近日，中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院王杰課題組與廣州國家實(shí)驗(yàn)室李亦學(xué)課題組合作，成功開發(fā)了一種在單細(xì)胞水平構(gòu)建調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的新工具ScReNI（Single-cell Regulatory Network Inference）。該工具通過整合單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組（scRNA-seq）與單細(xì)胞染色質(zhì)可及性（scATAC-seq）數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞精度的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)推斷。相關(guān)研究成果以題為“ScReNI: Single-cell Regulatory Network Inference Through Integrating scRNA-seq and scATAC-seq Data”的論文形式發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《Genomics, Proteomics & Bioinformatics》。

每個(gè)細(xì)胞都具有獨(dú)特的轉(zhuǎn)錄組和染色質(zhì)可及性特征，其內(nèi)在的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)也呈現(xiàn)出顯著的異質(zhì)性和細(xì)胞特異性。然而，目前仍缺乏能夠有效整合單細(xì)胞多組學(xué)數(shù)據(jù)，構(gòu)建單細(xì)胞精度調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的方法。scRNA-seq和scATAC-seq技術(shù)分別能夠在單細(xì)胞水平上測(cè)量基因表達(dá)和染色質(zhì)開放區(qū)域，二者的結(jié)合為解析精細(xì)的細(xì)胞特異性調(diào)控機(jī)制提供了新機(jī)會(huì)。無論是配對(duì)還是未配對(duì)的單細(xì)胞多組學(xué)數(shù)據(jù)，都為構(gòu)建單個(gè)細(xì)胞的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。盡管已有多種方法可用于推斷細(xì)胞類型特異性的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，但在單細(xì)胞尺度上系統(tǒng)構(gòu)建基因調(diào)控關(guān)系的研究仍十分有限，特別是在整合scRNA-seq與scATAC-seq數(shù)據(jù)方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新算法ScReNI，能夠在單細(xì)胞水平上整合scRNA-seq與scATAC-seq數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞特異性的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)推斷。ScReNI的核心設(shè)計(jì)思路包括以下四個(gè)關(guān)鍵步驟（圖1）：

1.?多組學(xué)數(shù)據(jù)整合：利用Seurat軟件中的加權(quán)最近鄰（weighted nearest neighbor）分析方法，整合配對(duì)或未配對(duì)的scRNA-seq和scATAC-seq數(shù)據(jù)；

2.?確定細(xì)胞鄰域集合：為每個(gè)細(xì)胞識(shí)別k個(gè)最近鄰細(xì)胞，作為后續(xù)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)推斷的基礎(chǔ)；

3.?在細(xì)胞鄰域內(nèi)建立非線性基因調(diào)控關(guān)系：采用改進(jìn)的隨機(jī)森林模型，結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子（TFs）活性、基因表達(dá)和染色質(zhì)可及性信息，推斷非線性調(diào)控關(guān)系；

4.?識(shí)別關(guān)鍵調(diào)控因子：基于細(xì)胞特異的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)計(jì)識(shí)別每個(gè)細(xì)胞中的富集調(diào)控因子，揭示其在不同生物過程中的潛在作用機(jī)制。

ScReNI利用鄰近細(xì)胞的信息模擬局部調(diào)控環(huán)境，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法挖掘基因表達(dá)與染色質(zhì)可及性之間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)，從而構(gòu)建個(gè)性化的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。評(píng)估結(jié)果顯示，ScReNI在調(diào)控關(guān)系預(yù)測(cè)和細(xì)胞聚類任務(wù)中均表現(xiàn)出優(yōu)異性能，同時(shí)還能識(shí)別出每個(gè)細(xì)胞中的關(guān)鍵調(diào)控因子，為深入理解單細(xì)胞層面的功能調(diào)控機(jī)制提供了有力支持。

中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院的助理研究員徐雪麗、碩士研究生梁嫣然以及博士研究生湯杪庥為本研究的共同第一作者；廣州國家實(shí)驗(yàn)室李亦學(xué)研究員和中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院王杰研究員為共同通訊作者。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及廣東省科技研發(fā)專項(xiàng)的支持。

論文鏈接

圖1 ?ScReNI流程圖