作者搞糕，追風(fēng)少年i
組織是一個(gè)有序的統(tǒng)一體，細(xì)胞與細(xì)胞之間不是割裂的存在曼追，而是存在頻繁的相互作用窍仰，這種相互作用，是通過配體細(xì)胞表達(dá)配體礼殊，配體作用于受體和受體細(xì)胞驹吮，從而引起受體細(xì)胞的生物學(xué)變化。正是因?yàn)檫@種頻繁的相互作用晶伦，體現(xiàn)了細(xì)胞之間的有序統(tǒng)一碟狞，以及在受到疾病等外界刺激條件下對這種有序狀態(tài)的影響和細(xì)胞之間交流的變化以應(yīng)對這些刺激。為了分析細(xì)胞之間的相互作用婚陪，開發(fā)了很多方法族沃，其中CellphoneDB[1]、CellChat[2]泌参、NicheNet[3]最為經(jīng)典脆淹，極大地促進(jìn)了細(xì)胞交流的研究。
細(xì)胞通訊導(dǎo)論
多細(xì)胞生物是由不同類型的細(xì)胞組成的“社會”沽一，而且是一個(gè)開放的“社會”盖溺，這個(gè)“社會”中的每個(gè)細(xì)胞必須協(xié)調(diào)他們的行為，為此铣缠，細(xì)胞建立通訊聯(lián)絡(luò)是必須的咐柜。如生物體的生長發(fā)育、分化攘残、各種組織器官的形成拙友、組織的維持以及各種生理活動(dòng)的協(xié)調(diào)，都需要高度精確和高效的細(xì)胞間的通訊機(jī)制歼郭。
細(xì)胞之間的相互通訊是一個(gè)極其復(fù)雜的過程遗契，通常指一個(gè)細(xì)胞發(fā)出的信息通過介質(zhì)傳遞到另一個(gè)細(xì)胞產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)。細(xì)胞通訊中有兩個(gè)基本概念：細(xì)胞信號傳導(dǎo)和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)病曾，前者強(qiáng)調(diào)的產(chǎn)生與細(xì)胞間的傳送牍蜂，而信號轉(zhuǎn)導(dǎo)是接受與接收后信號轉(zhuǎn)換的方式途徑和結(jié)果。細(xì)胞有三種通訊方式：第一種通過化學(xué)信號分子泰涂，這是動(dòng)物和植物最普遍采用的通訊方式鲫竞；第二種通過相鄰細(xì)胞表面分子的粘著；第三種通過細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)的粘著逼蒙。
細(xì)胞通訊基本過程：①信號分子的合成：一般的細(xì)胞都合成信號分子从绘，而內(nèi)分泌細(xì)胞是信號分子的主要來源。②信號分子從信號生成細(xì)胞釋放到周圍環(huán)境中：這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，特別是蛋白質(zhì)類的信號分子僵井，要經(jīng)過內(nèi)膜系統(tǒng)的合成陕截、加工、分選和分泌批什，最后釋放到細(xì)胞外农曲。③信號分子向靶細(xì)胞運(yùn)輸：運(yùn)輸?shù)姆绞接泻芏喾N，激素類主要是通過血液循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)送到靶細(xì)胞驻债，而致密組織的信號分析則是釋放到周圍環(huán)境中影響周圍的細(xì)胞乳规。④靶細(xì)胞對信號分子的識別和檢測：主要通過位于細(xì)胞膜或細(xì)胞內(nèi)受體蛋白的選擇性的識別和結(jié)合。⑤細(xì)胞對細(xì)胞外信號進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)合呐，產(chǎn)生細(xì)胞內(nèi)信號暮的。⑥細(xì)胞內(nèi)信號作用于效應(yīng)分子，進(jìn)行逐步放大的級聯(lián)反應(yīng)合砂，引起細(xì)胞代謝青扔、生長源织、基因表達(dá)等方面的一系列變化翩伪。
細(xì)胞完成信號應(yīng)答之后，要進(jìn)行信號解除谈息，終止細(xì)胞應(yīng)答缘屹，主要是通過對信號分子的修飾、水解或結(jié)合等方式降低信號分子的水平和濃度以終止反應(yīng)侠仇。示意圖如下：
而細(xì)胞之間的通訊轻姿，也成為了單細(xì)胞數(shù)據(jù)分析非常重要的一環(huán)。
單細(xì)胞通訊分析最常用的方法----CellphoneDB[1]
2020年Efremova M[1]等人發(fā)表的細(xì)胞通訊分析方法CellPhoneDB[1]逻炊，是單細(xì)胞分析細(xì)胞通訊最常見的手段互亮，引用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他方法，目前已經(jīng)更新到了3.0版本余素，可以分析空間轉(zhuǎn)錄組的生態(tài)位通訊豹休，關(guān)于空間轉(zhuǎn)錄組的通訊分析放在空間轉(zhuǎn)錄組部分分享。
數(shù)據(jù)庫
CellPhoneDB[1]配有詳細(xì)的受配體數(shù)據(jù)庫桨吊，其整合了此前的公共數(shù)據(jù)庫威根，還會進(jìn)行手動(dòng)矯正，以得到更加準(zhǔn)確的受配體注釋视乐。此外洛搀，針對受配體有多個(gè)亞基的情況，也進(jìn)行了注釋佑淀。下面這張圖顯示了CellPhoneDB[1]配有的數(shù)據(jù)庫包含多少種分泌蛋白和膜蛋白留美、蛋白質(zhì)復(fù)合物、受配體關(guān)系，以及它們來源于什么數(shù)據(jù)庫独榴。數(shù)據(jù)庫唯一的缺點(diǎn)就是物種是人僧叉，小鼠或其他物種進(jìn)行分析需要做基因轉(zhuǎn)換。
CellPhoneDB[1]推斷細(xì)胞通訊的原理
CellPhoneDB[1]分析細(xì)胞通訊需要兩個(gè)前提條件----表達(dá)矩陣和細(xì)胞注釋棺榔，對于ligand-receptor這個(gè)互作關(guān)系瓶堕，計(jì)算clusterA里面ligand的表達(dá)均值，計(jì)算另一個(gè)clusterB中receptor的表達(dá)均值症歇，二者的均值為MEAN郎笆；在隨機(jī)更換細(xì)胞的label之后，依據(jù)新的標(biāo)簽忘晤，計(jì)算“clusterA”里面ligand的表達(dá)均值宛蚓，"clusterB"中receptor的表達(dá)均值，再求一個(gè)平均值mean设塔，這樣的過程重復(fù)多次凄吏，就可以得到一個(gè)mean的分布，即null distribution闰蛔，但是這里需要注意一個(gè)問題痕钢，上述講到的通訊方向是clusterA→clusterB，當(dāng)研究clusterB→clusterA的時(shí)候序六，即clusterB表達(dá)ligand任连，cluster表達(dá)receptor。MEAN在這個(gè)分布中所在的位置以及更極端的位置例诀，構(gòu)成的占比随抠，就是p值（p值的定義）。所以CellPhoneDB推測兩種細(xì)胞類型之間顯著富集的受配體關(guān)系繁涂，本質(zhì)上還是基于一個(gè)細(xì)胞類型里面的受體表達(dá)量拱她，以及另一種細(xì)胞類型里面的配體表達(dá)量。此外扔罪，如果某種關(guān)系無處不在（在所有細(xì)胞類型之間都很明顯）秉沼，則無法識別是否顯著。其中配受體在細(xì)胞類型中平均值的相乘步势，為細(xì)胞之間的通訊強(qiáng)度氧猬。
CellPhoneDB[1]分析的注意事項(xiàng)
（1）當(dāng)分析的細(xì)胞數(shù)過多的情況下，會進(jìn)行下采樣分析坏瘩，只分析1/3的細(xì)胞盅抚。
（2）當(dāng)存在復(fù)合物的情況下，多亞基考慮表達(dá)低的那一個(gè)亞基
（3）配受體表達(dá)占比到達(dá)一定的閾值才會納入分析倔矾，默認(rèn)是10%妄均。
CellPhoneDB[1]分析的可視化展示
CellPhoneDB內(nèi)置了可視化展示的方法柱锹，文獻(xiàn)中的示例如下：
但是這個(gè)展示方法有兩個(gè)問題，1）右邊的熱圖表示細(xì)胞類型兩兩之間的相互作用的數(shù)量丰包，但沿著對角線左右是對稱的禁熏，也就是說A-B與B-A的互作數(shù)目是一樣的，這顯然是不合理的邑彪；2）左邊是具體受配體對瞧毙，細(xì)胞對的互作氣泡圖，點(diǎn)的大小表示顯著水平寄症，顏色則是The means of the average expression level of interacting molecule 1 in cluster 1 and interacting molecule 2 in cluster 2宙彪，而沒有說哪一個(gè)是受體哪一個(gè)是配體。
原因都和CellPhoneDB[1]內(nèi)置的ligand-receptor互作關(guān)系對有關(guān)有巧。CellPhoneDB[1]默認(rèn)的展示方法不區(qū)分受體還是配體释漆，對于配受體對gene1-gene2，可以是gene1配體gene2受體篮迎，也可以是gene1受體gene2配體男图，忽略了方向性。具體分析的時(shí)候甜橱，要注意方向性的問題逊笆。
單細(xì)胞通訊可視化最“美”的方法----CellChat[1]
異常值影響與CellChat[2]方法改進(jìn)
在分析細(xì)胞通訊的過程中，分析細(xì)胞溝通交流強(qiáng)度容易受到異常值的干擾渗鬼。由于單細(xì)胞數(shù)據(jù)的稀疏性览露，簡單粗暴地采用平均值相乘的方法有欠合理荧琼，0值占比較大和異常高的表達(dá)值譬胎，都會顯著影響分析的配受體通訊強(qiáng)度，為了解決這個(gè)問題命锄，CellChat采用了4分位值的策略堰乔，計(jì)算方法如下：
