同名gzh：BBio
//前言
對(duì)空間轉(zhuǎn)錄組的組織駐留細(xì)胞類(lèi)型的復(fù)雜映射仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。原因之一是器官間細(xì)胞的巨大多樣性吵聪，包括無(wú)數(shù)細(xì)粒細(xì)胞類(lèi)型经备，如免疫細(xì)胞、免疫細(xì)胞茅坛、基質(zhì)細(xì)胞音半、免疫細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞等亞群。另一個(gè)原因是空間組織結(jié)構(gòu)的多樣性贡蓖，從具有不同細(xì)胞類(lèi)型的離散解剖區(qū)域的大腦曹鸠，到具有動(dòng)態(tài)修飾的微環(huán)境的細(xì)粒度細(xì)胞類(lèi)型的免疫器官。
生成耦合單細(xì)胞和空間解析轉(zhuǎn)錄組的策略為解決這些挑戰(zhàn)提供了可擴(kuò)展的方法斥铺。關(guān)鍵原理是首先根據(jù)單細(xì)胞RNA測(cè)序(scRNA-seq)從分離的組織中識(shí)別駐留細(xì)胞類(lèi)型彻桃，然后根據(jù)空間轉(zhuǎn)錄組譜將識(shí)別的細(xì)胞類(lèi)型映射到其原位組織位置。
現(xiàn)有基于網(wǎng)格的分析方法的一個(gè)關(guān)鍵限制是缺乏單細(xì)胞分辨率晾蜘，因?yàn)榭臻gRNA-seq測(cè)量結(jié)合了多個(gè)細(xì)胞×诰欤現(xiàn)階段聯(lián)合空間轉(zhuǎn)錄組和配對(duì)的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)胞類(lèi)型映射是非常有效的方法。因?yàn)榉直媛什蛔闾藿唬臻g轉(zhuǎn)錄組捕獲到的mRNA可能包含多種細(xì)胞類(lèi)型肆饶。而且，不同組織部位細(xì)胞數(shù)目不同岖常，不同細(xì)胞和細(xì)胞類(lèi)型包含的mRNA總量不同驯镊，薄切片也可能捕獲細(xì)胞的部分體積，這些因素在細(xì)胞映射時(shí)都是需要考慮的因素。
//cell2location原理
cell2location基于Bayesian模型進(jìn)行空間轉(zhuǎn)錄組復(fù)雜細(xì)胞類(lèi)型的映射板惑。以單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)為參考橄镜，提取細(xì)胞類(lèi)型的特征，將空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分解為細(xì)胞豐度圖譜冯乘。Cell2location可以處理復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)置洽胶，執(zhí)行多個(gè)scRNA-seq和空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集的聯(lián)合分析。該模型的獨(dú)特之處在于利用跨地點(diǎn)統(tǒng)計(jì)強(qiáng)度的分層設(shè)計(jì)裆馒，提高了分辨率和靈敏度姊氓，特別是在復(fù)雜組織中的細(xì)粒細(xì)胞類(lèi)型的分辨率。
//文章結(jié)果
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使用模擬數(shù)據(jù)驗(yàn)證
為了驗(yàn)證cell2location领追，我們最初考慮了生成的模擬數(shù)據(jù)他膳，這些數(shù)據(jù)反映了普遍存在的和受空間限制的細(xì)胞類(lèi)型的不同細(xì)胞豐度模式响逢。然后绒窑，我們使用cell2location來(lái)估計(jì)在單個(gè)位置上不同細(xì)胞類(lèi)型的細(xì)胞類(lèi)型比例。這些估計(jì)與模擬(真實(shí))細(xì)胞類(lèi)型比例的比較表明舔亭，cell2location映射細(xì)胞類(lèi)型具有很高的準(zhǔn)確性些膨。除了估計(jì)相對(duì)細(xì)胞類(lèi)型比例外，cell2location還可以結(jié)合關(guān)于組織的先驗(yàn)信息來(lái)估計(jì)絕對(duì)細(xì)胞類(lèi)型豐度钦铺，這再次與模擬的地面真相高度一致
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Cell2location準(zhǔn)確地映射了小鼠的腦細(xì)胞類(lèi)型订雾。
為了驗(yàn)證cell2location在真實(shí)組織中的定位，將該模型應(yīng)用于小鼠大腦的數(shù)據(jù)矛洞，其特征是不同的神經(jīng)細(xì)胞類(lèi)型在跨大腦區(qū)域的良好特征的空間結(jié)構(gòu)中組織洼哎，是測(cè)試空間基因組學(xué)的典型用例。生成了匹配的單核(sn)和Visium空間RNA-seq包含端腦和間腦多個(gè)區(qū)域的相鄰小鼠大腦部分的基因組學(xué)概況沼本。為了評(píng)估空間映射中的生物學(xué)和器官內(nèi)部技術(shù)變異噩峦，我們分析了兩個(gè)小鼠大腦和每個(gè)大腦的連續(xù)組織切片(分別來(lái)自兩個(gè)動(dòng)物的共三個(gè)和兩個(gè)匹配切片，以及額外的snRNA-seq切片)抽兆，創(chuàng)建了一個(gè)豐富的多模態(tài)和復(fù)制的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集识补。
59個(gè)不同的和注釋細(xì)胞亞型的參考細(xì)胞類(lèi)型簽名，全面覆蓋了大腦區(qū)域辫红。應(yīng)用cell2location將這些細(xì)胞類(lèi)型映射到小鼠大腦Visium數(shù)據(jù)的空間位置凭涂。由此產(chǎn)生的細(xì)胞類(lèi)型映射與先前文獻(xiàn)中預(yù)期的解剖位置明顯一致。我們的結(jié)果捕獲了不同的細(xì)胞類(lèi)型模式贴妻，解決了廣泛的區(qū)域細(xì)胞類(lèi)型切油，如丘腦的興奮性神經(jīng)元和白質(zhì)的少突膠質(zhì)細(xì)胞(圖2d)，罕見(jiàn)亞型名惩，如皮層中間神經(jīng)元(圖2e)和次區(qū)域亞型澎胡，如跨皮層層的興奮性神經(jīng)元。
接下來(lái)，為了評(píng)估cell2location的特異性和其它方法滤馍，我們繪制了一個(gè)現(xiàn)有的大型scRNA-seq數(shù)據(jù)集岛琼，其中包括來(lái)自多個(gè)大腦區(qū)域的細(xì)胞類(lèi)型11，其中只有一些出現(xiàn)在我們的空間數(shù)據(jù)中(圖2i)巢株。因此槐瑞，該數(shù)據(jù)集跨越了體感覺(jué)(SSp)皮層的“陽(yáng)性”細(xì)胞類(lèi)型(n = 98)以及只存在于海馬體中的“陰性”細(xì)胞類(lèi)型(n = 23)。當(dāng)將這些細(xì)胞類(lèi)型映射到我們的SSp皮層Visium數(shù)據(jù)時(shí)阁苞，我們預(yù)計(jì)陰性細(xì)胞類(lèi)型將被排除困檩，只有陽(yáng)性細(xì)胞類(lèi)型被指定為替代物。
事實(shí)上那槽，cell2location映射對(duì)陰性細(xì)胞類(lèi)型的估計(jì)比陽(yáng)性細(xì)胞類(lèi)型的估計(jì)要低得多悼沿。
最后，為了展示細(xì)胞定位在空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)中的多功能性骚灸，我們將小鼠大腦snRNA-seq參考映射到小鼠大腦的一個(gè)提供10 μm空間分辨率的Slide-seq數(shù)據(jù)集糟趾。Cell2location解析了Slide-seq空間數(shù)據(jù)中的細(xì)胞類(lèi)型，包括跨海馬分裂和皮質(zhì)層的精細(xì)解剖亞型甚牲。
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區(qū)域性星形膠質(zhì)細(xì)胞亞型的鑒定
接下來(lái)义郑，我們?cè)u(píng)估了cell2location在小鼠大腦中繪制細(xì)粒細(xì)胞類(lèi)型的表現(xiàn)。我們關(guān)注的是星形膠質(zhì)細(xì)胞的異質(zhì)性丈钙，它是神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中最大的一類(lèi)非驮，密切調(diào)控著神經(jīng)回路的發(fā)育和功能。盡管星形膠質(zhì)細(xì)胞在歷史上被認(rèn)為是一種單一的細(xì)胞類(lèi)型雏赦，但最近的證據(jù)表明劫笙，星形膠質(zhì)細(xì)胞在整個(gè)大腦中是區(qū)域性的多樣化的，包括諸如皮層這樣的精細(xì)解剖分裂星岗。
為了識(shí)別區(qū)域富集的星形膠質(zhì)細(xì)胞填大，我們對(duì)基于snRNA-seq識(shí)別的10個(gè)分子和空間上不同的星形膠質(zhì)細(xì)胞亞型進(jìn)行了標(biāo)注和空間映射。簡(jiǎn)而言之伍茄，我們?cè)谧畛醯姆治鲋锌紤]3013個(gè)細(xì)胞注釋為星形膠質(zhì)細(xì)胞栋盹。然后，我們應(yīng)用BBKNN進(jìn)一步優(yōu)化這些細(xì)胞在所有6個(gè)snRNA-seq數(shù)據(jù)集上的集成敷矫，然后是Leiden聚類(lèi)例获，確定了17個(gè)轉(zhuǎn)錄組定義的子聚類(lèi)。接下來(lái)曹仗，我們使用cell2location對(duì)這些假定的細(xì)胞亞型進(jìn)行了初始映射榨汤，合并了在其所映射的空間位置和標(biāo)記基因表達(dá)譜上都不夠明確的集群。
我們發(fā)現(xiàn)了在丘腦(THAL)怎茫、下丘腦(HYPO)收壕、皮層中空間富集的灰質(zhì)星形膠質(zhì)細(xì)胞亞型(CTX)妓灌，杏仁核(AMY)，海馬體(HPC)和紋狀體(STR)以及白質(zhì)星形膠質(zhì)細(xì)胞蜜宪。
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分解人體淋巴結(jié)的細(xì)胞組成
我們應(yīng)用該模型對(duì)人體淋巴結(jié)的組織微環(huán)境進(jìn)行了空間映射虫埂。與老鼠的大腦不同，人類(lèi)的淋巴結(jié)具有動(dòng)態(tài)微環(huán)境的特點(diǎn)圃验，其中有許多空間交錯(cuò)的細(xì)胞群掉伏。我們分析了一份公開(kāi)的來(lái)自10x genomics的人類(lèi)淋巴結(jié)的Visium數(shù)據(jù)集，并在空間上繪制了34種參考細(xì)胞類(lèi)型的綜合圖譜澳窑，該圖譜由來(lái)自73,260個(gè)細(xì)胞組成的人類(lèi)次級(jí)淋巴樣器官的scRNA-seq數(shù)據(jù)集集成而來(lái)(圖4a,b)斧散。
組織學(xué)檢查淋巴結(jié)Visium樣本顯示多個(gè)生發(fā)中心(GCs)。相應(yīng)的摊聋，在用cell2location進(jìn)行定位后鸡捐，可以很容易地識(shí)別淋巴結(jié)組織中預(yù)期的主要區(qū)域，包括T細(xì)胞和B細(xì)胞區(qū)和GCs伴濾泡樹(shù)突狀細(xì)胞(FDCs)麻裁。接下來(lái)箍镜，我們使用cell2location映射結(jié)果來(lái)識(shí)別細(xì)胞類(lèi)型的空間共現(xiàn)，以更好地了解組織組織和預(yù)測(cè)細(xì)胞相互作用悲立。我們對(duì)從cell2location估計(jì)的細(xì)胞類(lèi)型豐度進(jìn)行了非負(fù)矩陣分解(NMF)(圖4d)鹿寨。與將NMF應(yīng)用于傳統(tǒng)scrna -seq38,39添加劑的優(yōu)點(diǎn)類(lèi)似NMF分解生成了空間細(xì)胞類(lèi)型豐度剖面的分組，并將其劃分為捕獲共定位細(xì)胞類(lèi)型的組件薪夕。這種基于nmf的分解自然解釋了在跨組織區(qū)域共享信息的同時(shí)，多種細(xì)胞類(lèi)型和微環(huán)境可以在相同的Visium位置共存的事實(shí)赫悄。綜上所述原献，我們的研究結(jié)果表明，cell2location可以繪制以空間交錯(cuò)細(xì)胞類(lèi)型為特征的復(fù)雜組織埂淮，并通過(guò)識(shí)別假定相互作用的細(xì)胞類(lèi)型來(lái)幫助生物學(xué)解釋姑隅。
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cell2location用于繪制精細(xì)免疫細(xì)胞類(lèi)型
細(xì)胞圖譜研究極大地?cái)U(kuò)展了人類(lèi)組織細(xì)粒細(xì)胞類(lèi)型的目錄，這通常是理解組織功能和病理的關(guān)鍵興趣倔撞。為了定量測(cè)定細(xì)胞定位和繪制轉(zhuǎn)錄細(xì)粒細(xì)胞類(lèi)型的替代方法讲仰，我們考慮了兩種人類(lèi)組織中的免疫細(xì)胞群，其中許多具有特殊免疫功能的精細(xì)亞型可以被識(shí)別痪蝇。例如鄙陡，T濾泡輔助細(xì)胞不同于經(jīng)典的CD4+ T細(xì)胞進(jìn)入GCs并引導(dǎo)B細(xì)胞分化為漿細(xì)胞和記憶B細(xì)胞以確保持久免疫的能力。最初躏啰，我們檢測(cè)了人類(lèi)淋巴結(jié)中的GC特異性免疫細(xì)胞類(lèi)型(圖4)趁矾。根據(jù)其表達(dá)簽名與最近的其他細(xì)胞類(lèi)型的歐氏距離，我們將六種已知GC細(xì)胞類(lèi)型分為轉(zhuǎn)錄良好或轉(zhuǎn)錄不同的類(lèi)型给僵。我們使用Visium組織學(xué)圖像標(biāo)注了GCs的解剖位置(圖4f)毫捣，并評(píng)估了將6種GC細(xì)胞類(lèi)型映射到預(yù)期GC位置的替代方法的準(zhǔn)確性。盡管所有考慮的方法在繪制不同的細(xì)胞類(lèi)型如fdc(圖4h)時(shí)都達(dá)到了較高的精確度，但在繪制細(xì)粒度細(xì)胞類(lèi)型如GC T濾泡輔助細(xì)胞時(shí)蔓同，cell2location明顯更準(zhǔn)確(圖4f-h)饶辙。
為了將我們的基準(zhǔn)測(cè)試擴(kuò)展到具有更多細(xì)粒細(xì)胞類(lèi)型的第二個(gè)組織，我們檢查了人類(lèi)腸道中的免疫細(xì)胞群(圖5a和補(bǔ)充圖25和26)斑粱。人類(lèi)腸道是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的空間定位應(yīng)用畸悬，因?yàn)樗罅哭D(zhuǎn)錄細(xì)粒免疫和非免疫細(xì)胞類(lèi)型，免疫細(xì)胞富集在淋巴濾泡中相對(duì)較小的組織區(qū)域(例如珊佣，在我們的數(shù)據(jù)集中約1%的組織位置)蹋宦。
我們將這些參考細(xì)胞類(lèi)型映射到由兩個(gè)連續(xù)組織切片組成的成人結(jié)腸Visium數(shù)據(jù)集，在Visium數(shù)據(jù)集中咒锻，我們使用組織學(xué)和標(biāo)記基因表達(dá)注釋淋巴濾泡的位置冷冗。在cell2location定位后，結(jié)腸內(nèi)預(yù)期的主要區(qū)域可以很容易地確定惑艇，包括淋巴濾泡與循環(huán)B細(xì)胞蒿辙，上皮間室與結(jié)腸細(xì)胞和轉(zhuǎn)運(yùn)擴(kuò)增祖細(xì)胞，肌層粘膜層與肌成纖維細(xì)胞滨巴。
