📚 课程目录第4章数据预处理

数据预处理：不同组学数据格式化、标准化与归一化

说实话，多组学整合项目里，80%的时间都花在数据预处理上。这话一点都不夸张。我刚开始做MOFA的时候，以为算法调参才是重头戏，结果数据格式不统一直接报错，反复调试了两天。从此以后，我养成了一个习惯：先花半天把数据理顺，再谈建模。

说白了，MOFA要求的输入就是三个核心矩阵——样本×特征、样本×特征、样本×特征。但实际拿到的数据呢？基因表达是矩阵、甲基化是beta值、蛋白组是强度值、代谢组是峰面积。你怎么把它们对齐？这就是本章要解决的核心问题。

第一步：维度的统一

不同组学数据能不能直接丢进MOFA？答案是不能。你想想看，基因表达矩阵是20000行×100列，甲基化beta值是450000行×100列，蛋白质组是5000行×95列——样本数都不一致。MOFA要求所有组学的样本维度必须完全对齐。我遇到过最坑的情况是，样本命名格式不统一，有的用“TCGA-XX-1234”，有的用“XX1234”，肉眼看着一样，程序一跑就崩。

维度统一的标准动作：

样本对齐：取所有组学样本的交集，去掉单组学独有的样本
行标识统一：样本名全部转为大写或全部使用统一分隔符
特征命名规范：基因名用ENSEMBL ID或Symbol，探针用厂商编号
缺失样本处理：某个组学样本缺失 → 要么删样本，要么插补

第二步：不同组学的具体格式要求

每种组学数据都有它的脾气。做格式转换时，你得分门别类去处理。

组学类型	常见原始格式	MOFA推荐格式	注意事项
基因表达	Counts / FPKM / TPM	log2(TPM+1) 矩阵	标准化前先做log转化
DNA甲基化	Beta值 / M值	Beta值矩阵	探针到基因的映射需要提前处理
蛋白组学	强度值 / iBAQ	log2(强度) 矩阵	缺失值比例高，注意过滤
代谢组学	峰面积 / 浓度	log转化后矩阵	批次效应明显，需要额外校正
微生物组	OTU表 / 相对丰度	CLR转化后矩阵	稀疏数据，零值处理要慎重

我个人习惯的做法是：先写一个统一的格式转换函数，每个组学单独调，最后输出三个规整的CSV文件。这样后续标准化和归一化就省事了。

第三步：标准化——让不同组学站在同一起跑线

标准化的目的是消除特征之间的量纲差异。说白了，你不能让基因表达量动辄几千、上万，而甲基化beta值只在0到1之间浮动。MOFA的因子载荷对数值尺度非常敏感，不标准化的话，载荷全被高变异特征带跑了。

最常用的三种标准化方法：

Z-score标准化（推荐）：
将每个特征减去均值，再除以标准差。结果服从均值为0、方差为1的分布。这是我默认使用的方法，适用于大部分连续型组学数据。
最大最小归一化：
将数据缩放到[0, 1]区间。当数据没有异常值时，效果还可以。但我遇到过极端值把整个压缩空间占满的情况，结果其他特征的信息全丢了。
分位数标准化：
强制让所有样本的分布一致。适用于批次效应明显的场景。不过要注意，这样做会破坏原始数据的绝对数值关系。

# Python实现：三种标准化对比
import numpy as np
import pandas as pd
from sklearn.preprocessing import StandardScaler, MinMaxScaler

# 读取基因表达矩阵
expr = pd.read_csv('expression.csv', index_col=0)

# Z-score标准化（按特征，即按基因）
scaler_z = StandardScaler()
expr_z = scaler_z.fit_transform(expr.T).T  # 转置再转回来

# Min-Max归一化
scaler_mm = MinMaxScaler()
expr_mm = scaler_mm.fit_transform(expr.T).T

# 分位数标准化（按样本）
from scipy.stats import rankdata
def quantile_normalize(df):
    rank_mean = df.stack().groupby(
        df.rank(method='first').stack().astype(int)
    ).mean()
    return df.rank(method='min').stack().astype(int).map(rank_mean).unstack()

expr_qn = quantile_normalize(expr)

我的经验：如果组学之间动态范围差异极大（比如基因表达范围0-10000，甲基化0-1），建议先做log转化，再做Z-score。这样既能控制方差，又能保留生物学差异。

第四步：归一化——样本间的校正

标准化是按特征（基因/蛋白质）做的。归一化是按样本做的。为什么要做样本归一化？因为不同样本的测序深度、捕获效率、检测灵敏度不同。你不校正的话，MOFA可能学到的是技术噪声而不是生物学信号。

我遇到过最典型的案例：一个批次里的样本测序深度是另一个批次的两倍，结果MOFA的第一个因子全在捕获批次差异。后来我做了TMM归一化，才把真正的生物学信号分离出来。

常用的样本归一化方法：

方法	适用场景	说明
CPM/RPKM/TPM	RNA-seq / 蛋白组	消除测序深度影响，保留比较性
TMM/边缘R	差异表达分析场景	考虑文库组成效应，比CPM更稳健
分位数归一化	甲基化芯片	强制分布一致，适用于探针级别数据
总强度归一化	代谢组 / 蛋白组	每个样本除以总信号强度

避坑指南：我踩过的数据预处理坑

我曾经犯过以下错误：

标准化顺序搞反：先做样本归一化，再做特征标准化。结果样本归一化把生物学差异都抹掉了，后面标准化又强行拉回来，模型结果毫无意义。
缺失值处理不当：直接删掉有缺失的行，导致样本大量减少。后来改用了kNN插补，效果好了很多。
忽略零值：有些组学数据零值不是缺失，而是真实表达。如果盲目替换成NaN或用插补，会引入严重偏差。
批次效应残留：做了归一化但没做批次校正。MOFA虽然能捕获批次因子，但会影响下游解释。我建议先用ComBat或limma校正批次，再进入预处理流程。

# 完整的预处理流程示例（Python）
def preprocess_for_mofa(expr_df, meth_df, prot_df):
    """
    三组学数据统一预处理
    输入：三个DataFrame，行=样本，列=特征
    输出：三个预处理后的矩阵
    """
    # 1. 样本对齐：取交集
    common_samples = list(set(expr_df.index) & set(meth_df.index) & set(prot_df.index))
    common_samples.sort()
    print(f"对齐后样本数：{len(common_samples)}")
    
    # 2. 缺失值处理（kNN插补）
    from sklearn.impute import KNNImputer
    imputer = KNNImputer(n_neighbors=5)
    
    # 3. 对高动态范围数据做log转化
    expr_log = np.log2(expr_df.loc[common_samples] + 1)
    prot_log = np.log2(prot_df.loc[common_samples] + 1)
    
    # 4. 特征标准化（Z-score）
    from sklearn.preprocessing import StandardScaler
    scaler = StandardScaler()
    expr_scaled = scaler.fit_transform(expr_log)
    meth_scaled = scaler.fit_transform(meth_df.loc[common_samples])
    prot_scaled = scaler.fit_transform(prot_log)
    
    # 5. 转换为DataFrame，保持行列名
    expr_out = pd.DataFrame(expr_scaled, index=common_samples, columns=expr_df.columns)
    meth_out = pd.DataFrame(meth_scaled, index=common_samples, columns=meth_df.columns)
    prot_out = pd.DataFrame(prot_scaled, index=common_samples, columns=prot_df.columns)
    
    return expr_out, meth_out, prot_out

# 调用示例
expr_ready, meth_ready, prot_ready = preprocess_for_mofa(expr, meth, prot)

什么时候需要标准化？什么时候没必要？

这个问题我问过自己很多次。答案其实很简单：看你用什么数据。

基因表达、蛋白组、代谢组 → 必须标准化。因为数值范围和方差差异巨大。
甲基化beta值 → 可标准化也可不标准化。因为beta值天然在0-1之间，特征间量纲一致，直接输入也能收敛。但我个人建议还是做Z-score，能让因子解释更简洁。
突变矩阵（0/1） → 不需要标准化。因为已经是二值数据，标准化反而会破坏结构。
临床指标（年龄、分期等） → 连续变量标准化，分类变量编码后不用。

核心原则总结：

MOFA对数据尺度敏感 → 所有连续型组学必须做标准化
标准化选Z-score，基本不会出错
样本归一化在标准化之前做，效果更佳
缺失值不要直接删，尤其是高维组学数据
预处理完成后，务必保存一份快照，方便复现

嗯，这部分其实不难，但确实是整个MOFA流程里最磨人的环节。搞定了数据预处理，后面建模调参就顺风顺水了。我个人建议，每次处理完数据后，跑一个简单的相关性热图检查一下，看看组学内和组学间的结构是否合理。如果发现异常，赶紧回头排查，别等到建模了才发现数据有问题。