RNA velocity of single cells

文獻(xiàn)閱讀篇 1

RNA豐度是單個(gè)細(xì)胞狀態(tài)的有力指標(biāo)。單細(xì)胞RNA測(cè)序可以顯示RNA豐度，這種方法定量準(zhǔn)確性高，靈敏度高，通度高。但是，這種方法只能在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)捕獲靜態(tài)快照，這對(duì)分析時(shí)間層級(jí)的現(xiàn)象（例如胚胎發(fā)生或組織再生）提出了挑戰(zhàn)。

在這里，我們提出，可以通過(guò)區(qū)分常見(jiàn)單細(xì)胞RNA測(cè)序方案中Unspliced mRNAs和Spliced mRNAs來(lái)直接估計(jì)RNA velocity（基因表達(dá)狀態(tài)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)）。

RNA velocity是一個(gè)高維向量，可以在幾小時(shí)的時(shí)間尺度上預(yù)測(cè)單個(gè)細(xì)胞的未來(lái)狀態(tài)。 我們?cè)谏窠?jīng)脊譜系中驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，展示其在多個(gè)已公開(kāi)數(shù)據(jù)集和技術(shù)平臺(tái)上的應(yīng)用，揭示發(fā)育中小鼠海馬的分支譜系樹(shù)，并檢查人類胚胎腦中的轉(zhuǎn)錄動(dòng)力學(xué)。 我們期望RNA velocity能夠極大地幫助分析發(fā)育譜系和細(xì)胞動(dòng)力學(xué)，尤其是在人類中。

Fig.1

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該圖展示了單細(xì)胞測(cè)序數(shù)據(jù)中能夠檢測(cè)到部分Unspliced reads。覆蓋到內(nèi)含子區(qū)域的reads即為Unspliced reads。紅色為占比。

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該圖提出了用于推斷RNA velocity的重要公式。在某時(shí)刻，以α速率產(chǎn)生u個(gè)Unspliced mRNA，以β速率對(duì)Unspliced mRNA進(jìn)行剪切，以γ速率對(duì)Spliced mRNA進(jìn)行降解。取β = 1，也就是所有速率的測(cè)量都以β作為基準(zhǔn)。

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該圖展示了u（Unspliced mRNA數(shù)目），s（Spliced mRNA數(shù)目）跟隨α進(jìn)行變化的示意圖，符合常理。

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該圖反應(yīng)了兩種趨勢(shì)。1. 當(dāng)u > γs時(shí)，ds/dt大于0，s越來(lái)越大，直到u = γs。2. 當(dāng)u < γs時(shí)，ds/dt小于0，s越來(lái)越小，直到u = γs。直覺(jué)上講，當(dāng)u很大時(shí)，必然需要提高剪切速率，產(chǎn)生s，最終相等。而當(dāng)u較少時(shí)，剪切產(chǎn)生的s不如降解的多，必然會(huì)導(dǎo)致s的減少，最終相等。因此，每個(gè)基因在瞬時(shí)都有u = γs的趨勢(shì)。

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該圖反映了，基因的u與下一時(shí)間點(diǎn)基因的s模式相似。

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左圖為Fgf1基因，右圖為Cbs基因。能夠看出基因表達(dá)隨時(shí)間的變化確實(shí)對(duì)
u = γs有趨向性。

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該圖的箭頭表示了基因的表達(dá)從觀察狀態(tài)到t時(shí)刻的預(yù)測(cè)狀態(tài)的趨向性。因?yàn)轭A(yù)測(cè)是對(duì)每個(gè)基因?qū)崿F(xiàn)的，因此通過(guò)PCA降維對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。從圖中可以看出，箭頭的指向性與真實(shí)t時(shí)刻后的基因表達(dá)較為類似。

Fig.2

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該圖為小鼠雪旺細(xì)胞前體分化成嗜鉻細(xì)胞的PCA降維分類圖。

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該圖為Serpine2基因（表達(dá)下調(diào)）， Chga基因的（表達(dá)上調(diào)）。從圖中可以看出，Serpine2基因在分化前的細(xì)胞中u > γs，隨后u逐漸減少，最終消失。positive residuals表明預(yù)期上調(diào), negative residuals表明預(yù)期下調(diào)。

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RNA velocity以箭頭進(jìn)行標(biāo)注，大致展示了時(shí)間層級(jí)的信息。

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在本例中通過(guò)概率計(jì)算選擇最合適的計(jì)算時(shí)間，2.1h。

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在tSNE中使用近鄰細(xì)胞進(jìn)行池化操作估計(jì)的RNA velocity。

Fig.3

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小鼠海馬細(xì)胞tSNE作圖，b中中間圖表明基因表達(dá)預(yù)期上調(diào)還是下調(diào)（positive還是negative），右圖表明Spliced mRNA數(shù)量。

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tSNE與RNA velocity的結(jié)合。右上角展示了通過(guò)馬爾科夫過(guò)程導(dǎo)致的稠密區(qū)域，代表了分化終點(diǎn)。

該圖展示了RNA velocity在沒(méi)有先驗(yàn)發(fā)育過(guò)程知識(shí)下確定系譜樹(shù)方向的能力。

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從紅色點(diǎn)細(xì)胞到達(dá)相鄰細(xì)胞的單步概率可視化。

該圖展示了細(xì)胞命運(yùn)決定的過(guò)程，細(xì)胞命運(yùn)的選擇很可能是一個(gè)不確定的過(guò)程，基因表達(dá)傾向于一個(gè)或另一個(gè)命運(yùn)，然而一旦轉(zhuǎn)錄因子反饋循環(huán)建立就變成了一個(gè)鎖定的最終命運(yùn)。

Fig.4

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人類谷氨酸能神經(jīng)元分化圖。

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偽時(shí)間表達(dá)譜。不論是上調(diào)還是下調(diào)，Unspliced mRNAs始終先于Spliced mRNAs。同時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)RNASEH2B基因的轉(zhuǎn)錄動(dòng)力學(xué)很快。而DCX、ELAVL4和STMN2等基因顯示了快速的轉(zhuǎn)錄爆發(fā)，隨后持續(xù)的轉(zhuǎn)錄水平降低，Spliced mRNAs明顯呈延遲軌跡。

結(jié)論

這一方法有望為我們理解細(xì)胞基因表達(dá)在分化過(guò)程中的動(dòng)態(tài)提供更堅(jiān)實(shí)的定量基礎(chǔ)。