2022-07-07
時空通訊分析導論
時(shi)間(jian)(jian)(jian)已經(jing)來(lai)到了(le)2022年的(de)(de)下半頁，單細(xi)胞空(kong)(kong)間(jian)(jian)(jian)的(de)(de)研究仍然(ran)在如火如荼地(di)進行中，從(cong)上游的(de)(de)儀(yi)器(qi)(qi)制造，試劑研發，再到下游的(de)(de)數據分析，國(guo)(guo)內外都展開了(le)激烈的(de)(de)競爭(zheng)，足以(yi)說明了(le)單細(xi)胞空(kong)(kong)間(jian)(jian)(jian)目(mu)前(qian)研究的(de)(de)巨大潛(qian)力和商業價值。無論(lun)(lun)是(shi)(shi)單細(xi)胞還是(shi)(shi)空(kong)(kong)間(jian)(jian)(jian)，國(guo)(guo)內都推出了(le)國(guo)(guo)產平(ping)臺，希望能(neng)在這場競爭(zheng)中占據優勢(shi)地(di)位，但(dan)是(shi)(shi)10x也在不(bu)斷地(di)更新技術(shu)，保持產品的(de)(de)活力。對(dui)于(yu)科研者(zhe)而言(yan)，單細(xi)胞級(ji)的(de)(de)精(jing)度與(yu)空(kong)(kong)間(jian)(jian)(jian)位置的(de)(de)識(shi)別仍然(ran)是(shi)(shi)生物學研究的(de)(de)利器(qi)(qi)，無論(lun)(lun)是(shi)(shi)發育還是(shi)(shi)疾病，時(shi)空(kong)(kong)狀態(tai)的(de)(de)研究都不(bu)可或缺。
無論是(shi)單(dan)細(xi)胞還是(shi)空間轉錄(lu)組，最后分(fen)析(xi)的(de)(de)(de)內(nei)容占(zhan)據了(le)很(hen)大的(de)(de)(de)時間與精力，而其中細(xi)胞之(zhi)間的(de)(de)(de)相互(hu)作用（Cell-Cell Interaction，CCI）都是(shi)研(yan)究(jiu)(jiu)的(de)(de)(de)重點(dian)，正常(chang)或(huo)者(zhe)疾病的(de)(de)(de)組織都是(shi)有機的(de)(de)(de)統一體(ti)，細(xi)胞之(zhi)間正確/錯誤的(de)(de)(de)信號作用對整個組織都產生了(le)巨大的(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)，關于單(dan)細(xi)胞的(de)(de)(de)通訊分(fen)析(xi)已經很(hen)透徹，本篇主要(yao)來研(yan)究(jiu)(jiu)時空通訊的(de)(de)(de)分(fen)析(xi)內(nei)容。
時空區域通訊
細胞通(tong)訊(xun)根據不(bu)(bu)同細胞群、不(bu)(bu)同空(kong)間(jian)(jian)(jian)(jian)區域(yu)基(ji)因表(biao)達的(de)(de)特征，分(fen)析(xi)兩者(zhe)之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)(jian)(jian)特異的(de)(de)配(pei)受(shou)體(ti)對，以此來代(dai)表(biao)細胞類型或者(zhe)空(kong)間(jian)(jian)(jian)(jian)區域(yu)之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)(jian)(jian)的(de)(de)通(tong)訊(xun)。空(kong)間(jian)(jian)(jian)(jian)轉(zhuan)錄(lu)組(zu)配(pei)受(shou)體(ti)（Spatial Transcriptomics Ligand-Receptor）分(fen)析(xi)，可以從空(kong)間(jian)(jian)(jian)(jian)轉(zhuan)錄(lu)組(zu)數據中(zhong)分(fen)析(xi)配(pei)受(shou)體(ti)對的(de)(de)空(kong)間(jian)(jian)(jian)(jian)分(fen)布特征，揭示細胞之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)(jian)(jian)在空(kong)間(jian)(jian)(jian)(jian)區域(yu)的(de)(de)相互交(jiao)流，最終研究不(bu)(bu)同細胞類型之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)(jian)(jian)的(de)(de)空(kong)間(jian)(jian)(jian)(jian)調控網絡(luo)。其實也就(jiu)是說，最開(kai)始的(de)(de)空(kong)間(jian)(jian)(jian)(jian)通(tong)訊(xun)研究，主要還是按照單細胞分(fen)析(xi)思路，分(fen)析(xi)clusters之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)(jian)(jian)的(de)(de)通(tong)訊(xun)，所不(bu)(bu)同的(de)(de)是通(tong)訊(xun)會與空(kong)間(jian)(jian)(jian)(jian)信(xin)息關聯，如下(xia)圖：
圖1 時(shi)空區域通訊(xun)
這種分析思路一開始占據了主流，但是隨著研究的深入，研究者們發現區域通訊存在很大的誤區，首先：1、無法識別具體是哪種細胞類型起到關鍵的通訊作用，每個cluster都是多種細胞類型的混合體；2、空間樣本的組織一般都是致密的，尤其在研究腫瘤的過程中發現了腫瘤邊界的信號“開關”作用，進而推廣到組織結構上的任何轉換區域，都顯示這種分析不夠嚴謹，更多的是要研究組織結構的鄰近區域內的通訊分析。
雖然這種方法存在(zai)(zai)嚴重的(de)缺陷，但是(shi)在(zai)(zai)最開始的(de)分(fen)析(xi)思路中起到了探路的(de)作用，尤其在(zai)(zai)展示(shi)分(fen)析(xi)得到的(de)配(pei)受(shou)體空間(jian)分(fen)布的(de)時候，啟(qi)發了鄰域通訊(xun)的(de)想法。
時空鄰域通訊
鄰域通訊的研究觀點最早出現了文章Comprehensive analysis of spatial architecture in primary liver cancer[1]，因為在研究中發現腫瘤和正常區域有明顯的交界面，如下圖：
圖2 肝癌樣本HE染片結果(guo)
圖片上明(ming)顯存在(zai)一(yi)個界(jie)面，將(jiang)正常區(qu)域和腫(zhong)瘤(liu)區(qu)域明(ming)顯地區(qu)分開，那么基于此，界(jie)面兩(liang)邊(bian)的通(tong)訊就(jiu)(jiu)至(zhi)關重要，在(zai)此基礎上，就(jiu)(jiu)有(you)做鄰近區(qu)域通(tong)訊的分析思(si)路，如下(xia)圖：
圖3 時空鄰域通訊
鄰域通訊的關鍵就在于：1、找到確定位置的界面；2、分析界面兩端spot的配受體對。這種方法對于組織結構的認知有一定的要求，通訊的算法方法與單細胞是一致的。
時空生態位通訊
時(shi)空(kong)鄰域通訊(xun)主(zhu)要還是(shi)體現在(zai)組織區域的(de)通訊(xun)，仍然無法精確到(dao)具(ju)體什么細胞(bao)(bao)(bao)類(lei)型在(zai)起作(zuo)用，目前(qian)單細胞(bao)(bao)(bao)空(kong)間(jian)聯合分(fen)析(xi)已(yi)經非(fei)常普遍(bian)，細胞(bao)(bao)(bao)類(lei)型的(de)空(kong)間(jian)分(fen)布(bu)提(ti)供了重要的(de)結構分(fen)析(xi)，也(ye)為(wei)通訊(xun)精確到(dao)細胞(bao)(bao)(bao)類(lei)型提(ti)供了契機(ji)(ji)。因為(wei)細胞(bao)(bao)(bao)類(lei)型在(zai)空(kong)間(jian)上(shang)并不是(shi)隨機(ji)(ji)分(fen)布(bu)的(de)，特(te)定的(de)細胞(bao)(bao)(bao)類(lei)型會存(cun)在(zai)于特(te)征(zheng)的(de)微環境中(zhong)，也(ye)就是(shi)某些(xie)細胞(bao)(bao)(bao)類(lei)型空(kong)間(jian)上(shang)始終處于臨近(jin)的(de)位置，形(xing)成了生(sheng)態位，生(sheng)態位中(zhong)細胞(bao)(bao)(bao)類(lei)型之間(jian)的(de)相互(hu)通訊(xun)至(zhi)關(guan)重要。
圖4 細胞類型(xing)的生態位分布研究
在文章Identification of HSC/MPP expansion units in fetal liver by single-cell spatiotemporal transcriptomics[2]中就重點分析了細胞類型的生態位通訊，發現生態位形成的細胞“單元”之間的相互交流因疾病發生了明顯的改變，而通過抑制這些變化為臨床治療提供了借鑒。
圖5 時空生態(tai)位通訊
細(xi)(xi)胞在(zai)不(bu)同(tong)條(tiao)件下的(de)(de)(de)相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)是(shi)一(yi)(yi)個永恒的(de)(de)(de)話題，正常和疾病(bing)狀(zhuang)態下細(xi)(xi)胞之(zhi)間(jian)相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)變化為認知和治療(liao)疾病(bing)提供(gong)了契(qi)機。分析細(xi)(xi)胞之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)，一(yi)(yi)方(fang)面(mian)研究(jiu)細(xi)(xi)胞之(zhi)間(jian)有序統一(yi)(yi)的(de)(de)(de)整(zheng)體是(shi)如何相互(hu)協調(diao)、維持穩態的(de)(de)(de)；而(er)通過不(bu)同(tong)條(tiao)件下通訊的(de)(de)(de)變化和空(kong)間(jian)分布，就可以找(zhao)到疾病(bing)發生的(de)(de)(de)關(guan)鍵(jian)點和“始作(zuo)俑者”，為治療(liao)和運用(yong)(yong)提供(gong)了借鑒。
[1]RUI WU, WENBO GUO, XINYAO QIU,et al. Comprehensive analysis of spatial architecture in primary liver cancer. SCIENCE ADVANCES, 2021. DOI: 10.1126/sciadv.abg3750. [2]Identification of HSC/MPP expansion units in fetal liver by single-cell spatiotemporal transcriptomics[J]. Cell research
