2023年2月，復(fù)旦大學(xué)鄒欣/郝潔團(tuán)隊(duì)在Briefings in Bioinformatics (IF=14) 以長文形式發(fā)表了題為：“scSTAR reveals hidden heterogeneity with a real-virtual cell pair structure across conditions in single-cell RNA sequencing data”的論文。團(tuán)隊(duì)首次提出了單個(gè)細(xì)胞動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)錄組的概念缎讼，并通過多個(gè)生物學(xué)和臨床場景系統(tǒng)性顯示了動(dòng)態(tài)特征的價(jià)值服爷。研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使用scSTAR對(duì)一種新的腫瘤疫苗療法ATHENA可能機(jī)制進(jìn)行研究（Liu搔弄，et al. Frontiers in oncology, 2022）日熬。
研究背景
細(xì)胞在不同生物過程中經(jīng)歷狀態(tài)轉(zhuǎn)換携冤，深入研究不同條件下單個(gè)細(xì)胞的mRNA表達(dá)狀態(tài)的變化對(duì)于理解：腫瘤組織和正常組織卵皂、治療前后秩铆、原發(fā)腫瘤和復(fù)發(fā)等之間的生物學(xué)關(guān)系至關(guān)重要。細(xì)胞狀態(tài)的變化常常以高度異質(zhì)的方式進(jìn)行灯变。單細(xì)胞和空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)能夠捕獲這些過程產(chǎn)生的異質(zhì)性殴玛，但它失去了譜系間關(guān)系。由于目前的單細(xì)胞和空間轉(zhuǎn)錄組測序?qū)嶒?yàn)流程中添祸，細(xì)胞被破壞滚粟，因此每個(gè)細(xì)胞只能測量一次，無法跟蹤每個(gè)細(xì)胞在不同樣本或不同條件之間狀態(tài)的轉(zhuǎn)變刃泌。同時(shí)凡壤，與許多組學(xué)數(shù)據(jù)類似，這些測序數(shù)據(jù)通常包含許多與實(shí)驗(yàn)研究無關(guān)的干擾耙替，例如批次效應(yīng)亚侠、隨機(jī)噪聲和生物噪聲等。現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析策略主要基于分析一群細(xì)胞（細(xì)胞亞群）的平均狀態(tài)值俗扇，因此提取的狀態(tài)變化僅限于亞群間的差異而非單個(gè)細(xì)胞的變化硝烂。這種分析方法假設(shè)了亞群內(nèi)的細(xì)胞是同質(zhì)的。而細(xì)胞亞群之間的平均狀態(tài)差異可能導(dǎo)致單個(gè)細(xì)胞之間的生物學(xué)差異被忽略铜幽，尤其是當(dāng)這種差異小于亞群間的變化钢坦。因此掩蓋可能存在的亞群內(nèi)的細(xì)胞的異質(zhì)性究孕，而這些異質(zhì)性可能導(dǎo)致新的生物學(xué)過程或機(jī)制的發(fā)現(xiàn)。
研究思路
scSTAR通過用計(jì)算的方法構(gòu)建同一個(gè)細(xì)胞在不同條件下的真實(shí)-虛擬細(xì)胞對(duì)爹凹，真實(shí)-虛擬細(xì)胞對(duì)之間的差別反應(yīng)的是這個(gè)細(xì)胞在環(huán)境變化時(shí)的狀態(tài)改變厨诸，而與這個(gè)細(xì)胞的靜態(tài)狀態(tài)無關(guān)。這是scSTAR與已有方法的本質(zhì)區(qū)別禾酱。使用這種方法微酬，scSTAR可以挖掘出淹沒于噪聲之下的細(xì)節(jié)信息。ScSTAR處理后的單細(xì)胞RNA-seq數(shù)據(jù)只包含動(dòng)態(tài)特征颤陶，但是可以保持原原始數(shù)據(jù)的維度不變颗管，因此絕大部分已有的單細(xì)胞數(shù)據(jù)分析方法都可以用于分析單細(xì)胞動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，如圖1所示滓走。
研究結(jié)果
1垦江、模擬數(shù)據(jù)顯示scSTAR可以挖掘出已有方法無法發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞異質(zhì)性
我們首先比較了5種已有方法Combat, MAGIC, SAVER, MNN ?and scMerge，并通過3種聚類方法kmeans搅方，SC3和Seurat來評(píng)估它們的結(jié)果比吭。模擬數(shù)據(jù)模擬了2種條件下的細(xì)胞狀態(tài)異質(zhì)性，并伴有不同程度的噪聲干擾姨涡。
2匈仗、scSTAR在生物學(xué)和臨床研究中的應(yīng)用
通過重新分析一組小鼠免疫老化數(shù)據(jù)瓢剿，我們發(fā)現(xiàn)了原文使用傳統(tǒng)靜態(tài)方法無法發(fā)現(xiàn)的與老化相關(guān)的細(xì)胞構(gòu)成特征（圖3）。
單基因分析是scSTAR的一個(gè)特殊的應(yīng)用場景（圖4）。使用scSTAR比較表達(dá)/不表達(dá)特定基因的細(xì)胞類群只搁，我們可以系統(tǒng)地描繪與該基因功能有關(guān)聯(lián)的基因網(wǎng)絡(luò)功能變化音比，進(jìn)而推斷出該基因在特定生物學(xué)或臨床場景下的作用。
scSTAR有助于新的細(xì)胞亞型的發(fā)現(xiàn)氢惋。我們使用scSTAR洞翩，通過對(duì)比肝癌和肺癌的癌和癌旁組織單細(xì)胞數(shù)據(jù)稽犁，我們判定出了一群與腫瘤病人較短生存期顯著相關(guān)的Treg細(xì)胞亞群，其特異性高表達(dá)HSPA5骚亿。這群細(xì)胞的特征在21個(gè)腫瘤的TCGA數(shù)據(jù)集中驗(yàn)證也顯示了很高的促腫瘤特征已亥。我們使用免疫熒光技術(shù)也驗(yàn)證了HSPA5+ Treg細(xì)胞與其他Treg細(xì)胞在腫瘤微環(huán)境中共存的現(xiàn)象（圖5）。
基于動(dòng)態(tài)特征構(gòu)建的腫瘤免疫治療預(yù)測模型比以往基于靜態(tài)特征的模型具有更高的可靠性来屠÷亲担基于scSTAR提取的動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行細(xì)胞分群，然后使用不同細(xì)胞類群的構(gòu)成比例作為黑色素瘤免疫治療響應(yīng)的預(yù)測因子俱笛，可以顯著提高精確度（圖6）捆姜。
論文的通訊作者為復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院郝潔研究員，復(fù)旦大學(xué)附屬金山醫(yī)院鄒欣副研究員迎膜，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院的陳萬濤教授泥技。該研究得到了國家自然科學(xué)基金（82170045，31800253）磕仅，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院高水平地方高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì) (SSMU-ZLCX20180502)的支持珊豹。
