]> git.donarmstrong.com Git - rsem.git/blob - README.md
Fixed a bug in perl scripts for printing error messages
[rsem.git] / README.md
1 README for RSEM
2 ===============
3
4 [Bo Li](http://pages.cs.wisc.edu/~bli) \(bli at cs dot wisc dot edu\)
5
6 * * *
7
8 Table of Contents
9 -----------------
10
11 * [Introduction](#introduction)
12 * [Compilation & Installation](#compilation)
13 * [Usage](#usage)
14 * [Example](#example)
15 * [Simulation](#simulation)
16 * [Generate Transcript-to-Gene-Map from Trinity Output](#gen_trinity)
17 * [Differential Expression Analysis](#de)
18 * [Acknowledgements](#acknowledgements)
19 * [License](#license)
20
21 * * *
22
23 ## <a name="introduction"></a> Introduction
24
25 RSEM is a software package for estimating gene and isoform expression
26 levels from RNA-Seq data. The RSEM package provides an user-friendly
27 interface, supports threads for parallel computation of the EM
28 algorithm, single-end and paired-end read data, quality scores,
29 variable-length reads and RSPD estimation. In addition, it provides
30 posterior mean and 95% credibility interval estimates for expression
31 levels. For visualization, It can generate BAM and Wiggle files in
32 both transcript-coordinate and genomic-coordinate. Genomic-coordinate
33 files can be visualized by both UCSC Genome browser and Broad
34 Institute's Integrative Genomics Viewer (IGV). Transcript-coordinate
35 files can be visualized by IGV. RSEM also has its own scripts to
36 generate transcript read depth plots in pdf format. The unique feature
37 of RSEM is, the read depth plots can be stacked, with read depth
38 contributed to unique reads shown in black and contributed to
39 multi-reads shown in red. In addition, models learned from data can
40 also be visualized. Last but not least, RSEM contains a simulator.
41
42 ## <a name="compilation"></a> Compilation & Installation
43
44 To compile RSEM, simply run
45    
46     make
47
48 To install, simply put the rsem directory in your environment's PATH
49 variable.
50
51 ### Prerequisites
52
53 C++ and Perl are required to be installed. 
54
55 To take advantage of RSEM's built-in support for the Bowtie alignment
56 program, you must have [Bowtie](http://bowtie-bio.sourceforge.net) installed.
57
58 If you want to plot model learned by RSEM, you should also install R. 
59
60 ## <a name="usage"></a> Usage
61
62 ### I. Preparing Reference Sequences
63
64 RSEM can extract reference transcripts from a genome if you provide it
65 with gene annotations in a GTF file.  Alternatively, you can provide
66 RSEM with transcript sequences directly.
67
68 Please note that GTF files generated from the UCSC Table Browser do not
69 contain isoform-gene relationship information.  However, if you use the
70 UCSC Genes annotation track, this information can be recovered by
71 downloading the knownIsoforms.txt file for the appropriate genome.
72  
73 To prepare the reference sequences, you should run the
74 'rsem-prepare-reference' program.  Run 
75
76     rsem-prepare-reference --help
77
78 to get usage information or visit the [rsem-prepare-reference
79 documentation page](http://deweylab.biostat.wisc.edu/rsem/rsem-prepare-reference.html).
80
81 ### II. Calculating Expression Values
82
83 To calculate expression values, you should run the
84 'rsem-calculate-expression' program.  Run 
85
86     rsem-calculate-expression --help
87
88 to get usage information or visit the [rsem-calculate-expression
89 documentation page](http://deweylab.biostat.wisc.edu/rsem/rsem-calculate-expression.html).
90
91 #### Calculating expression values from single-end data
92
93 For single-end models, users have the option of providing a fragment
94 length distribution via the '--fragment-length-mean' and
95 '--fragment-length-sd' options.  The specification of an accurate fragment
96 length distribution is important for the accuracy of expression level
97 estimates from single-end data.  If the fragment length mean and sd are
98 not provided, RSEM will not take a fragment length distribution into
99 consideration.
100
101 #### Using an alternative aligner
102
103 By default, RSEM automates the alignment of reads to reference
104 transcripts using the Bowtie alignment program.  To use an alternative
105 alignment program, align the input reads against the file
106 'reference_name.idx.fa' generated by 'rsem-prepare-reference', and
107 format the alignment output in SAM or BAM format.  Then, instead of
108 providing reads to 'rsem-calculate-expression', specify the '--sam' or
109 '--bam' option and provide the SAM or BAM file as an argument.  When
110 using an alternative aligner, you may also want to provide the
111 '--no-bowtie' option to 'rsem-prepare-reference' so that the Bowtie
112 indices are not built.
113
114 RSEM requires all alignments of the same read group together. For
115 paired-end reads, RSEM also requires the two mates of any alignment be
116 adjacent. To check if your SAM/BAM file satisfy the requirements,
117 please run
118
119     rsem-sam-validator <input.sam/input.bam>
120
121 If your file does not satisfy the requirements, you can use
122 'convert-sam-for-rsem' to convert it into a BAM file which RSEM can
123 process. Please run
124  
125     convert-sam-for-rsem --help
126
127 to get usage information or visit the [convert-sam-for-rsem
128 documentation
129 page](http://deweylab.biostat.wisc.edu/rsem/convert-sam-for-rsem.html).
130
131 However, please note that RSEM does ** not ** support gapped
132 alignments. So make sure that your aligner does not produce alignments
133 with intersions/deletions. Also, please make sure that you use
134 'reference_name.idx.fa' , which is generated by RSEM, to build your
135 aligner's indices.
136
137 ### III. Visualization
138
139 RSEM contains a version of samtools in the 'sam' subdirectory. RSEM
140 will always produce three files:'sample_name.transcript.bam', the
141 unsorted BAM file, 'sample_name.transcript.sorted.bam' and
142 'sample_name.transcript.sorted.bam.bai' the sorted BAM file and
143 indices generated by the samtools included. All three files are in
144 transcript coordinates. When users specify the --output-genome-bam
145 option RSEM will produce three files: 'sample_name.genome.bam', the
146 unsorted BAM file, 'sample_name.genome.sorted.bam' and
147 'sample_name.genome.sorted.bam.bai' the sorted BAM file and indices
148 generated by the samtools included. All these files are in genomic
149 coordinates.
150
151 #### a) Generating a Wiggle file
152
153 A wiggle plot representing the expected number of reads overlapping
154 each position in the genome/transcript set can be generated from the
155 sorted genome/transcript BAM file output.  To generate the wiggle
156 plot, run the 'rsem-bam2wig' program on the
157 'sample_name.genome.sorted.bam'/'sample_name.transcript.sorted.bam' file.
158
159 Usage:    
160
161     rsem-bam2wig sorted_bam_input wig_output wiggle_name [--no-fractional-weight]
162
163 sorted_bam_input        : Input BAM format file, must be sorted  
164 wig_output              : Output wiggle file's name, e.g. output.wig  
165 wiggle_name             : the name of this wiggle plot  
166 --no-fractional-weight  : If this is set, RSEM will not look for "ZW" tag and each alignment appeared in the BAM file has weight 1. Set this if your BAM file is not generated by RSEM. Please note that this option must be at the end of the command line.
167
168 #### b) Loading a BAM and/or Wiggle file into the UCSC Genome Browser or Integrative Genomics Viewer(IGV)
169
170 For UCSC genome browser, please refer to the [UCSC custom track help page](http://genome.ucsc.edu/goldenPath/help/customTrack.html).
171
172 For integrative genomics viewer, please refer to the [IGV home page](http://www.broadinstitute.org/software/igv/home). Note: Although IGV can generate read depth plot from the BAM file given, it cannot recognize "ZW" tag RSEM puts. Therefore IGV counts each alignment as weight 1 instead of the expected weight for the plot it generates. So we recommend to use the wiggle file generated by RSEM for read depth visualization.
173
174 Here are some guidance for visualizing transcript coordinate files using IGV:
175
176 1) Import the transcript sequences as a genome 
177
178 Select File -> Import Genome, then fill in ID, Name and Fasta file. Fasta file should be 'reference_name.transcripts.fa'. After that, click Save button. Suppose ID is filled as 'reference_name', a file called 'reference_name.genome' will be generated. Next time, we can use: File -> Load Genome, then select 'reference_name.genome'.
179
180 2) Load visualization files
181
182 Select File -> Load from File, then choose one transcript coordinate visualization file generated by RSEM. IGV might require you to convert wiggle file to tdf file. You should use igvtools to perform this task. One way to perform the conversion is to use the following command:
183
184     igvtools tile reference_name.transcript.wig reference_name.transcript.tdf reference_name.genome   
185  
186 #### c) Generating Transcript Wiggle Plots
187
188 To generate transcript wiggle plots, you should run the
189 'rsem-plot-transcript-wiggles' program.  Run 
190
191     rsem-plot-transcript-wiggles --help
192
193 to get usage information or visit the [rsem-plot-transcript-wiggles
194 documentation page](http://deweylab.biostat.wisc.edu/rsem/rsem-plot-transcript-wiggles.html).
195
196 #### d) Visualize the model learned by RSEM
197
198 RSEM provides an R script, 'rsem-plot-model', for visulazing the model learned.
199
200 Usage:
201     
202     rsem-plot-model sample_name output_plot_file
203
204 sample_name: the name of the sample analyzed    
205 output_plot_file: the file name for plots generated from the model. It is a pdf file    
206
207 The plots generated depends on read type and user configuration. It
208 may include fragment length distribution, mate length distribution,
209 read start position distribution (RSPD), quality score vs observed
210 quality given a reference base, position vs percentage of sequencing
211 error given a reference base and histogram of reads with different
212 number of alignments.
213
214 fragment length distribution and mate length distribution: x-axis is fragment/mate length, y axis is the probability of generating a fragment/mate with the associated length
215
216 RSPD: Read Start Position Distribution. x-axis is bin number, y-axis is the probability of each bin. RSPD can be used as an indicator of 3' bias
217
218 Quality score vs. observed quality given a reference base: x-axis is Phred quality scores associated with data, y-axis is the "observed quality", Phred quality scores learned by RSEM from the data. Q = -10log_10(P), where Q is Phred quality score and P is the probability of sequencing error for a particular base
219
220 Position vs. percentage sequencing error given a reference base: x-axis is position and y-axis is percentage sequencing error
221
222 Histogram of reads with different number of alignments: x-axis is the number of alignments a read has and y-axis is the number of such reads. The inf in x-axis means number of reads filtered due to too many alignments
223  
224 ## <a name="example"></a> Example
225
226 Suppose we download the mouse genome from UCSC Genome Browser.  We
227 will use a reference_name of 'mm9'.  We have a FASTQ-formatted file,
228 'mmliver.fq', containing single-end reads from one sample, which we
229 call 'mmliver_single_quals'.  We want to estimate expression values by
230 using the single-end model with a fragment length distribution. We
231 know that the fragment length distribution is approximated by a normal
232 distribution with a mean of 150 and a standard deviation of 35. We
233 wish to generate 95% credibility intervals in addition to maximum
234 likelihood estimates.  RSEM will be allowed 1G of memory for the
235 credibility interval calculation.  We will visualize the probabilistic
236 read mappings generated by RSEM on UCSC genome browser. We will
237 generate a list of genes' transcript wiggle plots in 'output.pdf'. The
238 list is 'gene_ids.txt'. We will visualize the models learned in
239 'mmliver_single_quals.models.pdf'
240
241 The commands for this scenario are as follows:
242
243     rsem-prepare-reference --gtf mm9.gtf --mapping knownIsoforms.txt --bowtie-path /sw/bowtie /data/mm9 /ref/mm9
244     rsem-calculate-expression --bowtie-path /sw/bowtie --phred64-quals --fragment-length-mean 150.0 --fragment-length-sd 35.0 -p 8 --output-genome-bam --calc-ci --memory-allocate 1024 /data/mmliver.fq /ref/mm9 mmliver_single_quals
245     rsem-bam2wig mmliver_single_quals.sorted.bam mmliver_single_quals.sorted.wig mmliver_single_quals
246     rsem-plot-transcript-wiggles --gene-list --show-unique mmliver_single_quals gene_ids.txt output.pdf 
247     rsem-plot-model mmliver_single_quals mmliver_single_quals.models.pdf
248
249 ## <a name="simulation"></a> Simulation
250
251 ### Usage: 
252
253     rsem-simulate-reads reference_name estimated_model_file estimated_isoform_results theta0 N output_name [-q]
254
255 estimated_model_file:  file containing model parameters.  Generated by
256 rsem-calculate-expression.   
257 estimated_isoform_results: file containing isoform expression levels.
258 Generated by rsem-calculate-expression.   
259 theta0: fraction of reads that are "noise" (not derived from a transcript).   
260 N: number of reads to simulate.   
261 output_name: prefix for all output files.   
262 [-q] : set it will stop outputting intermediate information.   
263
264 ### Outputs:
265
266 output_name.fa if single-end without quality score;   
267 output_name.fq if single-end with quality score;   
268 output_name_1.fa & output_name_2.fa if paired-end without quality
269 score;   
270 output_name_1.fq & output_name_2.fq if paired-end with quality score.   
271
272 output_name.sim.isoforms.results, output_name.sim.genes.results : Results estimated based on sample values.
273
274 ## <a name="gen_trinity"></a> Generate Transcript-to-Gene-Map from Trinity Output
275
276 For Trinity users, RSEM provides a perl script to generate transcript-to-gene-map file from the fasta file produced by Trinity.
277
278 ### Usage:
279
280     extract-transcript-to-gene-map-from-trinity trinity_fasta_file map_file
281
282 trinity_fasta_file: the fasta file produced by trinity, which contains all transcripts assembled.    
283 map_file: transcript-to-gene-map file's name.    
284
285 ## <a name="de"></a> Differential Expression Analysis
286
287 Popular differential expression (DE) analysis tools such as edgeR and
288 DESeq do not take variance due to read mapping uncertainty into
289 consideration. Because read mapping ambiguity is prevalent among
290 isoforms and de novo assembled transcripts, these tools are not ideal
291 for DE detection in such conditions. 
292
293 **EBSeq**, an empirical Bayesian DE
294 analysis tool developed in UW-Madison, can take variance due to read
295 mapping ambiguity into consideration by grouping isoforms with parent
296 gene's number of isoforms. In addition, it is more robust to
297 outliers. RSEM includes the newest version of EBSeq in the folder
298 named 'EBSeq'.
299
300 For more information about EBSeq (including the paper describing their
301 method), please visit <a
302 href="http://www.biostat.wisc.edu/~ningleng/EBSeq_Package">EBSeq
303 website</a>. You can also find a local version of vignette under
304 'EBSeq/inst/doc/EBSeq_Vignette.pdf'.
305
306 EBSeq requires gene-isoform relationship for its isoform DE
307 detection. However, for de novo assembled transcriptome, it is hard to
308 obtain an accurate gene-isoform relationship. Instead, RSEM provides a
309 script 'rsem-generate-ngvector', which clusters isoforms based on
310 measures directly relating to read mappaing ambiguity. First, it
311 calcualtes the 'unmappability' of each transcript. The 'unmappability'
312 of a transcript is the ratio between the number of k mers with at
313 least one perfect match to other transcripts and the total number of k
314 mers of this transcript, where k is a parameter. Then, Ng vector is
315 generated by applying Kmeans algorithm to the 'unmappability' values
316 with number of clusters set as 3. This program will make sure the mean
317 'unmappability' scores for clusters are in ascending order. All
318 transcripts whose lengths are less than k are assigned to cluster
319 3. Run
320
321     rsem-generate-ngvector --help
322
323 to get usage information or visit the [rsem-generate-ngvector
324 documentation
325 page](http://deweylab.biostat.wisc.edu/rsem/rsem-generate-ngvector.html).
326
327 If your reference is a de novo assembled transcript set, you should
328 run 'rsem-generate-ngvector' first. Then load the resulting
329 'output_name.ngvec' into R. For example, you can use 
330
331     NgVec <- scan(file="output_name.ngvec", what=0, sep="\n")
332
333 . After that, replace 'IsoNgTrun' with 'NgVec' in the second line of
334 section 3.2.5 (Page 10) of EBSeq's vignette:
335
336     IsoEBres=EBTest(Data=IsoMat, NgVector=NgVec, ...)
337
338 For users' convenience, RSEM also provides a script
339 'rsem-form-counts-matrix' to extract input matrix from expression
340 results:
341
342     rsem-form-counts-matrix sampleA.[genes/isoforms].results sampleB.[genes/isoforms].results ... > output_name.counts.matrix
343
344 The results files are required to be either all gene level results or
345 all isoform level results. You can load the matrix into R by
346
347     IsoMat <- read.table(file="output_name.counts.matrix")
348
349 before running function 'EBTest'.
350
351 Questions related to EBSeq should be sent to <a href="mailto:nleng@wisc.edu">Ning Leng</a>.
352  
353 ## <a name="acknowledgements"></a> Acknowledgements
354
355 RSEM uses the [Boost C++](http://www.boost.org) and
356 [samtools](http://samtools.sourceforge.net) libraries. RSEM includes
357 [EBSeq](http://www.biostat.wisc.edu/~ningleng/EBSeq_Package/) for
358 differential expression analysis.
359
360 We thank earonesty for contributing patches.
361
362 ## <a name="license"></a> License
363
364 RSEM is licensed under the [GNU General Public License
365 v3](http://www.gnu.org/licenses/gpl-3.0.html).