跨物種單細(xì)胞組學(xué)數(shù)據(jù)分析的新工具CACIMAR

近日，中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院王杰課題組開發(fā)了新的計(jì)算工具CACIMAR（Cross-species Analysis of Cell Identities, Markers, Regulations），用于分析跨物種單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)（scRNA-seq），揭示物種間細(xì)胞類型、標(biāo)志基因、細(xì)胞內(nèi)調(diào)控以及細(xì)胞間相互作用的進(jìn)化保守性。相關(guān)成果以“CACIMAR: cross-species analysis of cell identities, markers, regulations, and interactions using single-cell RNA sequencing data”為題目發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Briefings in Bioinformatics上。

物種不僅在基因?qū)用妫苍诩?xì)胞類型、基因表達(dá)、基因調(diào)控、細(xì)胞間相互作用等方面顯示出進(jìn)化保守性。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)已廣泛用于不同物種的單細(xì)胞表達(dá)研究，為在細(xì)胞類型水平研究物種的進(jìn)化保守性提供了新機(jī)會(huì)。已有的算法能通過分析跨物種單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)識(shí)別進(jìn)化保守的細(xì)胞類型，如Seurat和SAMap等。但是，這些方法主要通過跨物種的單細(xì)胞聚類確定保守細(xì)胞類型，其準(zhǔn)確性在很大程度上取決于跨物種批次效應(yīng)校正的能力。這些軟件對(duì)進(jìn)化距離較遠(yuǎn)物種進(jìn)行聚類分析，仍存在明顯不足。此外，目前仍沒有方法能確定細(xì)胞間相互作用的進(jìn)化保守性。

針對(duì)以上問題，我院王杰課題組開發(fā)了新的R軟件包 CACIMAR ，用于分析跨物種的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。CACIMAR的保守性分析主要包含三個(gè)步驟（圖1）。**步，CACIMAR 基于每個(gè)物種內(nèi)的單細(xì)胞聚類結(jié)果確定每個(gè)物種的細(xì)胞類型、標(biāo)志基因、細(xì)胞內(nèi)調(diào)控和細(xì)胞間相互作用。該策略不用進(jìn)行跨物種的單細(xì)胞聚類，有效避免了跨物種的批次效應(yīng)。第二步，基于標(biāo)志基因的統(tǒng)計(jì)值（statistical power）和物種同源性（homolog），CACIMAR計(jì)算細(xì)胞類型的保守性分值。此外，CACIMAR還建立了特征加權(quán)和的模型（weighted sum?model），分別計(jì)算細(xì)胞內(nèi)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的保守性分值和細(xì)胞間相互作用的保守性分值。最后一步，基于計(jì)算的不同保守性分值分別確定跨物種保守或特異的細(xì)胞類型、細(xì)胞內(nèi)調(diào)控和細(xì)胞間相互作用。該研究將CACIMAR應(yīng)用于小鼠、斑馬魚和小雞的視網(wǎng)膜損傷再生的公共單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中，有效地確定了小鼠、斑馬魚和小雞視網(wǎng)膜中保守的細(xì)胞類型、標(biāo)志基因、細(xì)胞內(nèi)調(diào)控和細(xì)胞間相互作用。

總體上，CACIMAR提供了一種新的算法，能克服現(xiàn)有跨物種單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析的挑戰(zhàn)，特別是在識(shí)別跨物種保守和特異的細(xì)胞類型、基因調(diào)控以及細(xì)胞間相互作用方面。通過該算法，研究人員能深入地分析不同物種的細(xì)胞和分子水平的進(jìn)化保守性，為理解物種進(jìn)化的機(jī)制提供了新的視角。

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