中國學(xué)者通過空間轉(zhuǎn)錄組空間位置和病理學(xué)圖像信息,解決空間轉(zhuǎn)錄組基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)噪音問題
隨著技術(shù)的進(jìn)步,空間轉(zhuǎn)錄組(spatial transcriptomics)成為近年來通量測序技術(shù)中的“香餑餑”。
其原因在于空間轉(zhuǎn)錄組功能上的“一舉多得”,它不僅能提供基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)(近似于單細(xì)胞測序數(shù)據(jù)),還可提供測序的位置信息,甚至對應(yīng)的病理學(xué)圖像數(shù)據(jù)也因其可見。
然而,空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)(尤其是在高分辨率空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù))的基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)并不能“拿來就用”,其中還存在著大量噪音。
它們或從低通量測序深度(位于每個測序位點(diǎn))而來,或來自那些為保存測序位置而實(shí)施的額外實(shí)驗(yàn)步驟。這些噪音在研究者們從空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)提取出有價值的信息時,形成了天然的障礙。
為修正空間轉(zhuǎn)錄組基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)中的噪音,近日,美國德州大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心與德州大學(xué)阿靈頓分校團(tuán)隊(duì)合作,發(fā)明了一種被稱為“Sprod”的方法。他們利用空間位置以及病理學(xué)圖像的信息,來解決上述問題。
圖丨相關(guān)論文(來源:Nature Methods)
該論文的共同第一作者為德州大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心定量生物學(xué)研究中心數(shù)據(jù)科學(xué)家王允冠博士、博士后研究員宋冰,論文共同通訊作者為德州大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心定量生物學(xué)研究中心王濤助理教授、德州大學(xué)阿靈頓分校王莉教授。該論文的其他主要作者還包括西南醫(yī)學(xué)中心謝陽教授、肖光華教授、王詩丹助理教授。
審稿人對該論文評價道: “隨著空間測序技術(shù)的普及,開發(fā)能夠有效處理和分析此類數(shù)據(jù)集的工具非常重要。Sprod 是一種朝著正確方向發(fā)展的新方法。利用空間信息和關(guān)系,對空間轉(zhuǎn)錄組基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)降噪尤其具有吸引力?!?/p>

該團(tuán)隊(duì)在空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn),在其病理學(xué)圖像和總體轉(zhuǎn)錄譜中,如果位點(diǎn)之間相似并測序位置相鄰,則其基因轉(zhuǎn)錄譜會相似。并且,這種轉(zhuǎn)錄譜相似度與位點(diǎn)間的相似程度成正比。
基于該原理,研究人員使用 Sprod 建立了隱圖模型,利用對不同測序位點(diǎn)的空間距離以及基因表達(dá)譜特征的分析,將測序位點(diǎn)放入到隱圖中??臻g轉(zhuǎn)錄組的表達(dá)譜信息以該隱圖為依據(jù)流動,從而實(shí)現(xiàn)了表達(dá)譜數(shù)據(jù)的降噪。
談及該方法的應(yīng)用,王允冠表示,“Sprod 可在各類的空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)中廣泛使用,例如 Visium、Slide-Seq、HDST、Seq-Scope 等。分辨率與表達(dá)譜數(shù)據(jù)噪音成正比,即技術(shù)類型分辨率高其噪音也越大,因此 Sprod 也在其中發(fā)揮更大的價值?!?/p>

該團(tuán)隊(duì)首先在模擬數(shù)據(jù)(simulation data)上對 Sprod 的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。
在檢驗(yàn)數(shù)據(jù)集上,研究人員生成了一個類似空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的并且人為加入了噪音的數(shù)據(jù)。在應(yīng)用了 Sprod 之后他們發(fā)現(xiàn),在不同的噪音水平上,Sprod 至少去除掉了 85% 的噪音。
“驗(yàn)證獲得了滿意的結(jié)果之后,我們優(yōu)化了參數(shù),最后把算法在來自各種空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)的數(shù)據(jù)集上進(jìn)行驗(yàn)證和應(yīng)用?!蓖踉使谡f。

該論文重點(diǎn)在于 Sprod 在真實(shí)數(shù)據(jù)上的應(yīng)用。研究人員測試了包括 Visium、Slide-Seq、HDST 和 Seq-Scope 等多個平臺的數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn) sprod 可以在數(shù)據(jù)降噪的基礎(chǔ)上,增強(qiáng)差異表達(dá)分析的可靠性,并且使下游的擬時和細(xì)胞通訊分析可以更加真實(shí)的反應(yīng)相應(yīng)的生物學(xué)信息。
王允冠認(rèn)為,正如 2014 年之后單細(xì)胞測序技術(shù)和應(yīng)用“井噴式”的發(fā)展一樣,在未來若干年,空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)會是熱門技術(shù)。
他說:“Sprod 具有很強(qiáng)的通用性,并且可以校正來自不同來源的數(shù)據(jù)噪音。因此,Sprod 可以被應(yīng)用在目前大多數(shù)、以及未來可能出現(xiàn)的空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)中。并且,在整個數(shù)據(jù)分析的初始階段對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,以提高整個數(shù)據(jù)分析流程的可靠性?!?/p>

圖丨王允冠(來源:王允冠)
王允冠大學(xué)本科畢業(yè)于大連理工大學(xué)生物工程系,之后他的碩士和博士階段分別在美國辛辛那提大學(xué)學(xué)習(xí)免疫學(xué),以及生物信息學(xué)。
此前,他曾在哈佛醫(yī)學(xué)院系統(tǒng)藥物學(xué)實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任計(jì)算生物學(xué)家,期間開發(fā)了針對重復(fù)免疫熒光染色數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢測和數(shù)據(jù)分析方法。
加入西南醫(yī)學(xué)中心后,在與朱浩副教授的合作中,王允冠用單細(xì)胞分析結(jié)構(gòu) 2 區(qū)干細(xì)胞的基因表達(dá),并開發(fā)了組織定位系統(tǒng)圖像分析軟件,以進(jìn)行大規(guī)模的系統(tǒng)圖像處理[2]。通過這些分析,發(fā)現(xiàn)了 2 區(qū)肝細(xì)胞介導(dǎo)肝細(xì)胞間的動態(tài)平衡。
此外,在與牟平研究組的合作中,他還曾用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析,揭示了 JAK-STAT 在前列腺癌中誘導(dǎo)細(xì)胞向類干細(xì)胞表型和多能性轉(zhuǎn)化,從而導(dǎo)致藥物抗性的重要作用[3]。
近年來,王濤實(shí)驗(yàn)室(Tao Wang Lab)在計(jì)算免疫學(xué)方面收獲了系列豐碩成果。王濤教授的研究主要集中在研究免疫受體-抗原結(jié)合,單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組與免疫受體序列綜合分析,利用空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)研究免疫學(xué)問題等方向。目前,定量生物學(xué)研究中心有多個博士后招聘職位(qbrc.swmed.edu/labs/wanglab,qbrc.swmed.edu/labs/xielab,qbrc.swmed.edu/labs/xiaolab),歡迎各專業(yè)生物信息學(xué)人才加盟。

1.Wang, Y., Song, B., Wang, S. et al. Sprod for de-noising spatially resolved transcriptomics data based on position and image information. Nature Methods 19, 950–958 (2022). https://doi.org/10.1038/s41592-022-01560-w
2.Wei,Y.,Wang, Y. et al. Liver homeostasis is maintained by midlobular zone hepatocytes. Sceinece 371, 6532(2021). DOI: 10.1126/science.abb1625
3.Deng, S., Wang, C., Wang, Y. et al. Ectopic JAK–STAT activation enables the transition to a stem-like and multilineage state conferring AR-targeted therapy resistance. Nature Cancer 3, 1071–1087 (2022). https://doi.org/10.1038/s43018-022-00431-9

掃描二維碼推送至手機(jī)訪問。
版權(quán)聲明:本文由財神資訊-領(lǐng)先的體育資訊互動媒體轉(zhuǎn)載發(fā)布,如需刪除請聯(lián)系。