uniform(0, 10, (10, 2)), columns=['TMB1', 'TMB2'])
df_bar.index = ['sample' + str(i) for i in range(1, df_box.shape[0] + 1)]
df_scatter = pd.DataFrame(np.random.uniform(0, 10, 10), columns=['Scatter'])
df_scatter.index = ['sample' + str(i) for i in range(1, df_box.shape[0] + 1)]
df_heatmap = pd.DataFrame(np.random.randn(50, 10), columns=['sample' + str(i) for i in range(1, 11)])
df_heatmap.index = ["Fea" + str(i) for i in range(1, df_heatmap.shape[0] + 1)]
df_heatmap.iloc[1, 2] = np.nan

plt.figure(figsize=(6, 12))
row_ha = HeatmapAnnotation(label=anno_label(df.AB, merge=True),
                           AB=anno_simple(df.AB,add_text=True),axis=1,
                           CD=anno_simple(df.CD, colors={'C': 'red', 'D': 'yellow', 'G': 'green'},add_text=True),
                           Exp=anno_boxplot(df_box, cmap='turbo'),
                           Scatter=anno_scatterplot(df_scatter), TMB_bar=anno_barplot(df_bar),
                           )
cm = ClusterMapPlotter(data=df_heatmap, top_annotation=row_ha, col_split=2, row_split=3, col_split_gap=0.5,
                     row_split_gap=1,col_dendrogram=False,plot=True,
                     tree_kws={'col_cmap': 'Set1', 'row_cmap': 'Dark2'})
plt.savefig("example1_heatmap.pdf", bbox_inches='tight')
plt.show()

3. 画行/列注释

3.1 仅画行/列的注释信息

plt.figure(figsize=(6, 4))
row_ha = HeatmapAnnotation(label=anno_label(df.AB, merge=True),
                            AB=anno_simple(df.AB,add_text=True,legend=True), axis=1,
                            CD=anno_simple(df.CD, colors={'C': 'red', 'D': 'gray', 'G': 'yellow'},
                                           add_text=True,legend=True),
                            Exp=anno_boxplot(df_box, cmap='turbo',legend=True),
                            Scatter=anno_scatterplot(df_scatter), TMB_bar=anno_barplot(df_bar,legend=True),
                           plot=True,legend=True,legend_gap=5
                            )
plt.savefig("col_annotation.pdf", bbox_inches='tight')
plt.show()

anno_label:

anno_label是用来将行/列注释信息（比如样本的性别、分组、亚型等）单独添加为一行文本（比如上图中倾斜的AAAA1和BBBBB2），merge参数控制是否将相邻两个或者多个单元格的注释信息合并为一个（如果相邻单元格的标签相同的话） 如果 merge!= True, 那么，每一列的列标签都会被单独加上去（有时看起来会比较拥挤）。

anno_simple:

anno_simple是用来添加一个简单注释的函数（比如上图中的AB和CD那两列colorbar），cmap参数可以是分类型（categorical） (比如Set1, Dark2, tab10等) ，也可以是连续的 (比如jet, turbo, parula等)。 参数add_text 控制是否添加文本到单元格上面（比如上图中CD行单元格上面的文字C、D、G和AB列上面的注释文字）。如果颜色和字体大小没有被指定，函数会自动决定。比如，如果背景颜色是深色，那么文字颜色就会是浅色，否则字体颜色就是深色（比如CD行中的文字G就是被自动设定为黑色）。文字的颜色也可以通过参数text_kws={'color':your_color}来改变，比如：

plt.figure(figsize=(5, 4))
row_ha = HeatmapAnnotation(label=anno_label(df.AB, merge=True),
                            AB=anno_simple(df.AB,add_text=True,legend=True,text_kws={'color':'gold'}), axis=1,
                            CD=anno_simple(df.CD,add_text=True,legend=True,text_kws={'color':'purple'}),
                            Exp=anno_boxplot(df_box, cmap='turbo',legend=True),
                            Scatter=anno_scatterplot(df_scatter), TMB_bar=anno_barplot(df_bar,legend=True),
                           plot=True,legend=True,legend_gap=5)
plt.show()

只需要一个python数据框dataframe就可以快速添加各类注释

当数据框df被给定时，该dataframe中的所有列都被单独作为anno_simple注释。比如，下面一个数据框df中有4列：AB、CD、EF、F，所有4列都会被自动画成列注释图。如果某一列不是连续型，而是字符等分类型变量，也可以用anno_boxplot或者anno_scatterplot等添加箱线图或者散点图作为列（比如样本）的信息注释（比如肿瘤样本的某种打分、某些基因表达的箱线图分布等）。

plt.figure(figsize=(3, 3))
row_ha = HeatmapAnnotation(df=df,plot=True,legend=True)
plt.show()

3.2 将图和图例分开

有时，我们可能会只需要图，不需要图例，也可能是要将图例单独画出来，PyComplexHeatmap可以实现这个功能，只需要让plot_legend=False，然后再新建一个图，执行 row_ha.plot_legends就可以单独画图例了。

只需要plt.figure(figsize=(6, 4))
row_ha = HeatmapAnnotation(label=anno_label(df.AB, merge=True),
                            AB=anno_simple(df.AB,add_text=True,legend=True), axis=1,
                            CD=anno_simple(df.CD,add_text=True,legend=True),
                            Exp=anno_boxplot(df_box, cmap='turbo',legend=True),
                            Scatter=anno_scatterplot(df_scatter), TMB_bar=anno_barplot(df_bar,legend=True),
                           plot=True,legend=True,plot_legend=False,
                           legend_gap=5
                            )
plt.savefig("col_annotation.pdf", bbox_inches='tight')
plt.show()

plt.figure()
row_ha.plot_legends()
plt.savefig("legend.pdf",bbox_inches='tight')
plt.show()
No ax was provided, using plt.gca()

4. 画聚类图加行/列注释信息

我们这里使用 PyComplexHeatmap包中提供的example数据集：

!wget https://github.com/DingWB/PyComplexHeatmap/raw/main/data/influence_of_snp_on_beta.pickle
--2022-05-05 22:37:43--  https://github.com/DingWB/pyclustermap/raw/main/data/influence_of_snp_on_beta.pickle
Resolving github.com (github.com)... 140.82.112.4
Connecting to github.com (github.com)|140.82.112.4|:443... connected.
HTTP request sent, awaiting response... 404 Not Found
2022-05-05 22:37:43 ERROR 404: Not Found.
import pickle
import urllib
f=open("influence_of_snp_on_beta.pickle",'rb')
data=pickle.load(f)
f.close()
beta,snp,df_row,df_col,col_colors_dict,row_colors_dict=data
# beta is DNA methylation beta values matrix, df_row and df_col are row and columns annotation respectively, col_colors_dict and row_colors_dict are color for annotation
print(beta.iloc[:,list(range(5))].head(5))
print(df_row.head(5))
print(df_col.head(5))
beta=beta.sample(2000)
snp=snp.loc[beta.index.tolist()]
df_row=df_row.loc[beta.index.tolist()]
                 204875570030_R01C02  204875570030_R04C01  \
cg30848532_TC21  0.525089             0.419515              
cg30147375_BC21  0.803776             0.585928              
cg46239718_BC21  0.443958             0.517514              
cg36100119_BC21  0.351977             0.528846              
cg42738582_BC21  0.783958             0.724901              

                 204875570030_R05C01  204875570030_R06C01  204875570035_R05C02  
cg30848532_TC21  0.483276             0.460750             0.390317             
cg30147375_BC21  0.510269             0.831463             0.550146             
cg46239718_BC21  0.535909             0.450167             0.564107             
cg36100119_BC21  0.524896             0.374422             0.551200             
cg42738582_BC21  0.802178             0.848621             0.850481             
                   chr  Target  CpG  ExtensionBase ProbeDesign CON  mapFlag  \
cg30848532_TC21  chr12  1       1    0              II          C   16        
cg30147375_BC21  chr11  0       0    0              II          C   0         
cg46239718_BC21  chr8   1       1    0              II          C   0         
cg36100119_BC21  chr19  1       1    0              II          C   16        
cg42738582_BC21  chr5   0       0    0              II          C   16        

                                        Group  \
cg30848532_TC21  Suboptimal hybridization       
cg30147375_BC21  No Effect                      
cg46239718_BC21  Artificial low meth. reading   
cg36100119_BC21  Suboptimal hybridization       
cg42738582_BC21  Suboptimal hybridization       

                                                  Type  
cg30848532_TC21  1-1-0-CG-GG-II-C-16-GA-chr12-79760438  
cg30147375_BC21  0-0-0-ca-ac-II-C-0-AG-chr11-109557651  
cg46239718_BC21  1-1-0-cg-gt-II-C-0-GA-chr8-117860829   
cg36100119_BC21  1-1-0-CG-GG-II-C-16-GA-chr19-5877949   
cg42738582_BC21  0-0-0-AA-AA-II-C-16-AG-chr5-122031379  
                       Strain              Tissue     Sex
204875570030_R01C02  MOLF_EiJ  Frontal Lobe Brain  Female
204875570030_R04C01  CAST_EiJ  Frontal Lobe Brain  Male  
204875570030_R05C01  CAST_EiJ  Frontal Lobe Brain  Female
204875570030_R06C01  MOLF_EiJ  Frontal Lobe Brain  Male  
204875570035_R05C02  CAST_EiJ  Liver               Male
row_ha = HeatmapAnnotation(Target=anno_simple(df_row.Target,colors=row_colors_dict['Target'],rasterized=True),
                               Group=anno_simple(df_row.Group,colors=row_colors_dict['Group'],rasterized=True),
                               axis=0)
col_ha= HeatmapAnnotation(label=anno_label(df_col.Strain,merge=True,rotation=15),
                          Strain=anno_simple(df_col.Strain,add_text=True),
                          Tissue=df_col.Tissue,Sex=df_col.Sex,axis=1) #df=df_col.loc[:,['Strain','Tissue','Sex']]
plt.figure(figsize=(6, 10))
cm = ClusterMapPlotter(data=beta, top_annotation=col_ha, left_annotation=row_ha,
                     show_rownames=False,show_colnames=False,
                     row_dendrogram=False,col_dendrogram=False,
                     row_split=df_row.loc[:, ['Target', 'Group']],
                     col_split=df_col['Strain'],cmap='parula',
                     rasterized=True,row_split_gap=1,legend=True,
                     tree_kws={'col_cmap':'Set1'})
plt.savefig("clustermap.pdf", bbox_inches='tight')
plt.show()

Key features:

用户可以通过row_split和col_split将所有的行和列按照标签分割成不同的模块，row_split and col_split 可以是数字（分成几个subgroup）、pandas dataframe或者是Series （每个样本对应的类别信息）。

5. 将多个热图[聚类图]水平或者垂直拼接起来

row_ha = HeatmapAnnotation(Target=anno_simple(df_row.Target, colors=row_colors_dict['Target'], rasterized=True),
                               Group=anno_simple(df_row.Group, colors=row_colors_dict['Group'], rasterized=True),
                               axis=0)
col_ha = HeatmapAnnotation(label=anno_label(df_col.Strain, merge=True, rotation=15),
                           Strain=anno_simple(df_col.Strain, add_text=True),
                           Tissue=df_col.Tissue, Sex=df_col.Sex,
                           axis=1)  # df=df_col.loc[:,['Strain','Tissue','Sex']]

cm1 = ClusterMapPlotter(data=beta, top_annotation=col_ha, left_annotation=row_ha,
                       show_rownames=False, show_colnames=False,
                       row_dendrogram=False, col_dendrogram=False,
                       row_split=df_row.loc[:, ['Target', 'Group']],
                       col_split=df_col['Strain'], cmap='parula',
                       rasterized=True, row_split_gap=1, legend=True,
                        plot=False,label='beta',
                       tree_kws={'col_cmap': 'Set1'})  #

cm2 = ClusterMapPlotter(data=snp, top_annotation=col_ha, left_annotation=row_ha,
                        show_rownames=False, show_colnames=False,
                        row_dendrogram=False, col_dendrogram=False,
                        col_cluster_method='ward',row_cluster_method='ward',
                        col_cluster_metric='jaccard',row_cluster_metric='jaccard',
                        row_split=df_row.loc[:, ['Target', 'Group']],
                        col_split=df_col['Strain'],
                        rasterized=True, row_split_gap=1, legend=True,
                        plot=False,cmap='Greys',label='SNP',
                        tree_kws={'col_cmap': 'Set1'})  #

cmlist=[cm1,cm2]

plt.figure(figsize=(10,12))
composite(cmlist=cmlist, main=1,legendpad=0,legend_y=0.8)
plt.savefig("beta_snp.pdf", bbox_inches='tight')
plt.show()

希望这篇文章能对大家有帮助！我们会经常分享生物信息学和计算表观遗传学相关的文章。

转自微信公众号：「Computational Biology」； 

END
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