iMeta | 河南农业大学姚文组开发绘制Circos图的交互式Web应用程序

shinyCircos‐V2.0: 易用性提高和功能增强的Circos图绘制工具

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引  言

图 1. shinyCircos-V2.0应用程序主页展示的Circos图的基本结构

主面板顶部的文本提供了关于Circos图形和shinyCircos的简明概述。主面板底部的两个图片展示了一个典型的Circos图的基本结构。

Circos最初是使用Perl编程语言创建的一个命令行工具。因此，对于没有编程经验的人来说，安装和配置这个工具是一个很大的挑战。尽管如此，Circos工具在基因组数据可视化方面迅速赢得了广泛的认可。这种受欢迎程度推动了其他类似工具的开发，包括BioCircos.js、Circleator、circlize、CIRCUS、interacCircos、NG-Circos和Galactic Circos。这些工具使用了各种编程语言创建Circos图。其中，使用R编程语言开发的circlize因其清晰的语法和强大的功能而受到用户的广泛认可。在R强大绘图系统的支持下，使用circlize生成的Circos图形效果十分漂亮。

为了提高绘制Circos 图的效率，许多带有图形界面的工具被相继开发出来，包括 J-Circos、shinyCircos和 TBtools 中的高级 Circos 绘图模块。这些工具显著促进了在各个领域，包括生物学研究中使用Circos图进行数据可视化的应用。在这些工具中，shinyCircos (以下记为shinyCircos-V1) 是一款使用 R/Shiny 框架和 circlize 绘图引擎开发的交互式 Web 应用程序。据我们所知，shinyCircos 是唯一一个可在线绘制 Circos 图并可安装在本地计算机上的 Web 应用程序。

自发布以来，shinyCircos-V1 接收到了大量用户反馈，包括错误报告和新功能请求，其中大部分已得到解决。在本文中，我们主要介绍 shinyCircos-V2.0，这是 shinyCircos 的一个重要升级版本。其图形用户界面已完全重新设计，以提供更好的用户体验。此外，shinyCircos-V2.0 打破了最多输入12个数据集的限制，这是 shinyCircos-V1 中的一个不够好的地方。此外，我们在 shinyCircos-V2.0 中实现了多个高级功能，如颜色图例、轨道索引的文本标签、坐标轴标签和刻度。与shinyCircos-V1相比，shinyCircos-V2.0 在可用性和高级功能方面有很大改进。

结  果

改进的shinyCircos-V2.0图形界面以提升用户体验

图 2. 在shinyCircos‐V2.0应用程序的不同页面上实现的主要功能

每个页面的标题展示在其顶部。

我们还设计了几个额外的页面来补充shinyCircos-V2.0的主要功能。这些页面提供了有关使用shinyCircos-V2.0的教程。在“Gallery”页面中展示了使用shinyCircos-V2.0创建的30个示例Circos图，以及它们对应的输入数据集（图2）。这有助于用户理解在使用shinyCircos-V2.0时输入数据集的正确格式。在“Help”页面上提供了详细的教程，包括简体中文和英文版本的教程。此外，“About”页面列出了使用shinyCircos-V2.0依赖的R包。用户可以在“Contact”页面上找到相关的联系信息，用于错误报告和功能请求。

在shinyCircos-V1中，所有用于数据上传的小部件都被打包到“Data Upload”页面的侧边栏面板中。当用户上传多个输入数据集时，每个输入数据集的前几行都会显示在“Data Upload”页面的主面板中，导致“Data Upload”页面过长。类似地，每个输入数据集的所有参数都被打包到shinyCircos-V1的“Circos Visualization”页面的侧边栏面板中，如果上传多个输入数据集，调整参数就会变得很繁琐。此外，在shinyCircos-V1中，每个输入数据集都必须单独上传。相比之下，shinyCircos-V2.0允许同时上传多个输入数据集，并且在“Circos Parameters”页面上可以在弹出窗口中查看每个输入数据集的完整内容（图2）。每个输入数据集的绘图参数都被放置在“Circos Parameters”页面的单独弹出窗口中。

在ShinyCircos-V2.0中，我们增加了一些额外的弹出窗口来增强交互性。当用户输入错误的输入数据集或参数时，这些弹出窗口会被触发，提供提示信息，帮助用户正确使用ShinyCircos-V2.0。此外，我们还加入了带有提示信息的弹出窗口，以帮助用户使用ShinyCircos-V2.0创建Circos图。总的来说，shinyCircos-V2.0具有改进的用户界面，比ShinyCircos-V1更整洁更友好。

shinyCircos-V2.0的功能被无缝集成在连续的网页中，可用于轻松创建Circos图

我们已将shinyCircos-V2.0部署为Web应用程序，供用户通过以下链接访问：https://venyao.xyz/shinyCircos/和https://asiawan.shinyapps.io/shinyCircos/。对于喜欢离线使用的用户，也可以在本地计算机安装shinyircos‐V2.0。请注意，shinyCircos‐V1仍托管在我们的服务器上，网址为https://venyao.xyz/shinyCircos-V1/。

利用ShinyCircos-V2.0进行操作的第一步是使用“Data Upload”页面上提供的小部件上传一个或多个输入数据集（图3）。与ShinyCircos-V1最多可上传12个输入数据集不同，ShinyCircos-V2.0原则上允许上传任意数量的输入数据集。所有用于创建Circos图的输入数据集可以同时或分别上传。创建Circos图所需的一个不能缺少的输入数据集是染色体数据集，用于定义基因组中每个chromosome/scaffold的长度。shinyCircos-V2.0提供了20个染色体数据集，包括人类、小鼠、拟南芥、水稻等模式生物。其他用于绘制Circos图的输入数据集可以被分为轨道数据（Track data），其将与所有chromosome/scaffold一起绘制；标签数据（Label data），用于用文本标签标记不同Track中的元素；以及连接数据（Links data），用于在基因组区域之间建立连接线。在将输入数据集提交到shinyCircos-V2.0的服务器端之前，用户应使用“Data Upload”页面上提供的小部件将所有输入数据集分配到适当的数据分组中。此外，用户可以通过添加新数据集或删除已上传的数据集来更新Circos图的输入数据集，这对于更新已创建的Circos图而无需重新上传所有输入数据集非常有用。需要注意的是，一旦更新了一个或多个输入数据集，一定要保存并重新提交所有输入数据集。

图 3. 使用shinyCircos‐V2.0创建Circos图的基本步骤说明

顶部面板显示了四个输入数据集的前两行和列标题。中间面板展示了用于为每个输入数据集设置参数的小部件。对于每个输入数据集，可以通过点击与输入数据集相同行中的齿轮符号来打开弹出窗口，从而访问其他小部件。底部面板展示了使用四个输入数据集和设置的参数创建的Circos图。

在提交所有输入数据集后，用户将被引导到“Circos Parameters”页面，该页面分为四个区域，分别显示染色体数据、轨道数据、标签数据和链接数据（图3）。每个输入数据集在单独的一行上显示，包括文件名、查看内容的小部件以及设置绘图参数的其他小部件。对于每个轨道数据，必须从10个选项中选择适当的绘图类型，包括点、线、条形、离散值矩形、渐进值矩形、离散值热图、渐进值热图、染色体表型、堆叠点和堆叠线。大多数默认情况下，所有类型的输入数据集的其他参数都可以与shinyCircos-V2.0分配的默认值无缝协作。然而，在"Circos Parameters"页面中也包括许多绘图参数，可以调整来装饰Circos图，如每个轨道的高度、相邻轨道/扇区之间的距离、不同条形图/线条的颜色、每个轨道的背景颜色和文本标签的字体大小。对于散点图，可以使用shinyCircos-V2.0中的参数调整所有点的颜色、大小和形状。用户必须在"Circos Parameters"页面上提交所有输入数据集和相应的绘图参数，才能创建所需的Circos图。

shinyCircos-V2.0生成的Circos图最终显示在“Circos图”页面上（图3）。用户可以以高质量的PDF或SVG格式下载Circos图，这些格式可以轻松转换为其他图像格式，如JPEG、PNG、TIFF等。此外，在“Circos Plot”页面上的“高级选项”小部件下还有四个高级绘图参数可用。这些参数使用户能够显示图例、轨道索引标签、对Circos图进行缩放，并突出显示图中的特定基因组区域。为了提高shinyCircos-V2.0的可扩展性，我们在“Circos图”页面上提供了R脚本供用户下载和重现Circos图。

shinyCircos-V2.0中实现的用于创建高级Circos图的新功能

图4. shinyCircos‐V2.0的高级功能展示

shinyCircos-V2.0 的四个新的高级特性通过红色框标出。用于调整这些高级特性参数的相应小部件位于 Circos 图周围。

热图是 Circos 图中常见的一种图形，可用于展示多个基因在不同发育阶段/组织中的表达模式。然而，在 shinyCircos-V1 中，只能使用数值型输入数据生成热图。相比之下，shinyCircos-V2.0 支持使用数值型和分组型输入数据创建热图。此外，尽管颜色图例在热图中非常重要，但大多数现有的 Circos 可视化软件提供的支持不足。为了克服这个限制，我们利用 ComplexHeatmap 包将颜色图例纳入 shinyCircos-V2.0。颜色图例可以方便地放置在 Circos 图的底部或右侧，适用于多种图形类型，例如“rect-discrete”、“rect-gradual”、“heatmap-discrete”、“heatmap-gradual”、“stack-point”、“stack-line”和链接（图4）。

在 Circos 图中，连接线（Links）经常用于表示基因组区域之间的相互作用。例如，基因组易位可以通过 Circos 图中的连接线表示。然而，当连接一个非常大的基因组中的小基因组区域时，连接线通常很难辨认。这对于处理非常大的基因组（如小麦基因组）的用户来说可能是令人沮丧的。为了解决这个问题，circlize R软件包支持使用每个区域的中间点绘制连接线，而不考虑区域大小。我们已将这个功能已经纳入了shinyCircos-V2.0中。此外，我们还添加了将不同组的连接线分配颜色的新功能。

用于促进 shinyCircos-V2.0 使用的教程和示例性输入数据集

shinyCircos-V2.0 是一个直观且交互式的网络应用程序，旨在为用户提供友好的使用体验。为了进一步增强用户体验，我们提供了一套全面的教程和示例数据集，使用户能够轻松生成和自定义 Circos 图，以满足他们的研究需求。

我们在 shinyCircos-V2.0 的“Data Upload”页面提供了十组示例输入数据，用户可以通过单击鼠标将其加载并提交给shinyCircos-V2.0。对于每个示例数据集，每个输入数据的分组、轨道索引、绘图类型以及每个输入数据的参数都被预先配置好了。用户可以在“Circos Parameters”页面上查看这些预配置的参数。提交示例数据集和参数之后将在“Circos Plot”页面上生成一个Circos图。这十组示例输入数据生成了shinyCircos-V2.0 “Gallery”页面上展示的前十个Circos图。每个Circos图的输入数据可以在“Data Upload”页面上查看和下载，也可以从“Gallery”页面上下载。这个功能对于新用户来说特别方便，可以帮助他们快速入门shinyCircos-V2.0。

在“Gallery”页面上，一共展示了30个Circos图。点击“Gallery”页面上相应的图像，即可访问每个Circos图的PDF文件。每个Circos图的输入数据集可以通过各自下方的下载按钮来下载。这30个Circos图涵盖了使用shinyCircos-V2.0创建Circos图的所有方面和功能，对于用户准备输入数据集和探索shinyCircos-V2.0的功能非常有帮助。

在shinyCircos-V2.0的“Help”页面上，我们提供了详细的教程，包括简体中文和英文版本。此外，我们还提供了目录，以帮助用户轻松浏览教程的不同部分。教程包括shinyCircos-V2.0的介绍以及一个典型Circos图的组成要素，shinyCircos-V2.0所需的每个输入数据集的详细格式，使用shinyCircos-V2.0创建Circos图表的详细步骤，以及shinyCircos-V2.0实现的绘图参数和高级功能的说明。此外，帮助教程还存放在GitBook中(https://yaolabbioinfo.gitbook.io/shinycircos/），用于浏览和共享。

我们还制作了10个视频，展示了shinyCircos-V2.0的“Gallery”页面上前10个Circos图的创建过程。这10个视频已上传至YouTube、网易视频和我们自己的服务器，并在GitHub的shinyCircos-V2.0主页(https://github.com/YaoLab-Bioinfo/shinyCircos-V2.0）和"Help"页面提供了相应的链接。

讨  论

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