如何使用Python绘制GWAS分析中的曼哈顿图和QQ图

曼哈顿图和QQ图是两个在全基因组关联（GWAS）分析里面最常出现的图形，基本上已经是GWAS的标配，几乎在每篇GWAS的文章都会见到，它们的作用和所要传达出来的信息我也在上一篇关于GWAS的博文中做了些说明，在这里我们就只集中在如何用Python和geneview将其有效地展现出来。

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首先，准备一些数据来作为例子。

我这里用来展现的数据是2011年丹麦人所做过的一个关于年轻人过度肥胖的GWAS研究——GOYA，数据也是从他们所发表的结果中获得，总共有5,373个样本，其中超重的个体（case）有2,633个，正常的个体（control）是2,740个，从样本量上看还算可以。为了方便使用，我对其做了相关的处理，包括从PED和MAP文件到GEN文件的生成，并重复了一次case-control的关联性分析，计算出了芯片上所研究的各个SNP位点与肥胖相关的显著性程度（即p-value），最后又将结果数据抽取出来做成数据集——放在这里供下载（15.6Mb，csv格式）。

【注】以上内容虽提及到了一些领域内术语和相关文件格式，但若不懂也请不必纠结，因为后续处理都是基于这个最终的数据集来完成的。

接着，需要将geneview软件包加入到你的Python中，有多种不同的方式，但推荐直接使用pip，以下是安装比较稳定的发布版，直接在终端命令行下(Linux or Mac)输入：

pip install geneview

第三种办法就是直接下载源码，然后自行编译，虽然不推荐这种做法（因为还有依赖包必须自行下载安装，过程会比较麻烦低效），但对于某些不能连接外网的集群也只能如此，这三种方式都是可行的。

曼哈顿图

将示例数据下载下来：

wget data/master/GOYA.csv

先简单地查看一下数据的格式:

chrID,rsID,position,pvalue

1,rs3094315,742429,0.144586

1,rs3115860,743268,0.230022

1,rs12562034,758311,0.644366

1,rs12124819,766409,0.146269

1,rs4475691,836671,0.458197

1,rs28705211,890368,0.362731

1,rs13303118,908247,0.22912

1,rs9777703,918699,0.37948

1,rs3121567,933331,0.440824

一共是4列（逗号分隔），分别为：[1]染色体编号，[2]SNP rs 编号，[3] 位点在染色体上的位置，[4]显著性差异程度（pvalue）。在本例曼哈顿图中我们只需要使用第1,3和4列；而QQ图则只需要第4列——pvalue。

下面先从绘制曼哈顿图开始。我们先将需要的数据读取到一个列表中，可以这样做：

import csv

data = []

with open("GOYA.csv") as f:

f_csv = csv.reader(f)

headers = next(f_csv)

data = [[row[0], int(row[2]), float(row[3])] for row in f_csv]

现在GOYA.csv中的数据就都存放在data列表中了，由于Python在读取文件中数据时，都是以string类型存放，因此对于第3和第4列的数据有必要事先把做点类型转换。

接下来，调用geneview中的曼哈顿图函数。

import matplotlib.pyplot as plt

from geneview.gwas import manhattanplot

ax = manhattanplot(data, xlabel="Chromosome", ylabel="-Log10(P-value)") # 这就是Manhattan plot的函数

plt.show()

只需这样的一句代码就能创建一个漂亮的曼哈顿图，有必要再次指出的是，geneview是以matplotlib为基础开发出来的，所创建的图形对象实际上仍属于matplotlib，geneview内部自定义了很多图形风格，同时封装了大量只属于基因组数据的图表类型，但图形的输出格式以及界面显示都仍和matplotlib一样，因此在这里我们使用matplotlib.pyplot的show()函数(上例中：plt.show())将所绘制出来的曼哈顿图显示出来。如果要将图形保存下来，则只需执行`plt.savefig("man.png")`，这样就会在该目录下生成一个名为『man.png』png格式的曼哈顿图，若是要存为pdf格式，则只需将所要保存的文件名后缀改成『.pdf』（plt.savefig("man.pdf")）就可以了。下面这些格式：emf,

eps, pdf, png, jpg, ps, raw, rgba, svg,

svgz等都是支持的，至于最新的还有多少种，还请参照matplotlib文档中说明。

此外，geneview中的每个画图函数都有着足够的灵活性，我们也可以根据自己的需要做一些调整，比如：

xtick = ['1', '2','3','4','5','6','7','8','9','10','11','12','13','14','16','18', '20','22']

manhattanplot(data,

xlabel="Chromosome", # 设置x轴名字

ylabel="-Log10(P-value)", # 设置y轴名字

xtick_label_set = set(xtick), # 限定横坐标轴上的刻度显示

s=40, # 设置图中散点的大小

alpha=0.5, # 调整散点透明度

color="#f28b1e,#9a0dea,#ea0dcc,#63b8ff", # 设置新的颜色组合

)

实现新的颜色组合、限定x轴上的刻度显示和散点大小的调节。甚至还可以将散点改为线：

manhattanplot(data，

xlabel="Chromosome", # 设置x轴名字

ylabel="-Log10(P-value)", # 设置y轴名字

xtick_label_set = set(xtick), # 限定横坐标轴上的刻度显示

alpha=0.5, # 调整散点透明度

color="#f28b1e,#9a0dea,#ea0dcc,#63b8ff", # 设置新的颜色组合

kind="line"

)

其它方面的调整请查看geneview文档中的相关说明。

Q-Q图

qq图只需用到上例中的pvalue那一列：

import csv

import matplotlib.pyplot as plt

from geneview.gwas import qqplot

pvalue=[]

with open("GOYA.csv") as f:

f_csv = csv.reader(f)

headers = next(f_csv)

pvalue = [float(row[3]) for row in f_csv]

ax = qqplot(pvalue, color="#00bb33", xlabel="Expected p-value(-log10)", ylabel="Observed p-value(-log10)") # Q-Q 图

plt.show()

同样，也可以根据自己的需要对改图进行相关的调整。

以上，便是如何使用Python来制作Manhattan图和QQ图的方法，geneview的集成函数简化了这样的一个过程。

如何使用python绘制gwas分析中的曼哈顿图和qq图

曼哈顿图

将示例数据下载下来：

wget

先简单地查看一下数据的格式:

chrID,rsID,position,pvalue

1,rs3094315,742429,0.144586

1,rs3115860,743268,0.230022

1,rs12562034,758311,0.644366

1,rs12124819,766409,0.146269

1,rs4475691,836671,0.458197

1,rs28705211,890368,0.362731

1,rs13303118,908247,0.22912

1,rs9777703,918699,0.37948

1,rs3121567,933331,0.440824

一共是4列（逗号分隔），分别为：[1]染色体编号，[2]SNP rs 编号，[3] 位点在染色体上的位置，[4]显著性差异程度（pvalue）。在本例曼哈顿图中我们只需要使用第1,3和4列；而QQ图则只需要第4列——pvalue。

下面先从绘制曼哈顿图开始。我们先将需要的数据读取到一个列表中，可以这样做：

import csv

data = []

with open("GOYA.csv") as f:

f_csv = csv.reader(f)

headers = next(f_csv)

data = [[row[0], int(row[2]), float(row[3])] for row in f_csv]

现在GOYA.csv中的数据就都存放在data列表中了，由于Python在读取文件中数据时，都是以string类型存放，因此对于第3和第4列的数据有必要事先把做点类型转换。

接下来，调用geneview中的曼哈顿图函数。

import matplotlib.pyplot as plt

from geneview.gwas import manhattanplot

ax = manhattanplot(data, xlabel="Chromosome", ylabel="-Log10(P-value)") # 这就是Manhattan plot的函数

plt.show()

只需这样的一句代码就能创建一个漂亮的曼哈顿图，有必要再次指出的是，geneview是以matplotlib为基础开发出来的，所创建的图形对象实际上仍属于matplotlib，geneview内部自定义了很多图形风格，同时封装了大量只属于基因组数据的图表类型，但图形的输出格式以及界面显示都仍和matplotlib一样，因此在这里我们使用matplotlib.pyplot的show()函数(上例中：plt.show())将所绘制出来的曼哈顿图显示出来。如果要将图形保存下来，则只需执行`plt.savefig("man.png")`，这样就会在该目录下生成一个名为『man.png』png格式的曼哈顿图，若是要存为pdf格式，则只需将所要保存的文件名后缀改成『.pdf』（plt.savefig("man.pdf")）就可以了。下面这些格式：emf,

eps, pdf, png, jpg, ps, raw, rgba, svg,

svgz等都是支持的，至于最新的还有多少种，还请参照matplotlib文档中说明。

此外，geneview中的每个画图函数都有着足够的灵活性，我们也可以根据自己的需要做一些调整，比如：

xtick = ['1', '2','3','4','5','6','7','8','9','10','11','12','13','14','16','18', '20','22']

manhattanplot(data,

xlabel="Chromosome", # 设置x轴名字

ylabel="-Log10(P-value)", # 设置y轴名字

xtick_label_set = set(xtick), # 限定横坐标轴上的刻度显示

s=40, # 设置图中散点的大小

alpha=0.5, # 调整散点透明度

color="#f28b1e,#9a0dea,#ea0dcc,#63b8ff", # 设置新的颜色组合

)

实现新的颜色组合、限定x轴上的刻度显示和散点大小的调节。甚至还可以将散点改为线：

manhattanplot(data，

xlabel="Chromosome", # 设置x轴名字

ylabel="-Log10(P-value)", # 设置y轴名字

xtick_label_set = set(xtick), # 限定横坐标轴上的刻度显示

alpha=0.5, # 调整散点透明度

color="#f28b1e,#9a0dea,#ea0dcc,#63b8ff", # 设置新的颜色组合

kind="line"

)

其它方面的调整请查看geneview文档中的相关说明。

Q-Q图

qq图只需用到上例中的pvalue那一列：

import csv

import matplotlib.pyplot as plt

from geneview.gwas import qqplot

pvalue=[]

with open("GOYA.csv") as f:

f_csv = csv.reader(f)

headers = next(f_csv)

pvalue = [float(row[3]) for row in f_csv]

ax = qqplot(pvalue, color="#00bb33", xlabel="Expected p-value(-log10)", ylabel="Observed p-value(-log10)") # Q-Q 图

plt.show()

同样，也可以根据自己的需要对改图进行相关的调整。

以上，便是如何使用Python来制作Manhattan图和QQ图的方法，geneview的集成函数简化了这样的一个过程。

另外，如果你也看过丹麦人的这个GOYA研究，就会发现实际以上的两个图和其文章中的基本是一致的，当然我自己做了些数据清洗的操作，结果上仍然会有些许的不同。虽然此刻下结论还有点为时尚早，但总的来讲，我应该也可以通过这个数据集比较顺利的将其结果重复出来了。

最后，附上利用geneview画曼哈顿图和QQ图的代码：

（1）曼哈顿图：

（2）QQ图：

python绘图篇

1，xlable,ylable设置x，y轴的标题文字。

2，title设置标题。

3，xlim,ylim设置x,y轴显示范围。

plt.show()显示绘图窗口，通常情况下，show（）会阻碍程序运行，带-wthread等参数的环境下，窗口不会关闭。

plt.saveFig（）保存图像。

面向对象绘图

1，当前图表和子图可以用gcf(),gca()获得。

subplot()绘制包含多个图表的子图。

configure subplots,可调节子图与图表边框距离。

可以通过修改配置文件更改对象属性。

图标显示中文

1，在程序中直接指定字体。

2， 在程序开始修改配置字典reParams.

3，修改配置文件。

Artist对象

1，图标的绘制领域。

2，如何在FigureCanvas对象上绘图。

3，如何使用Renderer在FigureCanvas对象上绘图。

FigureCanvas和Render处理底层图像操作，Artist处理高层结构。

分为简单对象和容器对象，简单的Aritist是标准的绘图元件，例如Line 2D,Rectangle,Text,AxesImage等，而容器类型包含许多简单的的 Aritist对象，使他们构成一个整体，例如Axis,Axes,Figure等。

直接创建Artist对象进项绘图操作步奏：

1，创建Figure对象（通过figure（）函数，会进行许多初始化操作，不建议直接创建。）

2，为Figure对象创建一个或多个Axes对象。

3，调用Axes对象的方法创建各类简单的Artist对象。

Figure容器

如何找到指定的Artist对象。

1，可调用add_subplot()和add_axes()方法向图表添加子图。

2，可使用for循环添加栅格。

3，可通过transform修改坐标原点。

Axes容器

1，patch修改背景。

2，包含坐标轴，坐标网格，刻度标签，坐标轴标题等内容。

3，get_ticklabels(),,get-ticklines获得刻度标签和刻度线。

1，可对曲线进行插值。

2，fill_between()绘制交点。

3，坐标变换。

4，绘制阴影。

5，添加注释。

1，绘制直方图的函数是

2，箱线图（Boxplot）也称箱须图（Box-whisker Plot），是利用数据中的五个统计量：最小值、第一四分位

数、中位数、第三四分位数与最大值来描述数据的一种方法，它可以粗略地看出数据是否具有对称性以及分

布的分散程度等信息，特别可以用于对几个样本的比较。

3，饼图就是把一个圆盘按所需表达变量的观察数划分为若干份，每一份的角度（即面积）等价于每个观察

值的大小。

4,散点图

5,QQ图

低层绘图函数

类似于barplot()，dotchart()和plot()这样的函数采用低层的绘图函数来画线和点，来表达它们在页面上放置的位置以及其他各种特征。

在这一节中，我们会描述一些低层的绘图函数，用户也可以调用这些函数用于绘图。首先我们先讲一下R怎么描述一个页面；然后我们讲怎么在页面上添加点，线和文字；最后讲一下怎么修改一些基本的图形。

绘图区域与边界

R在绘图时，将显示区域划分为几个部分。绘制区域显示了根据数据描绘出来的图像，在此区域内R根据数据选择一个坐标系，通过显示出来的坐标轴可以看到R使用的坐标系。在绘制区域之外是边沿区，从底部开始按顺时针方向分别用数字1到4表示。文字和标签通常显示在边沿区域内，按照从内到外的行数先后显示。

添加对象

在绘制的图像上还可以继续添加若干对象，下面是几个有用的函数，以及对其功能的说明。

•points(x, y, ...)，添加点

•lines(x, y, ...)，添加线段

•text(x, y, labels, ...)，添加文字

•abline(a, b, ...)，添加直线y=a+bx

•abline(h=y, ...)，添加水平线

•abline(v=x, ...)，添加垂直线

•polygon(x, y, ...)，添加一个闭合的多边形

•segments(x0, y0, x1, y1, ...)，画线段

•arrows(x0, y0, x1, y1, ...)，画箭头

•symbols(x, y, ...)，添加各种符号

•legend(x, y, legend, ...)，添加图列说明

文章题目：pythonqq图函数,python 图
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