]> git.donarmstrong.com Git - rsem.git/blob - README.md
README.md is updated
[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 For cygwin users, please uncomment the 3rd and 7th line in
50 'sam/Makefile' before you run 'make'.
51
52 To compile EBSeq, which is included in the RSEM package, run
53
54     make ebseq
55
56 To install, simply put the rsem directory in your environment's PATH
57 variable.
58
59 ### Prerequisites
60
61 C++, Perl and R are required to be installed. 
62
63 To take advantage of RSEM's built-in support for the Bowtie alignment
64 program, you must have [Bowtie](http://bowtie-bio.sourceforge.net) installed.
65
66 ## <a name="usage"></a> Usage
67
68 ### I. Preparing Reference Sequences
69
70 RSEM can extract reference transcripts from a genome if you provide it
71 with gene annotations in a GTF file.  Alternatively, you can provide
72 RSEM with transcript sequences directly.
73
74 Please note that GTF files generated from the UCSC Table Browser do not
75 contain isoform-gene relationship information.  However, if you use the
76 UCSC Genes annotation track, this information can be recovered by
77 downloading the knownIsoforms.txt file for the appropriate genome.
78  
79 To prepare the reference sequences, you should run the
80 'rsem-prepare-reference' program.  Run 
81
82     rsem-prepare-reference --help
83
84 to get usage information or visit the [rsem-prepare-reference
85 documentation page](http://deweylab.biostat.wisc.edu/rsem/rsem-prepare-reference.html).
86
87 ### II. Calculating Expression Values
88
89 To calculate expression values, you should run the
90 'rsem-calculate-expression' program.  Run 
91
92     rsem-calculate-expression --help
93
94 to get usage information or visit the [rsem-calculate-expression
95 documentation page](http://deweylab.biostat.wisc.edu/rsem/rsem-calculate-expression.html).
96
97 #### Calculating expression values from single-end data
98
99 For single-end models, users have the option of providing a fragment
100 length distribution via the '--fragment-length-mean' and
101 '--fragment-length-sd' options.  The specification of an accurate fragment
102 length distribution is important for the accuracy of expression level
103 estimates from single-end data.  If the fragment length mean and sd are
104 not provided, RSEM will not take a fragment length distribution into
105 consideration.
106
107 #### Using an alternative aligner
108
109 By default, RSEM automates the alignment of reads to reference
110 transcripts using the Bowtie alignment program.  To use an alternative
111 alignment program, align the input reads against the file
112 'reference_name.idx.fa' generated by 'rsem-prepare-reference', and
113 format the alignment output in SAM or BAM format.  Then, instead of
114 providing reads to 'rsem-calculate-expression', specify the '--sam' or
115 '--bam' option and provide the SAM or BAM file as an argument.  When
116 using an alternative aligner, you may also want to provide the
117 '--no-bowtie' option to 'rsem-prepare-reference' so that the Bowtie
118 indices are not built.
119
120 RSEM requires all alignments of the same read group together. For
121 paired-end reads, RSEM also requires the two mates of any alignment be
122 adjacent. To check if your SAM/BAM file satisfy the requirements,
123 please run
124
125     rsem-sam-validator <input.sam/input.bam>
126
127 If your file does not satisfy the requirements, you can use
128 'convert-sam-for-rsem' to convert it into a BAM file which RSEM can
129 process. Please run
130  
131     convert-sam-for-rsem --help
132
133 to get usage information or visit the [convert-sam-for-rsem
134 documentation
135 page](http://deweylab.biostat.wisc.edu/rsem/convert-sam-for-rsem.html).
136
137 However, please note that RSEM does ** not ** support gapped
138 alignments. So make sure that your aligner does not produce alignments
139 with intersions/deletions. Also, please make sure that you use
140 'reference_name.idx.fa' , which is generated by RSEM, to build your
141 aligner's indices.
142
143 ### III. Visualization
144
145 RSEM contains a version of samtools in the 'sam' subdirectory. RSEM
146 will always produce three files:'sample_name.transcript.bam', the
147 unsorted BAM file, 'sample_name.transcript.sorted.bam' and
148 'sample_name.transcript.sorted.bam.bai' the sorted BAM file and
149 indices generated by the samtools included. All three files are in
150 transcript coordinates. When users specify the --output-genome-bam
151 option RSEM will produce three files: 'sample_name.genome.bam', the
152 unsorted BAM file, 'sample_name.genome.sorted.bam' and
153 'sample_name.genome.sorted.bam.bai' the sorted BAM file and indices
154 generated by the samtools included. All these files are in genomic
155 coordinates.
156
157 #### a) Converting transcript BAM file into genome BAM file
158
159 Normally, RSEM will do this for you via '--output-genome-bam' option
160 of 'rsem-calculate-expression'. However, if you have run
161 'rsem-prepare-reference' and use 'reference_name.idx.fa' to build
162 indices for your aligner, you can use 'rsem-tbam2gbam' to convert your
163 transcript coordinate BAM alignments file into a genomic coordinate
164 BAM alignments file without the need to run the whole RSEM
165 pipeline. Please note that 'rsem-prepare-reference' will convert all
166 'N' into 'G' by default for 'reference_name.idx.fa'. If you do not
167 want this to happen, please use '--no-ntog' option.
168
169 Usage:
170
171     rsem-tbam2gbam reference_name unsorted_transcript_bam_input genome_bam_output
172
173 reference_name                    : The name of reference built by 'rsem-prepare-reference'                             
174 unsorted_transcript_bam_input     : This file should satisfy: 1) the alignments of a same read are grouped together, 2) for any paired-end alignment, the two mates should be adjacent to each other, 3) this file should not be sorted by samtools 
175 genome_bam_output                 : The output genomic coordinate BAM file's name
176
177 #### b) Generating a Wiggle file
178
179 A wiggle plot representing the expected number of reads overlapping
180 each position in the genome/transcript set can be generated from the
181 sorted genome/transcript BAM file output.  To generate the wiggle
182 plot, run the 'rsem-bam2wig' program on the
183 'sample_name.genome.sorted.bam'/'sample_name.transcript.sorted.bam' file.
184
185 Usage:    
186
187     rsem-bam2wig sorted_bam_input wig_output wiggle_name [--no-fractional-weight]
188
189 sorted_bam_input        : Input BAM format file, must be sorted  
190 wig_output              : Output wiggle file's name, e.g. output.wig  
191 wiggle_name             : The name of this wiggle plot  
192 --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
193
194 #### c) Loading a BAM and/or Wiggle file into the UCSC Genome Browser or Integrative Genomics Viewer(IGV)
195
196 For UCSC genome browser, please refer to the [UCSC custom track help page](http://genome.ucsc.edu/goldenPath/help/customTrack.html).
197
198 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.
199
200 Here are some guidance for visualizing transcript coordinate files using IGV:
201
202 1) Import the transcript sequences as a genome 
203
204 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'.
205
206 2) Load visualization files
207
208 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:
209
210     igvtools tile reference_name.transcript.wig reference_name.transcript.tdf reference_name.genome   
211  
212 #### d) Generating Transcript Wiggle Plots
213
214 To generate transcript wiggle plots, you should run the
215 'rsem-plot-transcript-wiggles' program.  Run 
216
217     rsem-plot-transcript-wiggles --help
218
219 to get usage information or visit the [rsem-plot-transcript-wiggles
220 documentation page](http://deweylab.biostat.wisc.edu/rsem/rsem-plot-transcript-wiggles.html).
221
222 #### e) Visualize the model learned by RSEM
223
224 RSEM provides an R script, 'rsem-plot-model', for visulazing the model learned.
225
226 Usage:
227     
228     rsem-plot-model sample_name output_plot_file
229
230 sample_name: the name of the sample analyzed    
231 output_plot_file: the file name for plots generated from the model. It is a pdf file    
232
233 The plots generated depends on read type and user configuration. It
234 may include fragment length distribution, mate length distribution,
235 read start position distribution (RSPD), quality score vs observed
236 quality given a reference base, position vs percentage of sequencing
237 error given a reference base and histogram of reads with different
238 number of alignments.
239
240 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
241
242 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
243
244 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
245
246 Position vs. percentage sequencing error given a reference base: x-axis is position and y-axis is percentage sequencing error
247
248 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
249  
250 ## <a name="example"></a> Example
251
252 Suppose we download the mouse genome from UCSC Genome Browser.  We
253 will use a reference_name of 'mouse_125'.  We have a FASTQ-formatted file,
254 'mmliver.fq', containing single-end reads from one sample, which we
255 call 'mmliver_single_quals'.  We want to estimate expression values by
256 using the single-end model with a fragment length distribution. We
257 know that the fragment length distribution is approximated by a normal
258 distribution with a mean of 150 and a standard deviation of 35. We
259 wish to generate 95% credibility intervals in addition to maximum
260 likelihood estimates.  RSEM will be allowed 1G of memory for the
261 credibility interval calculation.  We will visualize the probabilistic
262 read mappings generated by RSEM on UCSC genome browser. We will
263 generate a list of genes' transcript wiggle plots in 'output.pdf'. The
264 list is 'gene_ids.txt'. We will visualize the models learned in
265 'mmliver_single_quals.models.pdf'
266
267 The commands for this scenario are as follows:
268
269     rsem-prepare-reference --gtf mm9.gtf --mapping knownIsoforms.txt --bowtie-path /sw/bowtie /data/mm9 /ref/mouse_125
270     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/mouse_125 mmliver_single_quals
271     rsem-bam2wig mmliver_single_quals.sorted.bam mmliver_single_quals.sorted.wig mmliver_single_quals
272     rsem-plot-transcript-wiggles --gene-list --show-unique mmliver_single_quals gene_ids.txt output.pdf 
273     rsem-plot-model mmliver_single_quals mmliver_single_quals.models.pdf
274
275 ## <a name="simulation"></a> Simulation
276
277 RSEM provides users the 'rsem-simulate-reads' program to simulate RNA-Seq data based on parameters learned from real data sets. Run
278
279     rsem-simulate-reads
280
281 to get usage information or read the following subsections.
282  
283 ### Usage: 
284
285     rsem-simulate-reads reference_name estimated_model_file estimated_isoform_results theta0 N output_name [-q]
286
287 __reference_name:__ The name of RSEM references, which should be already generated by 'rsem-prepare-reference'               
288
289 __estimated_model_file:__ This file describes how the RNA-Seq reads will be sequenced given the expression levels. It determines what kind of reads will be simulated (single-end/paired-end, w/o quality score) and includes parameters for fragment length distribution, read start position distribution, sequencing error models, etc. Normally, this file should be learned from real data using 'rsem-calculate-expression'. The file can be found under the 'sample_name.stat' folder with the name of 'sample_name.model'. 'model_file_description.txt' provides the format and meanings of this file.    
290
291 __estimated_isoform_results:__ This file contains expression levels for all isoforms recorded in the reference. It can be learned using 'rsem-calculate-expression' from real data. The corresponding file users want to use is 'sample_name.isoforms.results'. If simulating from user-designed expression profile is desired, start from a learned 'sample_name.isoforms.results' file and only modify the 'TPM' column. The simulator only reads the TPM column. But keeping the file format the same is required.   
292
293 __theta0:__ This parameter determines the fraction of reads that are coming from background "noise" (instead of from a transcript). It can also be estimated using 'rsem-calculate-expression' from real data. Users can find it as the first value of the third line of the file 'sample_name.stat/sample_name.theta'.   
294
295 __N:__ The total number of reads to be simulated. If 'rsem-calculate-expression' is executed on a real data set, the total number of reads can be found as the 4th number of the first line of the file 'sample_name.stat/sample_name.cnt'.   
296
297 __output_name:__ Prefix for all output files.   
298
299 __-q:__ Set it will stop outputting intermediate information.   
300
301 ### Outputs:
302
303 output_name.sim.isoforms.results, output_name.sim.genes.results: Expression levels estimated by counting where each simulated read comes from.
304
305 output_name.fa if single-end without quality score;   
306 output_name.fq if single-end with quality score;   
307 output_name_1.fa & output_name_2.fa if paired-end without quality
308 score;   
309 output_name_1.fq & output_name_2.fq if paired-end with quality score.   
310
311 **Format of the header line**: Each simulated read's header line encodes where it comes from. The header line has the format:
312
313     {>/@}_rid_dir_sid_pos[_insertL]
314
315 __{>/@}:__ Either '>' or '@' must appear. '>' appears if FASTA files are generated and '@' appears if FASTQ files are generated
316
317 __rid:__ Simulated read's index, numbered from 0   
318
319 __dir:__ The direction of the simulated read. 0 refers to forward strand ('+') and 1 refers to reverse strand ('-')   
320
321 __sid:__ Represent which transcript this read is simulated from. It ranges between 0 and M, where M is the total number of transcripts. If sid=0, the read is simulated from the background noise. Otherwise, the read is simulated from a transcript with index sid. Transcript sid's transcript name can be found in the 'transcript_id' column of the 'sample_name.isoforms.results' file (at line sid + 1, line 1 is for column names)   
322
323 __pos:__ The start position of the simulated read in strand dir of transcript sid. It is numbered from 0   
324
325 __insertL:__ Only appear for paired-end reads. It gives the insert length of the simulated read.   
326
327 ### Example:
328
329 Suppose we want to simulate 50 millon single-end reads with quality scores and use the parameters learned from [Example](#example). In addition, we set theta0 as 0.2 and output_name as 'simulated_reads'. The command is:
330
331     rsem-simulate-reads /ref/mouse_125 mmliver_single_quals.stat/mmliver_single_quals.model mmliver_single_quals.isoforms.results 0.2 50000000 simulated_reads
332
333 ## <a name="gen_trinity"></a> Generate Transcript-to-Gene-Map from Trinity Output
334
335 For Trinity users, RSEM provides a perl script to generate transcript-to-gene-map file from the fasta file produced by Trinity.
336
337 ### Usage:
338
339     extract-transcript-to-gene-map-from-trinity trinity_fasta_file map_file
340
341 trinity_fasta_file: the fasta file produced by trinity, which contains all transcripts assembled.    
342 map_file: transcript-to-gene-map file's name.    
343
344 ## <a name="de"></a> Differential Expression Analysis
345
346 Popular differential expression (DE) analysis tools such as edgeR and
347 DESeq do not take variance due to read mapping uncertainty into
348 consideration. Because read mapping ambiguity is prevalent among
349 isoforms and de novo assembled transcripts, these tools are not ideal
350 for DE detection in such conditions.
351
352 EBSeq, an empirical Bayesian DE analysis tool developed in UW-Madison,
353 can take variance due to read mapping ambiguity into consideration by
354 grouping isoforms with parent gene's number of isoforms. In addition,
355 it is more robust to outliers. For more information about EBSeq
356 (including the paper describing their method), please visit [EBSeq's
357 website](http://www.biostat.wisc.edu/~ningleng/EBSeq_Package).
358
359
360 RSEM includes EBSeq in its folder named 'EBSeq'. To use it, first type
361
362     make ebseq
363
364 to compile the EBSeq related codes. 
365
366 EBSeq requires gene-isoform relationship for its isoform DE
367 detection. However, for de novo assembled transcriptome, it is hard to
368 obtain an accurate gene-isoform relationship. Instead, RSEM provides a
369 script 'rsem-generate-ngvector', which clusters transcripts based on
370 measures directly relating to read mappaing ambiguity. First, it
371 calcualtes the 'unmappability' of each transcript. The 'unmappability'
372 of a transcript is the ratio between the number of k mers with at
373 least one perfect match to other transcripts and the total number of k
374 mers of this transcript, where k is a parameter. Then, Ng vector is
375 generated by applying Kmeans algorithm to the 'unmappability' values
376 with number of clusters set as 3. This program will make sure the mean
377 'unmappability' scores for clusters are in ascending order. All
378 transcripts whose lengths are less than k are assigned to cluster
379 3. Run
380
381     rsem-generate-ngvector --help
382
383 to get usage information or visit the [rsem-generate-ngvector
384 documentation
385 page](http://deweylab.biostat.wisc.edu/rsem/rsem-generate-ngvector.html).
386
387 If your reference is a de novo assembled transcript set, you should
388 run 'rsem-generate-ngvector' first. Then load the resulting
389 'output_name.ngvec' into R. For example, you can use 
390
391     NgVec <- scan(file="output_name.ngvec", what=0, sep="\n")
392
393 . After that, set "NgVector = NgVec" for your differential expression
394 test (either 'EBTest' or 'EBMultiTest').
395
396
397 For users' convenience, RSEM also provides a script
398 'rsem-generate-data-matrix' to extract input matrix from expression
399 results:
400
401     rsem-generate-data-matrix sampleA.[genes/isoforms].results sampleB.[genes/isoforms].results ... > output_name.counts.matrix
402
403 The results files are required to be either all gene level results or
404 all isoform level results. You can load the matrix into R by
405
406     IsoMat <- data.matrix(read.table(file="output_name.counts.matrix"))
407
408 before running either 'EBTest' or 'EBMultiTest'.
409
410 Lastly, RSEM provides two scripts, 'rsem-run-ebseq' and
411 'rsem-control-fdr', to help users find differential expressed
412 genes/transcripts. First, 'rsem-run-ebseq' calls EBSeq to calculate related statistics
413 for all genes/transcripts. Run 
414
415     rsem-run-ebseq --help
416
417 to get usage information or visit the [rsem-run-ebseq documentation
418 page](http://deweylab.biostat.wisc.edu/rsem/rsem-run-ebseq.html). Second,
419 'rsem-control-fdr' takes 'rsem-run-ebseq' 's result and reports called
420 differentially expressed genes/transcripts by controlling the false
421 discovery rate. Run
422
423     rsem-control-fdr --help
424
425 to get usage information or visit the [rsem-control-fdr documentation
426 page](http://deweylab.biostat.wisc.edu/rsem/rsem-control-fdr.html). These
427 two scripts can perform DE analysis on either 2 conditions or multiple
428 conditions.
429
430 Please note that 'rsem-run-ebseq' and 'rsem-control-fdr' use EBSeq's
431 default parameters. For advanced use of EBSeq or information about how
432 EBSeq works, please refer to [EBSeq's
433 manual](http://www.bioconductor.org/packages/devel/bioc/vignettes/EBSeq/inst/doc/EBSeq_Vignette.pdf).
434
435 Questions related to EBSeq should
436 be sent to <a href="mailto:nleng@wisc.edu">Ning Leng</a>.
437
438 ## <a name="authors"></a> Authors
439
440 RSEM is developed by Bo Li, with substaintial technical input from Colin Dewey.
441
442 ## <a name="acknowledgements"></a> Acknowledgements
443
444 RSEM uses the [Boost C++](http://www.boost.org) and
445 [samtools](http://samtools.sourceforge.net) libraries. RSEM includes
446 [EBSeq](http://www.biostat.wisc.edu/~ningleng/EBSeq_Package/) for
447 differential expression analysis.
448
449 We thank earonesty for contributing patches.
450
451 We thank Han Lin for suggesting possible fixes. 
452
453 ## <a name="license"></a> License
454
455 RSEM is licensed under the [GNU General Public License
456 v3](http://www.gnu.org/licenses/gpl-3.0.html).