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bioRxiv来源发表:

空间转录组里邻居的转录本混进来了:DisCell把溢出与微环境响应拆开,并给每个结论算出失效点

核心概要

单细胞分辨率的空间转录组会把邻近细胞的转录本计入本细胞,这种溢出与细胞对微环境的真实响应都会让表达随周围环境变化,仅凭计数无法区分。DisCell把每个细胞拆成内在状态、微环境响应和溢出三项联合建模,在一系列溢出比例下重新拟合,并给出每个结论的失效点。在卵巢与肺组织切片上,其内在状态保留的细胞周期信息多于任何同等保留邻域信息更少的对照方法;一项已发表的食管癌上皮–间质转化结论在建模溢出范围内依然成立。

Source-provided article image: DisCell: Separating Spillover from Niche Response in Spatial Transcriptomics
Fig. 1 · bioRxiv · 第 4 页

深度剖析

空间转录组分析中,一个细胞表达向邻居靠拢,既可能是它对微环境的响应,也可能是邻居转录本混入造成的测量溢出,而现有模型只描述内在状态加微环境响应、或内在状态加溢出,没有把三者同时建模。 此前的做法要么在分析前按假定的溢出量校正计数,要么在拟合后过滤或按固定水平检验溢出,因此一个微环境程序的结论是否真实,取决于建模假设把多少向邻居的偏移算作溢出。 在模拟组织中,DisCell能恢复每个细胞的内在状态与响应,并把由溢出造成的结论与真实响应区分开;在卵巢与肺组织的五个切片上,其内在状态按细胞周期相位衡量的自身属性保留量,多于任何在同等邻域信息保留水平下的对照方法。

模型把每个细胞的表达写成两部分混合:细胞自身不含溢出的干净表达谱,以及按一个切片统一比例混入的邻居表达谱。 干净表达谱由内在状态经网络映射得到,微环境响应则沿一组基因程序偏移,邻居的干净谱按共享边界长度和中心距离加权平均,比例在每次拟合中固定。 模型在溢出比例取0、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4时各用三个随机种子独立拟合,据此对每个结论计算失效点,即结论不再成立的最小测试比例,并与该切片由计数估计出的溢出上界对照。

每个由细胞表达算出的结论都会得到一个失效点,据此可以排序哪些结论对溢出稳健、哪些可能只是溢出造成的假象。 计数只能从上方约束溢出比例,无法给出下界,因此单一拟合无法判断结论依赖多少溢出。 在卵巢与肺切片上,多数结论在超过0.4的测试比例下仍成立,高于各切片估计上界;但卵巢新鲜冷冻切片的估计上界为0.49,高于测试范围,该切片上一直成立到0.4的结论只能算未定;同一切片上的信号基因倾向与肿瘤轴在0.2即失效,低于该上界,因此溢出未被排除。

启示与展望

检验只覆盖按每个切片一个比例、跨基因共享、且只涉及一圈邻居的溢出模型;在模拟组织与卵巢、肺、食管癌切片上,结论以失效点与该切片估计上界的对照形式给出。

该上界只约束所建模的溢出,并不是对物理上错分转录本份额的测量;模型也无法把在空间上成片分布的内在变异(例如占据某一区域的癌症亚克隆)与响应区分开,这类变异会被读作响应。