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?，也在?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。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）。第一步，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。

廣州健康院的王杰研究員和徐雪麗助理研究員為本論文的共同通訊作者，蔣俊堯和李金連為論文的共同第一作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

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圖1?CACIMAR進(jìn)行跨物種單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析示意圖