从药物处理后的细胞状态推断变化方向

药物处理后,细胞群的组成和转录状态可能同时改变。RNA 速度(RNA velocity)分析利用尚未剪接与已经剪接的转录本信息,推断细胞的转录状态可能向哪个方向变化,为解释药物反应提供动态线索。

2025 年,西交利物浦大学(Xi'an Jiaotong-Liverpool University)、利物浦大学(University of Liverpool)等团队在 Briefings in Bioinformatics 发表综述,比较这类分析的动力学假设、输入数据和结果解释。

在肿瘤微环境的药物研究中,综述介绍了 PI3Kδ 抑制后的 T 细胞分析:相关研究借助 RNA velocity 解释调节性 T 细胞发育受扰,以及炎症性 T 细胞亚群增加。这类用途关心药物作用后细胞状态如何转变,分析结果需要与具体生物学过程相互印证。

综述流程图依次展示已剪接与未剪接 RNA 计数、模型拟合、变化方向投影、拟时序和不确定性分析。

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RNA velocity 分析的一般流程,从转录本计数到动力学推断、可视化及下游分析。(Wang et al. / Briefings in Bioinformatics, 2025, Figure 1 / f1 / bbaf339f1.jpg;CC BY 4.0)

三类模型怎样估计细胞状态变化

作者按推断方式将模型分为稳态、轨迹和状态外推三类。稳态方法以 Velocyto 为代表,依靠可识别的稳态细胞群和相应动力学假设估计变化;若数据中缺少这些状态,或不同细胞群遵循不同变化规律,估计就可能偏离实际过程。

轨迹方法进一步拟合转录本随细胞状态变化的过程,同时估计动力学参数和细胞在轨迹中的位置。scVelo 的动态模型(dynamical model)属于这一类;同一软件中的稳态和随机模型则采用其他假设,分析时需明确所用模型。

状态外推方法利用邻近细胞的表达信息,为每个细胞估计局部变化。cellDancer、DeepVelo 和 SymVelo 是文中介绍的例子。它们可处理细胞之间更细的动力学差异,但结果也更依赖邻近细胞是否选得合理,计算负担同样需要考虑。

这里的“未来状态”通常由当前数据和模型推断,未必对应随后再次测到的同一个细胞。部分模型给出的潜在时间主要表示推断的细胞变化进程;综述另外介绍了结合代谢标记的 Dynamo,其时间信息有相应实验测量作为依据。

取样缺失可能使转变方向难以判断

一次单细胞 RNA 测序(single-cell RNA sequencing,scRNA-seq)获得的是细胞状态的截面。如果某个基因只在很短的阶段表达,而取样没有覆盖这个阶段,模型可能只看到变化曲线的一小段。

综述指出,不完整的动态过程在表达关系图中可能接近一条直线。对于需要拟合完整轨迹的方法,这会增加区分表达上升与下降阶段的难度;肿瘤样本若缺少早期来源细胞,转变路径的解释也会受到影响。

不同方法对此采用不同补充信息。MultiVelo 纳入染色质可及性,帮助判断转录状态;UniTVelo 综合多个基因的动态信息估计共同的细胞进程。这些设计各有适用条件,需要结合具体数据和研究问题选择。

去噪方式会改变用于推断的信号

经典流程常对计数矩阵进行归一化和近邻平滑,以减轻稀疏数据与测量噪声的影响。但单细胞中的一部分波动也来自基因表达本身;平滑处理可能改变这种信息,进而影响速度估计和可视化。

TopicVelo、Pyro-Velocity 和 cell2fate 等方法可以直接处理原始计数,并在模型中描述离散性或随机性。另一些方法先在降维空间中去噪。综述将它们作为不同建模选择,指出仍需系统比较输入数据、噪声水平和生物学场景之间的关系。

二维箭头需要与模型输出一起解释

常见的流线图将高维表达变化投影到二维空间,方便查看整体方向。但投影会压缩细胞关系,近邻图的构建也会影响局部与整体形态,图中流畅的箭头未必完整保留原有动态信息。

作者建议比较不同降维结果中的趋势,并结合已知细胞命运、标志基因变化以及模型估计的时间、动力学参数和不确定性,将图形所示方向与实际细胞状态变化相互核对。

比较方法时核对具体数据与评价任务

文中以综述形式比较已有模型。作者提出,后续基准比较应包含不同生物学过程,尽可能采用动态变化已知的数据,并结合多种定量指标。

在当前阶段,模型假设、取样覆盖、预处理和图形解释需要一并核对。RNA velocity 在药物研究中的价值,来自它为细胞状态转变提供的可检验线索,以及这些线索与实验观察之间的对应关系。

来源与延伸阅读

  1. Paradigms, innovations, and biological applications of RNA velocity: a comprehensive review. Briefings in Bioinformatics. 2025. doi:10.1093/bib/bbaf339 ↗