2022-08-25
對于單(dan)(dan)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)和(he)空(kong)間(jian)(jian)轉(zhuan)錄(lu)(lu)(lu)組的(de)(de)(de)(de)數據分(fen)析(xi)(xi)而言，聚(ju)類(lei)(lei)(lei)分(fen)析(xi)(xi)都是(shi)繞(rao)不(bu)開(kai)的(de)(de)(de)(de)一個(ge)話題，從(cong)單(dan)(dan)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)數據分(fen)析(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)角度(du)看，聚(ju)類(lei)(lei)(lei)分(fen)析(xi)(xi)得到的(de)(de)(de)(de)聚(ju)類(lei)(lei)(lei)結果，每個(ge)群代(dai)表了某(mou)種細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)類(lei)(lei)(lei)型，運用(yong)經典的(de)(de)(de)(de)marker或(huo)者生信的(de)(de)(de)(de)手段(duan)可以將其注釋并用(yong)于下游的(de)(de)(de)(de)個(ge)性(xing)(xing)化分(fen)析(xi)(xi)，單(dan)(dan)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)所有(you)的(de)(de)(de)(de)個(ge)性(xing)(xing)化分(fen)析(xi)(xi)都建立在細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)注釋的(de)(de)(de)(de)前提之上；那么對于空(kong)間(jian)(jian)轉(zhuan)錄(lu)(lu)(lu)組，由于其每個(ge)spot包(bao)含了多(duo)個(ge)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)，可能是(shi)相(xiang)同的(de)(de)(de)(de)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)類(lei)(lei)(lei)型，但(dan)更多(duo)的(de)(de)(de)(de)為不(bu)同細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)類(lei)(lei)(lei)型的(de)(de)(de)(de)混合(he)，這樣(yang)(yang)的(de)(de)(de)(de)條(tiao)件下，聚(ju)類(lei)(lei)(lei)分(fen)析(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)手段(duan)相(xiang)對于單(dan)(dan)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)會有(you)什么樣(yang)(yang)的(de)(de)(de)(de)差異(yi)？應該如(ru)何解讀空(kong)間(jian)(jian)轉(zhuan)錄(lu)(lu)(lu)組的(de)(de)(de)(de)聚(ju)類(lei)(lei)(lei)分(fen)析(xi)(xi)？這樣(yang)(yang)的(de)(de)(de)(de)分(fen)析(xi)(xi)，對于我們認知(zhi)組織的(de)(de)(de)(de)空(kong)間(jian)(jian)結構提供了怎(zen)樣(yang)(yang)的(de)(de)(de)(de)視角？本篇(pian)就帶領大家(jia)走進空(kong)間(jian)(jian)轉(zhuan)錄(lu)(lu)(lu)組聚(ju)類(lei)(lei)(lei)分(fen)析(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)世界(jie)。
空間轉錄組分子聚類 所(suo)謂分(fen)子聚類，即跟單細(xi)胞聚類的(de)方(fang)法一致，采用(yong)細(xi)胞/基因的(de)矩陣進行降維聚類，跟單細(xi)胞所(suo)不同的(de)是這(zhe)里是spot/基因的(de)矩陣進行降維聚類，示意圖如下(xia)： 圖1 空(kong)間(jian)轉錄組分子聚(ju)類 降維聚類(lei)的結果(guo)跟單細胞很相似，采用(yong)的降維手段(duan)也是PCA、TSNE/UMAP，尤其(qi)在(zai)分析空間多(duo)樣本整合聚類(lei)的時(shi)候，采用(yong)UMAP非線(xian)性降維的方式居多(duo)，聚類(lei)方法通(tong)常采用(yong)louvain/leiden，另外空間還可以(yi)展示聚類(lei)結果(guo)的空間分布，如下圖(tu)： 圖2 空間聚類結果 如(ru)前所述，單(dan)細(xi)(xi)胞(bao)的聚(ju)類(lei)結果每個群代表了某種細(xi)(xi)胞(bao)類(lei)型(xing)，那么對于空(kong)間轉(zhuan)錄組而言(yan)，聚(ju)類(lei)結果則代表了某個區(qu)域(yu)，但是請注(zhu)意，每個區(qu)域(yu)都是由多種細(xi)(xi)胞(bao)類(lei)型(xing)混合而成(cheng)，正是由于細(xi)(xi)胞(bao)類(lei)型(xing)的有序結合和相互作用，才會形(xing)成(cheng)特定的空(kong)間區(qu)域(yu)，行使特定的生物學功(gong)能。 分(fen)(fen)子(zi)聚(ju)(ju)類的(de)(de)(de)(de)(de)基(ji)(ji)(ji)礎仍然是基(ji)(ji)(ji)因，從基(ji)(ji)(ji)因的(de)(de)(de)(de)(de)角度(du)進行聚(ju)(ju)類，也體現了(le)(le)基(ji)(ji)(ji)因的(de)(de)(de)(de)(de)空(kong)(kong)間(jian)(jian)區(qu)(qu)域(yu)分(fen)(fen)布(bu)特(te)征，而(er)基(ji)(ji)(ji)因的(de)(de)(de)(de)(de)載體是細(xi)胞(bao)，基(ji)(ji)(ji)因的(de)(de)(de)(de)(de)空(kong)(kong)間(jian)(jian)區(qu)(qu)域(yu)分(fen)(fen)布(bu)，體現的(de)(de)(de)(de)(de)就是細(xi)胞(bao)的(de)(de)(de)(de)(de)空(kong)(kong)間(jian)(jian)特(te)異性，尤其(qi)在細(xi)胞(bao)通(tong)訊的(de)(de)(de)(de)(de)研究中，配受體基(ji)(ji)(ji)因的(de)(de)(de)(de)(de)空(kong)(kong)間(jian)(jian)分(fen)(fen)布(bu)蘊(yun)含了(le)(le)豐富的(de)(de)(de)(de)(de)交(jiao)流信(xin)息；其(qi)次空(kong)(kong)間(jian)(jian)聚(ju)(ju)類不僅僅劃(hua)分(fen)(fen)了(le)(le)區(qu)(qu)域(yu)特(te)征，同時也為我們確定了(le)(le)組織區(qu)(qu)域(yu)的(de)(de)(de)(de)(de)邊(bian)界，組織作(zuo)為一(yi)個(ge)有序(xu)的(de)(de)(de)(de)(de)統一(yi)體，各個(ge)空(kong)(kong)間(jian)(jian)區(qu)(qu)域(yu)的(de)(de)(de)(de)(de)邊(bian)界分(fen)(fen)析(xi)、尤其(qi)是tumor與normal的(de)(de)(de)(de)(de)邊(bian)界分(fen)(fen)析(xi)，已經成為了(le)(le)空(kong)(kong)間(jian)(jian)轉錄組研究的(de)(de)(de)(de)(de)重點。 空間轉錄組細胞聚類 單(dan)細胞(bao)空間(jian)聯合分(fen)(fen)析(xi)的(de)(de)方(fang)(fang)(fang)法手段早已司(si)空見慣，聯合的(de)(de)方(fang)(fang)(fang)法有很多，其中以cell2location和Seurat引用率最高，而分(fen)(fen)析(xi)得(de)到的(de)(de)結(jie)果(guo)就是(shi)空間(jian)轉錄組每個(ge)spot的(de)(de)細胞(bao)類(lei)型的(de)(de)比(bi)例矩陣，針對這個(ge)矩陣，就可以另辟(pi)蹊徑，結(jie)合分(fen)(fen)子聚類(lei)的(de)(de)分(fen)(fen)析(xi)方(fang)(fang)(fang)法，對細胞(bao)類(lei)型進(jin)行空間(jian)聚類(lei)，示(shi)意圖如下： 圖3 空間細胞聚類 不難看出，這樣聚類方法的第一步就需(xu)要(yao)我(wo)們(men)對每(mei)個(ge)spot進行(xing)細(xi)胞(bao)類型的注釋(shi)，而且要(yao)注釋(shi)的很(hen)精確，得到每(mei)個(ge)spot含有的細(xi)胞(bao)類型的比例，示例如下(xia)圖： 圖4 空轉細胞類型注釋 由此進行(xing)的(de)(de)聚(ju)類(lei)(lei)(lei)分析(xi)，就是空(kong)間(jian)(jian)細(xi)胞(bao)類(lei)(lei)(lei)型的(de)(de)聚(ju)類(lei)(lei)(lei)分析(xi)，不(bu)同于分子聚(ju)類(lei)(lei)(lei)，空(kong)間(jian)(jian)細(xi)胞(bao)聚(ju)類(lei)(lei)(lei)的(de)(de)基礎是細(xi)胞(bao)，如果spot在(zai)(zai)此基礎上聚(ju)成了一(yi)類(lei)(lei)(lei)，那么這一(yi)類(lei)(lei)(lei)所含有(you)的(de)(de)細(xi)胞(bao)類(lei)(lei)(lei)型及比例相近，這樣(yang)的(de)(de)聚(ju)類(lei)(lei)(lei)結(jie)果就組成了空(kong)間(jian)(jian)分析(xi)重要的(de)(de)組成部分，尤其(qi)在(zai)(zai)多樣(yang)本(ben)整合(he)聚(ju)類(lei)(lei)(lei)的(de)(de)情況下， 采(cai)用這樣(yang)的(de)(de)聚(ju)類(lei)(lei)(lei)方法(fa)代(dai)表(biao)了不(bu)同樣(yang)本(ben)間(jian)(jian)共享(xiang)的(de)(de)潛在(zai)(zai)細(xi)胞(bao)結(jie)構。 細(xi)胞(bao)類(lei)型的(de)空(kong)間(jian)分布是空(kong)間(jian)研究(jiu)的(de)重點(dian)，尤其是多種細(xi)胞(bao)類(lei)型在空(kong)間(jian)上的(de)分布與相對位置關系，對空(kong)間(jian)細(xi)胞(bao)進行聚類(lei)提供(gong)了對細(xi)胞(bao)共(gong)定位事(shi)件(jian)的(de)全(quan)面描述。 空間聚類與生態位 從上面的(de)(de)(de)分(fen)(fen)析(xi)中(zhong)不難看出(chu)，無(wu)論(lun)從分(fen)(fen)子角(jiao)度(du)還是從細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)角(jiao)度(du)，聚類(lei)的(de)(de)(de)結果均不是細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)類(lei)型，而(er)是圖上所(suo)標(biao)注的(de)(de)(de)Niche，即生(sheng)態位。組織中(zhong)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)的(de)(de)(de)分(fen)(fen)布均是經過精心的(de)(de)(de)“編排”，細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)與細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)之(zhi)間(jian)(jian)的(de)(de)(de)空間(jian)(jian)位置關(guan)系，也(ye)體現了細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)類(lei)型之(zhi)間(jian)(jian)的(de)(de)(de)互作(zuo)的(de)(de)(de)“頻繁程(cheng)度(du)”，針對這些生(sheng)態位細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)類(lei)型的(de)(de)(de)分(fen)(fen)析(xi)，可以獲得(de)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)之(zhi)間(jian)(jian)共定位的(de)(de)(de)情況(kuang)，分(fen)(fen)析(xi)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)類(lei)型之(zhi)間(jian)(jian)的(de)(de)(de)相互依賴(lai)程(cheng)度(du)，如下(xia)圖： 圖5 空間生態位與細胞類型的空間定位 每種(zhong)Niche中(zhong)會包含特有的(de)(de)幾種(zhong)細(xi)(xi)胞(bao)類型(xing)，Niche中(zhong)的(de)(de)細(xi)(xi)胞(bao)類型(xing)由(you)于其(qi)細(xi)(xi)胞(bao)類型(xing)組(zu)成的(de)(de)相似性，代表了共有的(de)(de)細(xi)(xi)胞(bao)結(jie)構，在空間(jian)轉錄(lu)組(zu)數據(ju)分析的(de)(de)過程中(zhong)，比(bi)較不同條(tiao)件下樣本之間(jian)的(de)(de)細(xi)(xi)胞(bao)結(jie)構，就會找到疾(ji)病(bing)(bing)所帶(dai)來的(de)(de)組(zu)織結(jie)構變化，可以在更加全面(mian)的(de)(de)角(jiao)度上認(ren)識疾(ji)病(bing)(bing)，并為(wei)治療提(ti)供(gong)積極的(de)(de)意見。 Niche的(de)分析也帶來了(le)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)類(lei)型(xing)(xing)空間相(xiang)互依賴的(de)問題，一個明顯(xian)的(de)例子(zi)就是巨(ju)噬(shi)(shi)與(yu)腫(zhong)瘤(liu)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)的(de)相(xiang)互作(zuo)用(yong)，一方面巨(ju)噬(shi)(shi)可以(yi)促進腫(zhong)瘤(liu)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)的(de)轉(zhuan)移，而另一方面巨(ju)噬(shi)(shi)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)也可以(yi)一直腫(zhong)瘤(liu)的(de)擴展，這種(zhong)只有細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)相(xiang)互依賴才會導致的(de)生物學現象，促進了(le)在空間上對細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)類(lei)型(xing)(xing)相(xiang)互依賴的(de)研究。如圖5右所(suo)示，在空間一定的(de)區域(yu)范圍(wei)內，細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)類(lei)型(xing)(xing)之間體現了(le)“小團伙”，這種(zhong)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)類(lei)型(xing)(xing)相(xiang)互依賴的(de)現象，這是組織有序性的(de)主要(yao)特征(zheng)，也是在研究疾(ji)病(bing)狀(zhuang)態(tai)下“小團伙”的(de)轉(zhuan)變(bian)和有序性的(de)破(po)壞，這種(zhong)空間信息的(de)提(ti)供，才能真正為疾(ji)病(bing)治療帶來可靠的(de)生物學信息。 派森諾生物總結 從單(dan)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)的(de)(de)(de)角度而言(yan)，對(dui)于正(zheng)常(chang)和疾(ji)病(bing)的(de)(de)(de)樣本(ben)研究提供(gong)了(le)(le)前(qian)所未(wei)有(you)(you)的(de)(de)(de)疾(ji)病(bing)認知，但是(shi)缺乏了(le)(le)空(kong)間結構(gou)的(de)(de)(de)生物學信息。腫瘤(liu)、疾(ji)病(bing)等對(dui)組(zu)織有(you)(you)序的(de)(de)(de)“破壞”不僅(jin)(jin)僅(jin)(jin)是(shi)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)比例、細(xi)(xi)胞(bao)(bao)交互的(de)(de)(de)變化，更多的(de)(de)(de)是(shi)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)內(nei)在(zai)(zai)結構(gou)（Niche）的(de)(de)(de)改(gai)變，Niche的(de)(de)(de)轉變改(gai)變了(le)(le)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)存在(zai)(zai)原(yuan)有(you)(you)的(de)(de)(de)“環境”，錯誤的(de)(de)(de)定位(wei)與相(xiang)互作用改(gai)變了(le)(le)的(de)(de)(de)組(zu)織生態，才導致了(le)(le)組(zu)織病(bing)變與功(gong)能(neng)紊亂。 [1]Kuppe, C., Ramirez Flores, R.O., Li, Z. et al. Spatial multi-omic map of human myocardial infarction. Nature (2022). //doi.org/10.1038/s41586-022-05060-x
