基于單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的細(xì)胞軌跡分析常見(jiàn)形式有細(xì)胞變化軌跡分析和細(xì)胞譜系分析，在上一篇中，我們?cè)敿?xì)介紹了常規(guī)擬時(shí)間序列分析的相關(guān)內(nèi)容（具體內(nèi)容查看鏈接）。在這里，我們主要就細(xì)胞譜系分析進(jìn)行介紹和解讀。
細(xì)胞譜系分析，最簡(jiǎn)明的理解就是細(xì)胞領(lǐng)域的進(jìn)化樹(shù)，通常指的是某類祖源細(xì)胞，在特定條件下，有多個(gè)發(fā)育軌跡和命運(yùn)，變化過(guò)程類似復(fù)雜樹(shù)狀分支變化過(guò)程。因此，該分析的目的就是用單細(xì)胞數(shù)據(jù)還原復(fù)雜細(xì)胞命運(yùn)變化。該分析的結(jié)果呈現(xiàn)內(nèi)容可以簡(jiǎn)單概括為兩點(diǎn)：1.細(xì)胞變化命運(yùn)：2.不同命運(yùn)細(xì)胞的marker基因。
以Monocle來(lái)進(jìn)行細(xì)胞譜系分析為例，Monocle細(xì)胞譜系分析的目的是在實(shí)驗(yàn)中了解細(xì)胞是如何通過(guò)一個(gè)基因表達(dá)變化的生物程序進(jìn)行轉(zhuǎn)化的。每個(gè)細(xì)胞都可以看作是高維空間中的一個(gè)點(diǎn)，每個(gè)維描述基因組中不同基因的表達(dá)。識(shí)別基因表達(dá)變化的程序相當(dāng)于學(xué)習(xí)細(xì)胞在這個(gè)空間中遵循的軌跡。但是，分析中維度越多，學(xué)習(xí)軌跡就越困難。然而，許多基因通常彼此共存。因此，可以使用各種不同的算法來(lái)降低數(shù)據(jù)的維數(shù)。所以，譜系分析的核心還是通過(guò)基因表達(dá)數(shù)據(jù)的降維，可視化細(xì)胞間的關(guān)系緊密程度。
1. 譜系骨架圖
要進(jìn)行該分析的輸入數(shù)據(jù)主要包含三部分：基因列表、表達(dá)矩陣、細(xì)胞類型。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維、編碼每個(gè)細(xì)胞映射到軌跡中的位置，根據(jù)已有知識(shí)指定軌跡的起點(diǎn)，就可以得到基本的譜系變化圖（譜系框架圖）。 圖一 譜系框架圖   上圖是由Monocle2分析得到的血細(xì)胞分化的譜系骨架,數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]，上述圖形象地描述了細(xì)胞間的譜系關(guān)系。
2. 譜系層次聚類熱圖（Complex Heatmap）
譜系框架圖能看出來(lái)細(xì)胞間的譜系關(guān)系，當(dāng)然，通過(guò)對(duì)具有相似基因集進(jìn)行層次聚類，以熱圖形式也允許我們識(shí)別到在每個(gè)分支中發(fā)育的細(xì)胞類型，如下圖：
  圖二 譜系層次聚類熱圖 上圖顯示根據(jù)譜系骨架得到的Cluster在譜系的各個(gè)節(jié)段的分布情況，名字（數(shù)字）標(biāo)簽對(duì)應(yīng)于樹(shù)的每個(gè)段的狀態(tài)標(biāo)簽。
3. 譜系（各樹(shù)干）評(píng)分計(jì)算（stemness score）
得到基本譜系結(jié)構(gòu)后，需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化。因此，需要對(duì)譜系進(jìn)行評(píng)分計(jì)算。通常，評(píng)分計(jì)算遵循以下幾個(gè)過(guò)程：
（1）選擇每個(gè)分支特有的stemness基因
（2）根據(jù)選擇的基因計(jì)算表達(dá)值，進(jìn)而計(jì)算譜系評(píng)分，并校正譜系骨架圖
（3）將 UMI 歸一化為 TPM 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
校正完后，通過(guò)評(píng)分高低，留下可靠的，刪除不可靠數(shù)據(jù)細(xì)胞，分別進(jìn)行繪圖展示： 圖三 校正后留下細(xì)胞與剔除細(xì)胞譜系圖，右圖為校正后的留下細(xì)胞譜系圖 4.差異基因分析
得到譜系圖后，需要分析每個(gè)不同的分支內(nèi)特有的差異基因是哪些，這樣便于理解每個(gè)分支的特征和生物學(xué)過(guò)程?；贛onocle2的回歸模型，可以檢測(cè)在發(fā)育過(guò)程中隨著命運(yùn)決定而改變的基因，并很好地計(jì)算和可視化不同分支間表達(dá)的差異。
得到差異基因后，我們可以通過(guò)以下幾種方式進(jìn)行展示：
(1) 差異基因多方向的動(dòng)力學(xué)曲線
將特征基因，以不同分支進(jìn)行分類，以進(jìn)化軌跡為橫坐標(biāo)，繪制動(dòng)力學(xué)曲線圖： 圖四 基因動(dòng)力學(xué)曲線圖 以上圖中，每條曲線對(duì)應(yīng)于特定譜系中該基因的動(dòng)力學(xué)。
(2) 差異基因的branch_ heatmap
根據(jù)差異基因，可通過(guò)形式展示每個(gè)不同分支的基因表達(dá)熱圖，直觀展示每個(gè)不同分支中，不同基因的變化情況：
圖五 差異基因表達(dá)熱圖 上述四步過(guò)程結(jié)果，展示了細(xì)胞譜系分析后的主要結(jié)果。針對(duì)特定的分支，我們也可以通過(guò)其他的一些方式進(jìn)行展示。但是，不管哪種方式，模擬出細(xì)胞的譜系變化和篩選每個(gè)分支中的特征基因是該分析的主要結(jié)果和重點(diǎn)。有了這樣一個(gè)高大上的生物信息學(xué)分析，相信對(duì)于每一個(gè)特定情境下的單細(xì)胞數(shù)據(jù)解讀，可以提供巨大的幫助。
以上分析結(jié)果圖由上海生物芯片有限公公司生物信息學(xué)專家獨(dú)立完成，如有相關(guān)需求，請(qǐng)聯(lián)系上海生物芯片有限公司服務(wù)平臺(tái)。
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