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基于單細胞數(shù)據(jù)理解細胞變化過程——擬時間序列分析詳解

瀏覽次數(shù):21181 發(fā)布日期:2019-5-28  來源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負
單細胞檢測技術(shù)的發(fā)展為我們理解復(fù)雜生命體中細胞的組成與各自功能及變化過程提供了強有力的工具。基于單細胞基因表達譜數(shù)據(jù),我們可以窺探發(fā)育過程中細胞內(nèi)的調(diào)控變化,發(fā)現(xiàn)腫瘤微環(huán)境中的各類細胞及它們的細胞間交流,理解器官組織中復(fù)雜多樣的細胞類型。現(xiàn)有單細胞研究是一個從整體到個體,再由個體特征重建整體的過程。在這個過程中,有一些非常有意思的問題是我們希望通過單細胞數(shù)據(jù)加以理解的,比如,某個組織中,某類細胞的發(fā)育生成過程;在不同條件下,細胞的改變過程和命運等等。因此,我們需要通過特定的分析手段實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分類和還原,并通過數(shù)據(jù)來勾畫出細胞間的變化過程。在這樣的背景下,擬時間序列分析(Pseudotime分析)為我們提供了來解決該問題的工具。

擬時間序列分析(Pseudotime分析)的字面意思是通過構(gòu)建細胞間的變化軌跡來重塑細胞隨著時間的變化過程。從具體的分類分析和復(fù)雜程度來說,可以分為細胞軌跡分析和細胞譜系分析。
細胞軌跡分析指的是簡單模型的細胞變化軌跡分析,通常指的是細胞沿著某個過程有特定化的變化終點,軌跡具有簡單樹狀結(jié)構(gòu),一端是“根”,另一端是“葉”;細胞譜系分析通常指的是某類祖源細胞,在特定條件下,有多個發(fā)育軌跡和命運,變化過程類似復(fù)雜樹狀分支變化過程。因此,簡單細胞軌跡分析和細胞譜系分析原理上類似,復(fù)雜程度有所區(qū)別,當然,基于此的分析手法和方式也會有所不同。

近期單細胞檢測技術(shù)的發(fā)展也激起了基于單細胞數(shù)據(jù)分析技術(shù)的爆發(fā)。從現(xiàn)有發(fā)表研究來看,已有不同類型的分析方法用于擬時間序列分析。我們對現(xiàn)有常用的分析策略整理如下圖:

圖1 單細胞擬時間序列分析不同策略與流程

以下我們以Monocle軟件的擬時間分析為例,以簡單模型來了解下通過該分析我們能拿到什么樣的結(jié)果。

擬時間序列分析包括基因選擇,數(shù)據(jù)降維和在擬時間內(nèi)排列細胞三個基本步驟:

1.選擇基因 
推斷單細胞軌跡是一個機器學(xué)習(xí)問題。第一步是選擇機器學(xué)習(xí)方法輸入的基因。這叫做特征選擇,它對軌跡的形狀有很大的影響。算法通過檢查這些基因在細胞群中的表達模式來對細胞進行排序。尋找以“有趣”即不只是嘈雜方式變化的基因,并利用這些基因來構(gòu)造數(shù)據(jù)。這些基因?qū)a(chǎn)生一個健壯、準確和具有生物學(xué)意義的軌跡。

2.數(shù)據(jù)降維
一旦細胞有序排列,我們就可以在降維空間中可視化軌跡,所以首先選擇用于細胞排序的基因,然后使用反向圖嵌入算法對數(shù)據(jù)進行降維。

3.在擬時間內(nèi)排列細胞 
通過將表達數(shù)據(jù)投射到更低的維度空間,通過機器學(xué)習(xí)描述細胞如何從一種狀態(tài)過渡到另一種狀態(tài)的軌跡。假設(shè)軌跡具有樹狀結(jié)構(gòu),一端是“根”,另一端是“葉”。盡可能地將最佳樹與數(shù)據(jù)匹配起來。這項任務(wù)被稱為“歧管學(xué)習(xí)”,在生物過程的開始階段,細胞從根部開始,沿著主干前進,直到到達第一個分支如果有的話。然后,細胞必須選擇一條路徑,沿著樹走得越來越遠,直到到達一片葉子。一個細胞的偽時間值是它回到根的距離。

通過該過程,我們就能得到以不同分類細胞為分類的細胞軌跡圖:
圖2 細胞軌跡圖
 
從上述的軌跡圖中,我們基本可以把這些細胞的軌跡途徑分為5個不同的階段(State),因此,可以用階段(State)對軌跡圖進行繪制,以明確軌跡過程階段:

 
圖3 細胞軌跡圖(按階段分類)
 
當然,通過以上的分析結(jié)果,我們無法判斷出來軌跡的開始,因此無法確定軌跡路線。所以,我們需要結(jié)合已有認知,通過函數(shù)識別包含時間為零的大多數(shù)細胞的狀態(tài),繪制擬時間軌跡圖:
圖4 擬時間軌跡圖

得到上述擬時間軌跡圖后,我們就可以根據(jù)不同的階段分類,分別進行分類繪制,得到以下結(jié)果:
 
圖5 State分類細胞軌跡圖
 
有了基本軌跡圖之后,我們可以用細胞差異基因排序得到的軌跡進行驗證。可以看到,差異基因排序產(chǎn)生的軌跡與以非監(jiān)督方法得到的軌跡非常相似,但它更“干凈一些”。
圖6 差異基因軌跡圖及非監(jiān)督聚類軌跡圖
 
接下來,根據(jù)不同細胞狀態(tài),把不同的基因沿著不同的State分類進行作圖,以展示基因變化過程。
圖7差異基因各 State 表達散點圖

此外,根據(jù)細胞類型分類,我們也可以將差異基因沿著擬時間軌跡繪制不同類型細胞基因表達散點圖:

圖8差異基因擬時間表達軌跡圖
 
最后,根據(jù)擬時間序列軌跡,我們把特征差異基因表達變化進行聚類,以熱圖形式展示基因的變化過程:
 
圖9 差異基因聚類熱圖

因此,通過擬時間序列分析,我們可實現(xiàn)構(gòu)建細胞變化軌跡途徑,并能找到特征差異基因的軌跡變化過程,這將為我們深入理解不同基因在某個細胞變化過程中的重要調(diào)控作用提供依據(jù)。

以上擬時間序列分析結(jié)果圖由上海生物芯片有限公公司生物信息學(xué)專家獨立完成,如有相關(guān)需求,請聯(lián)系上海生物芯片有限公司服務(wù)平臺。
發(fā)布者:上海生物芯片有限公司
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