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清華新聞網10月24日電 近日，清華大學腦與智能實驗室與北京大學前沿交叉學科研究院組成的國際科學家團隊開發了一種新的計算方法，可以利用單細胞轉錄組數據重構細胞的空間組織。研究表明，這種名為De Novo Coalescent Embedding（D-CE）的方法在將單個細胞映射回組織內的原始位置方面優于現有技術。
單細胞轉錄組（scRNA-seq）技術可以描繪單個細胞中的基因表達，但會丟失細胞的空間位置信息。因此，我們需要一種計算方法根據細胞的轉錄組特征來重建細胞之間的空間關系。此項研究提出的D-CE方法可以從頭構建細胞的空間位置映射，而不需要先驗知識。

圖1. De Novo Coalescent Embedding（D-CE）算法可以利用基因表達信息重構單細胞的三維空間組織。本研究表明直接從基因表達推斷單細胞的三維空間組織是可能的。D-CE方法構建轉錄組網絡,并使用聚合嵌入（coalescent embedding）技術將此網絡映射到三維空間以重建組織中細胞的位置信息

研究人員首先在具有已知空間標記的基準數據集上測試了D-CE。結果表明它可以準確重構小鼠和人胚胎組織樣本中的細胞位置。與以前的方法novoSpaRc和CSOmap相比，D-CE具有最優異的性能，最好地分離了來自不同空間域的細胞。

圖2.利用D-CE和現有方法從寡細胞/單細胞轉錄組數據重構其空間位置信息。a)示意圖顯示了小鼠胚胎E7.5中的4個空間域pA、dA、pP和dP。b) D-CE、novoSpaRC、CSOmap、PCA、t-SNE和UMAP所獲得的OI、ASI和PSImcc評分。這些分數衡量重構的準確性,更高的分數代表更高的準確性。c)利用D-CE、novoSpaRC、CSOmap、PCA、t-SNE和UMAP重構的小鼠胚胎組織空間結構

D-CE的一個關鍵創新點是其在沒有先驗知識的情況下也能提取表達特定空間模式的標志基因。研究人員表明，使用這些D-CE確定的標志基因進一步提高了空間重構的準確性。
通過在果蠅和斑馬魚胚胎單細胞轉錄組數據集上的進一步測試，研究團隊表明D-CE方法具有在不同物種上的靈活性和通用性。總體而言，D-CE在14個數據集、近500個重構實驗中實現了至少優于現有方法四倍的準確性。
D-CE還通過重建細胞之間的空間關系，揭示了影響組織空間特征形成的新調節因子，如氧氣、細胞外基質和緊密連接梯度。參與研究的科學家們指出，D-CE的準確性和通用性將使其成為從單細胞轉錄組數據的空間模式中獲取生物學見解的新工具。

相關成果以“利用轉錄組網絡的從頭聯合嵌入實現單細胞/寡細胞空間重構”（Spatial Reconstruction of Oligo and Single Cells by De Novo Coalescent Embedding of Transcriptomic Networks）為題，發表在《先進科學》（Advanced Science）期刊上。

該研究獲得了中國科學技術部、中國國家自然科學基金和上海市科技重大專項的資助。清華大學腦與智能實驗室首席研究員卡洛·維托里奧·坎尼斯特拉希（Carlo Vittorio Cannistracih）教授和北京大學前沿交叉學科研究院韓敬東教授為論文的共同通訊作者。北京大學定量生物學中心博士生趙宇軒和中國科學院上海營養與健康研究所博士生張世強為論文共同第一作者。