Cytoscape 基础教程笔记

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Cytoscape 基础教程笔记

Cytoscape 是一款开源的生物网络可视化和分析软件，广泛应用于蛋白质相互作用网络、基因调控网络等生物信息学数据的展示与分析。以下是根据官方基础教程整理的八课笔记。

第一课：新手上路

Cytoscape 可本地安装，也可通过 Web Start 运行，需要 Java 环境（JRE）。启动后需要下载样例文件：

  • .sif 文件：蛋白质相互作用网络信息，蛋白以数字 ID 区分
  • .na 文件：各数字 ID 的注释信息（如基因名）

导入方式：

  • 网络：File → Import → Network 或 Ctrl+L
  • 节点属性：File → Import → Node Attributes

导入后，圆圈代表节点（node），连线代表相互作用（edge）。选中节点后可通过 Select → Nodes → First neighbors of selected nodes 选中直接相互作用蛋白，再用 File → New → Network → From selected nodes, all edges 提取子网络。

布局与样式：

  • Layout 菜单提供多种网络组织方式
  • VizMapper 可定制节点形状、大小、颜色，连线粗细等
  • 样式设置后务必点击 Apply

Cytoscape 也支持从网络直接导入相互作用数据：File → Import → Network 选择 remote 并输入 URL。

第二课：筛选和编辑

筛选（Filter）

  1. 拖放或 Shift 多选节点和连线
  2. Select → Use Filters，在 Filters 面板中 Options → Create new filter
  3. 定义筛选条件，如 edge.interaction，在 Advanced 中输入 non_core 或 core 等类型
  4. 点击 Apply

筛选后可选中特定类型的相互作用，用 Edit → Delete Selected Nodes/Edges 删除。

查找孤立节点

将筛选条件设为 *，选中所有有相互作用的节点，用 New → Network → From selected nodes, selected edges 提取。再用 Layout → spring-embedded layout 重新排列。

编辑网络

在控制面板的 Editor 标签中：

  • 点击 “Add a Node” 添加节点，拖到画布中
  • 点击 “Directed Edge” 添加有向连线
  • 属性在数据面板的 Node Attribute Browser 和 Edge Attribute Browser 中查看和修改
  • Del 键删除选中项

第三课：获取外部数据

常用数据库

数据库 说明 网址
SGD 酵母基因组数据库 db.yeastgenome.org
BIND/BOND 生物分子相互作用网络 bond.unleashedinformatics.com
Pathway Commons 整合多种通路数据库 pathwaycommons.org
Pathguide 生物信息学数据库目录 pathguide.org

数据下载

  • SGD：指定要下载的内容，重定向到新页面后另存为
  • BIND：注册免费账号，搜索目标分子，在 interactions 结果右上角导出为 .sif 格式
  • Pathway Commons：直接搜索并导入

数据融合

下载多个源的相互作用网络后，可用 Graph Merge 插件（或 Plugins → Advanced Network Merge）融合成一张图。

第四课：表达分析

数据格式

表达数据文件（如 .mrna）格式：

  • 第一行：数据标签
  • 第一栏：节点名称（必须与 .sif 文件中一致）
  • 第二栏：基因座名
  • 后续各栏：表达信息
  • 各栏之间用空白符分隔

导入与可视化

  1. 导入 .sif 网络文件
  2. Import → Attribute/Expression Matrix（Ctrl+E）导入表达数据
  3. 在 VizMapper 中新建显示风格
  4. 双击 Node color，选择 continuous mapping
  5. 设置颜色阈值（如表达量高为红色，低为绿色）
  6. 点击 Apply

案例分析

以酵母 Gal 转录因子（Gal1、Gal4、Gal80）为例：

  1. 先用 Filter 去除 pp（protein-protein）相互作用
  2. 用 yFiles Organic layout 查看剩余连线
  3. 选择强烈诱导或抑制的节点及其邻居
  4. 复制到新网络中分析转录因子对不同蛋白表达量的影响

第五课：Agilent Literature Search 插件

ALS 插件可从文献中自动构建相互作用网络。

安装与使用

  1. 下载 .jar 放到 plugins 文件夹，重启 Cytoscape
  2. Plugins → Agilent Literature Search
  3. 设置搜索关键词、种属、每页显示论文数
  4. 点击蓝色三角开始搜索

结果验证

选中连线 → 右键 Evidence from Literature：

  • Show Sentences from the Literature：查看支持该相互作用的文献句子
  • Gather Evidence from the Literature：收集证据
  • Extend Network from the Literature：扩展网络

不靠谱的句子可右键 Delete Sentence 删除，对应的连线会自动消失。

搜索优化

  • Interaction Lexicon：
    • limited：仅包含激活、甲基化、切割等高置信度动词
    • relaxed：范围放宽，包含加入、提高、诱导等
  • Use Aliases：使用蛋白别名（如 p53 = p53 OR trp53 OR tp53）
  • Context：指定主题（如 cancer、阿尔茨海默症）
  • 高级搜索语法：(P53) AND Cancer AND (Science[ta] OR Nature[ta])

第六课：GO 分析

使用 BiNGO 插件进行 GO term 富集分析。

导入 GO 信息

File → Import → Ontology and Annotation，设置 annotation 和 ontology 类型后导入。

BiNGO 设置

  1. 选中目标节点及其邻居（Ctrl+F 搜索 → Ctrl+6 选邻居 → Ctrl+N 新建子网络）
  2. Ctrl+Alt+A 全选子网络节点
  3. Plugins → BiNGO
  4. 参数设置：
    • 统计检验：Hypergeometric（数据量大时用 Binomial）
    • 多重检验校正：Benjamini & Hochberg FDR
    • 显著性水平：0.05
    • 可视化类别：Overrepresented categories after correction
    • 参考集：Test cluster versus complete annotation
    • Ontology：GO_Biological_Process
    • 选择物种
  5. 勾选 Save BiNGO Data file，点击 Start BiNGO

结果解读

  • 节点颜色：富集程度越高越偏橙色，越低越偏黄色，白色表示未显著富集
  • 属性浏览器中新增：
    • description_test：GO term
    • adjustedPValue_test：校正后的 p 值
    • n_test：该 GO term 下的节点数
    • x_test：所选节点中该 GO term 下的节点数

第七课：模块和复合物

MCODE 找复合物

原理：内部连线多的节点更可能是复合物成员。

  1. Plugins → MCODE → Start MCODE
  2. 点击 Analyze（或 Advanced Options 修改参数）
  3. 结果中分数较高（>1）且节点数合理的复合物可信度较高
  4. 用 BiNGO 考察子网络的 GO 富集情况作为间接证据

jActiveModules

利用表达数据鉴定活性模块：

  1. 导入包含 significance 值的表达数据
  2. Plugins → jActiveModules → Active Modules: Set Parameters
  3. 选择表达数据，设置返回结果数
  4. Plugins → jActiveModules → Active Modules: Find Modules

结果窗口中：size 表示子网络节点数，score 表示可信度，红色表示显著。

第八课：整合网络服务

从公共数据库导入

File → Import → Network from Web Services：

  • NCBI Entrez：关键词如 pparg AND human[ORGN]
  • Pathway Commons：输入关键词和物种
  • IntAct：输入 PPARG AND species:human，获取直接相互作用蛋白后可用 Get neighbours by ID(s) 扩展到三跳以内
  • WikiPathways：支持 GPML 格式

导入注释

  • File → Import → Import Attributes from NCBI Entrez Gene
  • File → Import → Import Attributes from BioMart

数据融合

用 Advanced Network Merge 将多个来源的网络融合，可通过添加属性标记各节点的来源。

ID 映射

Cytoscape 大小写敏感，若 ID 格式不一致（如全小写），可用脚本转换后重新映射。

小结

Cytoscape 的核心流程是：导入网络数据 → 可视化 → 筛选和编辑 → 结合表达数据或文献证据进行分析 → 用插件（BiNGO、MCODE 等）挖掘生物学意义。掌握这八课的基础操作后，可以处理大多数蛋白质相互作用和基因调控网络的分析需求。