单细胞空间数据分析之CNV进化树

社群营销 2023-2-28 13:55 7021人围观数据

作者，Evil Genius

时光荏苒，2022年也行将竣事，这一年，单细胞空间多组学技术进一步率领我们走入生物构造的微观天下。单细胞多组学的技术成长让研讨职员可以从单个细胞的维度停止遗传学、转录组学、卵白组学等方面的深入剖析，空间多组学则从细胞空间排布的角度帮助研讨者洞悉细胞之间的相互合作及静态迁移，单细胞空间技术的结合利用已经成了科研手段的研讨利器，从更深条理的方面解读发育、疾病等发生的生物学机制。

肿瘤的发生在很洪流平上照旧是未解之谜，肿瘤的个体差别、侵袭性和内部异质性也成为霸占肿瘤的天下性困难，领会细胞癌变进程和发生地区可以进步对肿瘤若何发展和成长的了解。在基因组上对于肿瘤样本的分析，CNV研讨占了很重要的一部分，对单细胞空间分析而言，识别肿瘤细胞和发生的CNV事务一样重要，包括它在遗传上若何随着时候的推移发生变化。

单细胞组学角度的CNV分析

从单细胞转录组数据分析识别肿瘤细胞的CNV发闹事务及遗传变化，常用的分析方式包括inferCNV和copycat，以肯定体细胞大范围染色体拷贝数改变的证据，例如全部染色体或大段染色体的gain或loss。其中的道理则是经过与“一般细胞”相比，研讨基因组相对位置上的表达强度差别来完成的，现实研讨中，肿瘤基因组哪些地区的过度或更少表达凡是变化明显，以下图：

图1 单细胞组学CNV分析热图

从单细胞数据种判定CNV事务凡是需要以下步调:

(1) 单细胞数据的根本分析及细胞正文: CNV分析是针对肿瘤细胞的分析，凡是是上皮大概内皮细胞，因此需要先判定细胞范例。

(2) 挑选合适的reference:挑选参考原则上是要挑选对应的细胞范例，例如分析上皮细胞癌变的情况，那末应当挑选一般的上皮细胞作为refernece，可是在现真相况中，样本凡是都是肿瘤构造样本 + 癌旁，一般的构造样本一般没法取到，所以退而求其次，挑选免疫细胞等细胞范例作为reference。

(3) 基因排序和算法处置：CNV的分析道理要求肯定基因在染色体上的具体位置，而且以reference表达基因的高低流50个基因（默许）的表达均匀值作为“基线”，判定肿瘤细胞的gain和loss事务。

(4) CNV的终极判定

单细胞组学角度分析CNV的遗传进化

CNV的分析成果表征了肿瘤细胞的CNV事务，可是细胞之间的CNV事务常常存在差别，有的细胞范例堆集的CNV事务较多，而有的细胞癌变水平较轻，这样的分析成果需要对肿瘤的克隆进化停止研讨，希望可以获得肿瘤细胞演变的全部进程，这个时辰需要构建肿瘤的发育进化树，以下图[1]：

图2 肿瘤进化树

肿瘤进化树要说明的题目集合在CNV事务的发生早晚，每个进化树主干对应早期发生的CNV事务，下方的分支则是前期发生的，而且在前期的CNV事务中表现了分歧的进化偏向，从转录组的角度来看就是肿瘤内部的异质性。其中包含的逻辑就是CNV事务是不竭堆集的进程，假如某个CNV事务堆集的越多，说明发生的事务点越早，而堆集较少的CNV事务则是前期时候点发生的。

单细胞组学角度分析CNV的空间缺失

肿瘤不竭演变的进程不是随机的，而是遭到四周微情况的影响，可是在缺失空间信息的条件下没法领会最初肿瘤细胞发生的位置，以及各类下流异质性的肿瘤细胞的空间迁移变化，所以在CNV分析的根本上，加倍需要空间信息的气力来进一步鞭策肿瘤的研讨。

空间组学角度的CNV分析

今朝按照空间组学数据揣度CNV已有多篇文献报道，在文章Comprehensive analysis of spatial architecture in primary liver cancer[2]中，将空间转录组一般的构造地区作为reference揣度每个肿瘤spot的CNV，而且帮助WES的数据考证CNV揣度的正确性，以下图：

图3 空间转录组CNV揣度

固然，上述成果对空间肿瘤地区的CNV揣度更多鉴戒的是单细胞的分析方式，我们更需要进一步在空间位置上分析出肿瘤内部CNV事务的散布及异质性，在文章Spatiotemporal heterogeneity of glioblastoma is dictated by microenvironmental interference[3]中，从空间层面上解读CNV的空间散布，以下图：

图4 CNV事务的空间散布

从上述的成果可以分析出特定的肿瘤地区发生的CNV事务，进一步将CNV的正文成果映照回空间位置，以下图:

图5 CNV事务的空间散布

分析到这里，对肿瘤染色体变异已经有了一个比力周全的熟悉，可是回到最初的题目，CNV事务的空间散布究竟是若何演变的？哪些地区最早发生了癌变？下流的CNV事务是若何侵袭和在构造中扩大的？

空间组学角度分析CNV的遗传进化

跟单细胞分析CNV进化树一样的事理，在空间地区内堆集的CNV时候越多，说明发生癌变的时候越早，反之亦然。在文章The spatial landscape of clonal somatic mutations in benign and malignant tissue[4]中，研讨空间CNV事务的散布与活性，发现肿瘤内部存在很大的异质性，经过软件和算法揣度每个spot的CNV状态，分层聚类，成果发现CNV聚类分析的cluster与构造形状学明显相关，以下图：

图6 CNV的空间散布及进化树

一样的事理，CNV越早发生的位置，说明该地区最早癌变，而癌变地区经过CNV事务的不竭演变和细胞侵袭，形成了分歧构造部位的肿瘤异质性，而分歧部位的肿瘤地区微情况必定存在差别，CNV事务的空间图谱和肿瘤微情况的研讨有益于对疾病的认知和诊断，甚至治疗。

写在前面

在癌症患者的肿瘤中，个体及肿瘤内的异质性一向是医学研讨上的难以霸占的困难，而且恶性细胞被复杂的非恶性细胞收集所包围，构结婚近的相互感化，在这样的布景下，更增大了肿瘤研讨的复杂性。而在最新的研讨表白，肿瘤相关菌群中的细菌在癌症成长、转移、免疫监视和化疗耐药中起感化，肿瘤内微生物群的空间散布和特定的宿主-微生物细胞相互感化影响肿瘤微情况 (TME) 内分歧的功用才能[5]。总之，借助单细胞空间多组学的分析手段，从更深角度熟悉了肿瘤结构的复杂性，新技术的出现也为霸占肿瘤带来了新的曙光。

参考文献：

[1] Wu, W., Zhang, J., Cao, X., Cai, Z., & Zhao, F. (2022). Exploring the cellular landscape of circular RNAs using full-length single-cell RNA sequencing. Nature communications, 13(1), 3242. https://doi.org/10.1038/s41467-022-30963-8

[2] RUI WU, WENBO GUO, XINYAO QIU,et al. Comprehensive analysis of spatial architecture in primary liver cancer. SCIENCE ADVANCES, 2021. DOI: 10.1126/sciadv.abg3750

[3] V.M. Ravi et al, “Spatiotemporal heterogeneity of glioblastoma is dictated by microenvironmental interference,” bioRxiv, 2021.

[4] Ajit J. Nirmal, Zoltan Maliga, et al. The spatial landscape of progression and immunoediting in primary melanoma at single cell resolution. Cancer Discovery, 2022; DOI: 10.1158/2159-8290.CD-21-1357.

[5] Jorge Luis Galeano Niño et al. Effect of the intratumoral microbiota on spatial and cellular heterogeneity in cancer, Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05435-0.

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