2022年7月24日，上海交通大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院組織胚胎學(xué)與遺傳發(fā)育學(xué)系李令杰課題組在國際學(xué)術(shù)期刊Briefings in Bioinformatics在線發(fā)表題為 “FitDevo: accurate inference of single-cell developmental potential using sample-specific gene weight” 的研究論文，研究中開發(fā)了一款用于分析單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)（scRNA-seq）的新型計(jì)算工具（FitDevo）,該工具基于樣本特異的基因權(quán)重來準(zhǔn)確地預(yù)測單細(xì)胞的發(fā)育潛能。
目前，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)被廣泛應(yīng)用于破譯細(xì)胞的分子活動。與此同時(shí)，針對單細(xì)胞數(shù)據(jù)的計(jì)算工具的開發(fā)和使用也更加變得不可或缺。在發(fā)育相關(guān)的單細(xì)胞研究中，數(shù)據(jù)分析人員首先使用計(jì)算工具（如Seurat和Scanpy）對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并降維(如PCA、UMAP和Monocle等)；然后使用先驗(yàn)信息（如“干性”相關(guān)的標(biāo)記基因）來確定細(xì)胞的發(fā)育潛能。然而，在研究新的發(fā)育譜系時(shí)，人們往往無法提前獲知標(biāo)記基因，這就需要研究人員發(fā)現(xiàn)并利用其他數(shù)據(jù)特征來預(yù)測細(xì)胞發(fā)育潛能，例如：RNA velocity (如Velocyto和Dynamo)、主成分極性(VECTOR)、網(wǎng)絡(luò)特性(如SCENT和CCAT)、轉(zhuǎn)錄組多樣性(CytoTRACE)等。這些信息豐富了人們對發(fā)育潛能相關(guān)特性的理解，同時(shí)也啟發(fā)研究者發(fā)掘更多數(shù)據(jù)特征，從而能夠更加準(zhǔn)確地預(yù)測細(xì)胞的發(fā)育潛能，并深入研究其更廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
基于以上目的，該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種用于準(zhǔn)確預(yù)測細(xì)胞發(fā)育潛能的新型計(jì)算工具FitDevo。針對用戶輸入的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，F(xiàn)itDevo首先生成樣本特異的基因權(quán)重（SSGW），然后利用SSGW和基因表達(dá)譜的相關(guān)性來預(yù)測細(xì)胞的發(fā)育潛能。具體而言，該研究首先利用17個(gè)典型的、具有明確時(shí)間序列信息的單細(xì)胞發(fā)育數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集并學(xué)習(xí)出了基因權(quán)重（GW）；然后，基于廣義線性模型，結(jié)合GW和輸入樣本的主成分空間（PCs），計(jì)算出SSGW。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)該方法的準(zhǔn)確性，研究團(tuán)隊(duì)又利用28個(gè)其他不同研究的單細(xì)胞發(fā)育數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)育潛能的分析。結(jié)果表明，F(xiàn)itDevo的效果優(yōu)于目前已發(fā)表的其他工具（CytoTRACE、CCAT、SCENT等）。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)FitDevo在更廣泛的應(yīng)用場景中也具較高的實(shí)用價(jià)值，包括：1、單細(xì)胞解卷積（Deconvolution）數(shù)據(jù)分析；2、空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析；3、癌癥細(xì)胞發(fā)育潛能研究等。該研究不但開發(fā)出更加準(zhǔn)確并且適用廣泛的單細(xì)胞分析新工具，并進(jìn)一步加深了人們對于細(xì)胞發(fā)育潛能的認(rèn)識。FitDevo的使用信息請見：https://github.com/jumphone/fitdevo。
上海交通大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院組織胚胎學(xué)與遺傳發(fā)育學(xué)系李令杰研究員為該論文的通訊作者，張豐助理研究員為該研究論文的第一作者和共同通訊作者。此外，參與該項(xiàng)工作的人員還包括李令杰課題組的楊晨等多名研究生以及合作方上海交通大學(xué)附屬第九人民醫(yī)院沈鍵鋒課題組。本研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃干細(xì)胞專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金委、上海市科委、上海交通大學(xué)新進(jìn)青年教師啟動計(jì)劃，以及上海市生殖醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、細(xì)胞分化與凋亡教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市細(xì)胞穩(wěn)態(tài)調(diào)控與疾病前沿科學(xué)研究基地和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院公共技術(shù)平臺的支持。中科院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)研究院王勇研究員、上海市免疫學(xué)研究所陳磊研究員也為本研究提供了指導(dǎo)和幫助。
圖1：FitDevo單細(xì)胞分析工具的計(jì)算框架以及利用該工具進(jìn)行發(fā)育潛能分析的應(yīng)用場景。
課題組簡介：課題組長李令杰研究員，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院組織胚胎學(xué)與遺傳發(fā)育學(xué)系/上海市生殖醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題組長，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)椤案杉?xì)胞分化發(fā)育與疾病的表觀遺傳調(diào)控”，目前的研究專注于皮膚分化發(fā)育的表觀基因組調(diào)控以及再生醫(yī)學(xué)研究。李令杰研究員在干細(xì)胞再生醫(yī)學(xué)以及表觀基因組學(xué)領(lǐng)域積累了豐富的研究經(jīng)驗(yàn)并取得多項(xiàng)重要成果，在Cell Stem Cell, Cell Reports, PNAS等雜志發(fā)表十多篇論文。研究成果獲得過教育部自然科學(xué)二等獎、上海市自然科學(xué)三等獎、第64屆國際皮膚生物學(xué)年會青年科學(xué)家獎（64th Annual Montagna Symposium on the Biology of Skin, Travel Award for Young Investigators）等多項(xiàng)榮譽(yù)。實(shí)驗(yàn)室研究工作目前獲得國家科技部、自然基金委、上海市科委以及高層次人才計(jì)劃等基金資助。本課題組致力于干細(xì)胞分化發(fā)育與疾病的表觀遺傳調(diào)控研究。現(xiàn)因科研工作需要面向海內(nèi)外招聘博士后及實(shí)驗(yàn)技術(shù)員，從事基因組學(xué)以及干細(xì)胞生物醫(yī)學(xué)研究，熱忱歡迎青年才俊聯(lián)系加入課題組。（實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)頁：http://dripwizz.com/cbms/info/1063/4066.htm;電子郵箱：[email protected]）。
原文鏈接：https://doi.org/10.1093/bib/bbac293
