]> git.donarmstrong.com Git - rsem.git/blob - README.md
Added a script, 'rsem-find-DE', to run EBSeq automatically
[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 * [Authors](#authors)
19 * [Acknowledgements](#acknowledgements)
20 * [License](#license)
21
22 * * *
23
24 ## <a name="introduction"></a> Introduction
25
26 RSEM is a software package for estimating gene and isoform expression
27 levels from RNA-Seq data. The RSEM package provides an user-friendly
28 interface, supports threads for parallel computation of the EM
29 algorithm, single-end and paired-end read data, quality scores,
30 variable-length reads and RSPD estimation. In addition, it provides
31 posterior mean and 95% credibility interval estimates for expression
32 levels. For visualization, It can generate BAM and Wiggle files in
33 both transcript-coordinate and genomic-coordinate. Genomic-coordinate
34 files can be visualized by both UCSC Genome browser and Broad
35 Institute's Integrative Genomics Viewer (IGV). Transcript-coordinate
36 files can be visualized by IGV. RSEM also has its own scripts to
37 generate transcript read depth plots in pdf format. The unique feature
38 of RSEM is, the read depth plots can be stacked, with read depth
39 contributed to unique reads shown in black and contributed to
40 multi-reads shown in red. In addition, models learned from data can
41 also be visualized. Last but not least, RSEM contains a simulator.
42
43 ## <a name="compilation"></a> Compilation & Installation
44
45 To compile RSEM, simply run
46    
47     make
48
49 To install, simply put the rsem directory in your environment's PATH
50 variable.
51
52 ### Prerequisites
53
54 C++ and Perl are required to be installed. 
55
56 To take advantage of RSEM's built-in support for the Bowtie alignment
57 program, you must have [Bowtie](http://bowtie-bio.sourceforge.net) installed.
58
59 If you want to plot model learned by RSEM, you should also install R. 
60
61 ## <a name="usage"></a> Usage
62
63 ### I. Preparing Reference Sequences
64
65 RSEM can extract reference transcripts from a genome if you provide it
66 with gene annotations in a GTF file.  Alternatively, you can provide
67 RSEM with transcript sequences directly.
68
69 Please note that GTF files generated from the UCSC Table Browser do not
70 contain isoform-gene relationship information.  However, if you use the
71 UCSC Genes annotation track, this information can be recovered by
72 downloading the knownIsoforms.txt file for the appropriate genome.
73  
74 To prepare the reference sequences, you should run the
75 'rsem-prepare-reference' program.  Run 
76
77     rsem-prepare-reference --help
78
79 to get usage information or visit the [rsem-prepare-reference
80 documentation page](http://deweylab.biostat.wisc.edu/rsem/rsem-prepare-reference.html).
81
82 ### II. Calculating Expression Values
83
84 To calculate expression values, you should run the
85 'rsem-calculate-expression' program.  Run 
86
87     rsem-calculate-expression --help
88
89 to get usage information or visit the [rsem-calculate-expression
90 documentation page](http://deweylab.biostat.wisc.edu/rsem/rsem-calculate-expression.html).
91
92 #### Calculating expression values from single-end data
93
94 For single-end models, users have the option of providing a fragment
95 length distribution via the '--fragment-length-mean' and
96 '--fragment-length-sd' options.  The specification of an accurate fragment
97 length distribution is important for the accuracy of expression level
98 estimates from single-end data.  If the fragment length mean and sd are
99 not provided, RSEM will not take a fragment length distribution into
100 consideration.
101
102 #### Using an alternative aligner
103
104 By default, RSEM automates the alignment of reads to reference
105 transcripts using the Bowtie alignment program.  To use an alternative
106 alignment program, align the input reads against the file
107 'reference_name.idx.fa' generated by 'rsem-prepare-reference', and
108 format the alignment output in SAM or BAM format.  Then, instead of
109 providing reads to 'rsem-calculate-expression', specify the '--sam' or
110 '--bam' option and provide the SAM or BAM file as an argument.  When
111 using an alternative aligner, you may also want to provide the
112 '--no-bowtie' option to 'rsem-prepare-reference' so that the Bowtie
113 indices are not built.
114
115 RSEM requires all alignments of the same read group together. For
116 paired-end reads, RSEM also requires the two mates of any alignment be
117 adjacent. To check if your SAM/BAM file satisfy the requirements,
118 please run
119
120     rsem-sam-validator <input.sam/input.bam>
121
122 If your file does not satisfy the requirements, you can use
123 'convert-sam-for-rsem' to convert it into a BAM file which RSEM can
124 process. Please run
125  
126     convert-sam-for-rsem --help
127
128 to get usage information or visit the [convert-sam-for-rsem
129 documentation
130 page](http://deweylab.biostat.wisc.edu/rsem/convert-sam-for-rsem.html).
131
132 However, please note that RSEM does ** not ** support gapped
133 alignments. So make sure that your aligner does not produce alignments
134 with intersions/deletions. Also, please make sure that you use
135 'reference_name.idx.fa' , which is generated by RSEM, to build your
136 aligner's indices.
137
138 ### III. Visualization
139
140 RSEM contains a version of samtools in the 'sam' subdirectory. RSEM
141 will always produce three files:'sample_name.transcript.bam', the
142 unsorted BAM file, 'sample_name.transcript.sorted.bam' and
143 'sample_name.transcript.sorted.bam.bai' the sorted BAM file and
144 indices generated by the samtools included. All three files are in
145 transcript coordinates. When users specify the --output-genome-bam
146 option RSEM will produce three files: 'sample_name.genome.bam', the
147 unsorted BAM file, 'sample_name.genome.sorted.bam' and
148 'sample_name.genome.sorted.bam.bai' the sorted BAM file and indices
149 generated by the samtools included. All these files are in genomic
150 coordinates.
151
152 #### a) Generating a Wiggle file
153
154 A wiggle plot representing the expected number of reads overlapping
155 each position in the genome/transcript set can be generated from the
156 sorted genome/transcript BAM file output.  To generate the wiggle
157 plot, run the 'rsem-bam2wig' program on the
158 'sample_name.genome.sorted.bam'/'sample_name.transcript.sorted.bam' file.
159
160 Usage:    
161
162     rsem-bam2wig sorted_bam_input wig_output wiggle_name [--no-fractional-weight]
163
164 sorted_bam_input        : Input BAM format file, must be sorted  
165 wig_output              : Output wiggle file's name, e.g. output.wig  
166 wiggle_name             : the name of this wiggle plot  
167 --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.
168
169 #### b) Loading a BAM and/or Wiggle file into the UCSC Genome Browser or Integrative Genomics Viewer(IGV)
170
171 For UCSC genome browser, please refer to the [UCSC custom track help page](http://genome.ucsc.edu/goldenPath/help/customTrack.html).
172
173 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.
174
175 Here are some guidance for visualizing transcript coordinate files using IGV:
176
177 1) Import the transcript sequences as a genome 
178
179 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'.
180
181 2) Load visualization files
182
183 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:
184
185     igvtools tile reference_name.transcript.wig reference_name.transcript.tdf reference_name.genome   
186  
187 #### c) Generating Transcript Wiggle Plots
188
189 To generate transcript wiggle plots, you should run the
190 'rsem-plot-transcript-wiggles' program.  Run 
191
192     rsem-plot-transcript-wiggles --help
193
194 to get usage information or visit the [rsem-plot-transcript-wiggles
195 documentation page](http://deweylab.biostat.wisc.edu/rsem/rsem-plot-transcript-wiggles.html).
196
197 #### d) Visualize the model learned by RSEM
198
199 RSEM provides an R script, 'rsem-plot-model', for visulazing the model learned.
200
201 Usage:
202     
203     rsem-plot-model sample_name output_plot_file
204
205 sample_name: the name of the sample analyzed    
206 output_plot_file: the file name for plots generated from the model. It is a pdf file    
207
208 The plots generated depends on read type and user configuration. It
209 may include fragment length distribution, mate length distribution,
210 read start position distribution (RSPD), quality score vs observed
211 quality given a reference base, position vs percentage of sequencing
212 error given a reference base and histogram of reads with different
213 number of alignments.
214
215 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
216
217 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
218
219 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
220
221 Position vs. percentage sequencing error given a reference base: x-axis is position and y-axis is percentage sequencing error
222
223 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
224  
225 ## <a name="example"></a> Example
226
227 Suppose we download the mouse genome from UCSC Genome Browser.  We
228 will use a reference_name of 'mm9'.  We have a FASTQ-formatted file,
229 'mmliver.fq', containing single-end reads from one sample, which we
230 call 'mmliver_single_quals'.  We want to estimate expression values by
231 using the single-end model with a fragment length distribution. We
232 know that the fragment length distribution is approximated by a normal
233 distribution with a mean of 150 and a standard deviation of 35. We
234 wish to generate 95% credibility intervals in addition to maximum
235 likelihood estimates.  RSEM will be allowed 1G of memory for the
236 credibility interval calculation.  We will visualize the probabilistic
237 read mappings generated by RSEM on UCSC genome browser. We will
238 generate a list of genes' transcript wiggle plots in 'output.pdf'. The
239 list is 'gene_ids.txt'. We will visualize the models learned in
240 'mmliver_single_quals.models.pdf'
241
242 The commands for this scenario are as follows:
243
244     rsem-prepare-reference --gtf mm9.gtf --mapping knownIsoforms.txt --bowtie-path /sw/bowtie /data/mm9 /ref/mm9
245     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
246     rsem-bam2wig mmliver_single_quals.sorted.bam mmliver_single_quals.sorted.wig mmliver_single_quals
247     rsem-plot-transcript-wiggles --gene-list --show-unique mmliver_single_quals gene_ids.txt output.pdf 
248     rsem-plot-model mmliver_single_quals mmliver_single_quals.models.pdf
249
250 ## <a name="simulation"></a> Simulation
251
252 ### Usage: 
253
254     rsem-simulate-reads reference_name estimated_model_file estimated_isoform_results theta0 N output_name [-q]
255
256 estimated_model_file:  file containing model parameters.  Generated by
257 rsem-calculate-expression.   
258 estimated_isoform_results: file containing isoform expression levels.
259 Generated by rsem-calculate-expression.   
260 theta0: fraction of reads that are "noise" (not derived from a transcript).   
261 N: number of reads to simulate.   
262 output_name: prefix for all output files.   
263 [-q] : set it will stop outputting intermediate information.   
264
265 ### Outputs:
266
267 output_name.fa if single-end without quality score;   
268 output_name.fq if single-end with quality score;   
269 output_name_1.fa & output_name_2.fa if paired-end without quality
270 score;   
271 output_name_1.fq & output_name_2.fq if paired-end with quality score.   
272
273 output_name.sim.isoforms.results, output_name.sim.genes.results : Results estimated based on sample values.
274
275 ## <a name="gen_trinity"></a> Generate Transcript-to-Gene-Map from Trinity Output
276
277 For Trinity users, RSEM provides a perl script to generate transcript-to-gene-map file from the fasta file produced by Trinity.
278
279 ### Usage:
280
281     extract-transcript-to-gene-map-from-trinity trinity_fasta_file map_file
282
283 trinity_fasta_file: the fasta file produced by trinity, which contains all transcripts assembled.    
284 map_file: transcript-to-gene-map file's name.    
285
286 ## <a name="de"></a> Differential Expression Analysis
287
288 Popular differential expression (DE) analysis tools such as edgeR and
289 DESeq do not take variance due to read mapping uncertainty into
290 consideration. Because read mapping ambiguity is prevalent among
291 isoforms and de novo assembled transcripts, these tools are not ideal
292 for DE detection in such conditions. 
293
294 **EBSeq**, an empirical Bayesian DE
295 analysis tool developed in UW-Madison, can take variance due to read
296 mapping ambiguity into consideration by grouping isoforms with parent
297 gene's number of isoforms. In addition, it is more robust to
298 outliers. RSEM includes the newest version of EBSeq in the folder
299 named 'EBSeq'.
300
301 For more information about EBSeq (including the paper describing their
302 method), please visit <a
303 href="http://www.biostat.wisc.edu/~ningleng/EBSeq_Package">EBSeq
304 website</a>. 
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 transcripts 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-generate-data-matrix' to extract input matrix from expression
340 results:
341
342     rsem-generate-data-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 <- data.matrix(read.table(file="output_name.counts.matrix"))
348
349 before running function 'EBTest'.
350
351 At last, RSEM provides a R script, 'rsem-find-DE', which run EBSeq for
352 you. 
353
354 Usage: 
355
356     rsem-find-DE data_matrix_file [--ngvector ngvector_file] number_sample_condition1 FDR_rate output_file
357
358 This script calls EBSeq to find differentially expressed genes/transcripts in two conditions.
359
360 data_matrix_file: m by n matrix containing expected counts, m is the number of transcripts/genes, n is the number of total samples.
361 [--ngvector ngvector_file]: optional field. 'ngvector_file' is calculated by 'rsem-generate-ngvector'. Having this field is recommended for transcript data.
362 number_sample_condition1: the number of samples in condition 1. A condition's samples must be adjacent. The left group of samples are defined as condition 1.
363 FDR_rate: false discovery rate.
364 output_file: the output file.
365
366 The results are written as a matrix with row and column names. The row names are the differentially expressed transcripts'/genes' ids. The column names are 'PPEE', 'PPDE', 'PostFC' and 'RealFC'.
367
368 PPEE: posterior probability of being equally expressed.
369 PPDE: posterior probability of being differentially expressed.
370 PostFC: posterior fold change (condition 1 over condition2).
371 RealFC: real fold change (condition 1 over condition2).
372
373 To get the above usage information, type 
374
375     rsem-find-DE
376
377 Note: any wrong parameter setting will lead 'rsem-find-DE' to output
378 usage information and halt.
379
380 Questions related to EBSeq should
381 be sent to <a href="mailto:nleng@wisc.edu">Ning Leng</a>.
382
383 ## <a name="authors"></a> Authors
384
385 RSEM is developed by Bo Li, with substaintial technical input from Colin Dewey.
386
387 ## <a name="acknowledgements"></a> Acknowledgements
388
389 RSEM uses the [Boost C++](http://www.boost.org) and
390 [samtools](http://samtools.sourceforge.net) libraries. RSEM includes
391 [EBSeq](http://www.biostat.wisc.edu/~ningleng/EBSeq_Package/) for
392 differential expression analysis.
393
394 We thank earonesty for contributing patches.
395
396 ## <a name="license"></a> License
397
398 RSEM is licensed under the [GNU General Public License
399 v3](http://www.gnu.org/licenses/gpl-3.0.html).