]> git.donarmstrong.com Git - rsem.git/blob - README.md
ed5acc050230fd50a1803e31d24790a8919ce8fd
[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
162
163 sorted_bam_input: sorted bam file   
164 wig_output: output file name, e.g. output.wig   
165 wiggle_name: the name the user wants to use for this wiggle plot  
166
167 #### b) Loading a BAM and/or Wiggle file into the UCSC Genome Browser or Integrative Genomics Viewer(IGV)
168
169 For UCSC genome browser, please refer to the [UCSC custom track help page](http://genome.ucsc.edu/goldenPath/help/customTrack.html).
170
171 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.
172
173 Here are some guidance for visualizing transcript coordinate files using IGV:
174
175 1) Import the transcript sequences as a genome 
176
177 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'.
178
179 2) Load visualization files
180
181 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:
182
183     igvtools tile reference_name.transcript.wig reference_name.transcript.tdf reference_name.genome   
184  
185 #### c) Generating Transcript Wiggle Plots
186
187 To generate transcript wiggle plots, you should run the
188 'rsem-plot-transcript-wiggles' program.  Run 
189
190     rsem-plot-transcript-wiggles --help
191
192 to get usage information or visit the [rsem-plot-transcript-wiggles
193 documentation page](http://deweylab.biostat.wisc.edu/rsem/rsem-plot-transcript-wiggles.html).
194
195 #### d) Visualize the model learned by RSEM
196
197 RSEM provides an R script, 'rsem-plot-model', for visulazing the model learned.
198
199 Usage:
200     
201     rsem-plot-model sample_name output_plot_file
202
203 sample_name: the name of the sample analyzed    
204 output_plot_file: the file name for plots generated from the model. It is a pdf file    
205
206 The plots generated depends on read type and user configuration. It
207 may include fragment length distribution, mate length distribution,
208 read start position distribution (RSPD), quality score vs observed
209 quality given a reference base, position vs percentage of sequencing
210 error given a reference base and histogram of reads with different
211 number of alignments.
212
213 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
214
215 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
216
217 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
218
219 Position vs. percentage sequencing error given a reference base: x-axis is position and y-axis is percentage sequencing error
220
221 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
222  
223 ## <a name="example"></a> Example
224
225 Suppose we download the mouse genome from UCSC Genome Browser.  We
226 will use a reference_name of 'mm9'.  We have a FASTQ-formatted file,
227 'mmliver.fq', containing single-end reads from one sample, which we
228 call 'mmliver_single_quals'.  We want to estimate expression values by
229 using the single-end model with a fragment length distribution. We
230 know that the fragment length distribution is approximated by a normal
231 distribution with a mean of 150 and a standard deviation of 35. We
232 wish to generate 95% credibility intervals in addition to maximum
233 likelihood estimates.  RSEM will be allowed 1G of memory for the
234 credibility interval calculation.  We will visualize the probabilistic
235 read mappings generated by RSEM on UCSC genome browser. We will
236 generate a list of genes' transcript wiggle plots in 'output.pdf'. The
237 list is 'gene_ids.txt'. We will visualize the models learned in
238 'mmliver_single_quals.models.pdf'
239
240 The commands for this scenario are as follows:
241
242     rsem-prepare-reference --gtf mm9.gtf --mapping knownIsoforms.txt --bowtie-path /sw/bowtie /data/mm9 /ref/mm9
243     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
244     rsem-bam2wig mmliver_single_quals.sorted.bam mmliver_single_quals.sorted.wig mmliver_single_quals
245     rsem-plot-transcript-wiggles --gene-list --show-unique mmliver_single_quals gene_ids.txt output.pdf 
246     rsem-plot-model mmliver_single_quals mmliver_single_quals.models.pdf
247
248 ## <a name="simulation"></a> Simulation
249
250 ### Usage: 
251
252     rsem-simulate-reads reference_name estimated_model_file estimated_isoform_results theta0 N output_name [-q]
253
254 estimated_model_file:  file containing model parameters.  Generated by
255 rsem-calculate-expression.   
256 estimated_isoform_results: file containing isoform expression levels.
257 Generated by rsem-calculate-expression.   
258 theta0: fraction of reads that are "noise" (not derived from a transcript).   
259 N: number of reads to simulate.   
260 output_name: prefix for all output files.   
261 [-q] : set it will stop outputting intermediate information.   
262
263 ### Outputs:
264
265 output_name.fa if single-end without quality score;   
266 output_name.fq if single-end with quality score;   
267 output_name_1.fa & output_name_2.fa if paired-end without quality
268 score;   
269 output_name_1.fq & output_name_2.fq if paired-end with quality score.   
270
271 output_name.sim.isoforms.results, output_name.sim.genes.results : Results estimated based on sample values.
272
273 ## <a name="gen_trinity"></a> Generate Transcript-to-Gene-Map from Trinity Output
274
275 For Trinity users, RSEM provides a perl script to generate transcript-to-gene-map file from the fasta file produced by Trinity.
276
277 ### Usage:
278
279     extract-transcript-to-gene-map-from-trinity trinity_fasta_file map_file
280
281 trinity_fasta_file: the fasta file produced by trinity, which contains all transcripts assembled.    
282 map_file: transcript-to-gene-map file's name.    
283
284 ## <a name="de"></a> Differential Expression Analysis
285
286 Popular differential expression (DE) analysis tools such as edgeR and
287 DESeq do not take variance due to read mapping uncertainty into
288 consideration. Because read mapping ambiguity is prevalent among
289 isoforms and de novo assembled transcripts, these tools are not ideal
290 for DE detection in such conditions. 
291
292 **EBSeq**, an empirical Bayesian DE
293 analysis tool developed in UW-Madison, can take variance due to read
294 mapping ambiguity into consideration by grouping isoforms with parent
295 gene's number of isoforms. In addition, it is more robust to
296 outliers. RSEM includes the newest version of EBSeq in the folder
297 named 'EBSeq'.
298
299 For more information about EBSeq (including the paper describing their
300 method), please visit <a
301 href="http://www.biostat.wisc.edu/~ningleng/EBSeq_Package">EBSeq
302 website</a>. You can also find a local version of vignette under
303 'EBSeq/inst/doc/EBSeq_Vignette.pdf'.
304
305 EBSeq requires gene-isoform relationship for its isoform DE
306 detection. However, for de novo assembled transcriptome, it is hard to
307 obtain an accurate gene-isoform relationship. Instead, RSEM provides a
308 script 'rsem-generate-ngvector', which clusters isoforms based on
309 measures directly relating to read mappaing ambiguity. First, it
310 calcualtes the 'unmappability' of each transcript. The 'unmappability'
311 of a transcript is the ratio between the number of k mers with at
312 least one perfect match to other transcripts and the total number of k
313 mers of this transcript, where k is a parameter. Then, Ng vector is
314 generated by applying Kmeans algorithm to the 'unmappability' values
315 with number of clusters set as 3. This program will make sure the mean
316 'unmappability' scores for clusters are in ascending order. All
317 transcripts whose lengths are less than k are assigned to cluster
318 3. Run
319
320     rsem-generate-ngvector --help
321
322 to get usage information or visit the [rsem-generate-ngvector
323 documentation
324 page](http://deweylab.biostat.wisc.edu/rsem/rsem-generate-ngvector.html).
325
326 If your reference is a de novo assembled transcript set, you should
327 run 'rsem-generate-ngvector' first. Then load the resulting
328 'output_name.ngvec' into R. For example, you can use 
329
330     NgVec <- scan(file="output_name.ngvec", what=0, sep="\n")
331
332 . After that, replace 'IsoNgTrun' with 'NgVec' in the second line of
333 section 3.2.5 (Page 10) of EBSeq's vignette:
334
335     IsoEBres=EBTest(Data=IsoMat, NgVector=NgVec, ...)
336
337 For users' convenience, RSEM also provides a script
338 'rsem-form-counts-matrix' to extract input matrix from expression
339 results:
340
341     rsem-form-counts-matrix sampleA.[genes/isoforms].results sampleB.[genes/isoforms].results ... > output_name.counts.matrix
342
343 The results files are required to be either all gene level results or
344 all isoform level results. You can load the matrix into R by
345
346     IsoMat <- read.table(file="output_name.counts.matrix")
347
348 before running function 'EBTest'.
349
350 Questions related to EBSeq should be sent to <a href="mailto:nleng@wisc.edu">Ning Leng</a>.
351  
352 ## <a name="acknowledgements"></a> Acknowledgements
353
354 RSEM uses the [Boost C++](http://www.boost.org) and
355 [samtools](http://samtools.sourceforge.net) libraries. RSEM includes
356 [EBSeq](http://www.biostat.wisc.edu/~ningleng/EBSeq_Package/) for
357 differential expression analysis.
358
359 We thank earonesty for contributing patches.
360
361 ## <a name="license"></a> License
362
363 RSEM is licensed under the [GNU General Public License
364 v3](http://www.gnu.org/licenses/gpl-3.0.html).