空间转录组学中建模零膨胀并非必要

Modeling zero inflation is not necessary for spatial transcriptomics

作者信息Peiyao Zhao, Jiaqiang Zhu, Ying Ma, Xiang Zhou
PMID35585605
发布时间2022-05-18
DOI10.1186/s13059-022-02684-0

实验完整度

中

基于20个公开数据集的全基因组统计建模与假设检验,包含交叉基因、基因特异性、位置聚类和条件分析,但主要为计算分析,缺乏湿实验验证。

主要模型

20个空间转录组数据集(来自11种技术) 多种组织样本(如小鼠嗅球、人乳腺癌等)

重点核对

数据集的组织来源和技术类型(如10x Visium、Slide-seq等) 基因表达计数矩阵的稀疏性、零值比例、均值和方差 拟合Poisson、NB、ZIP、ZINB模型时是否纳入总计数作为偏移项 似然比检验的显著性阈值(Bonferroni校正后p<0.05) 位置聚类分析方法(Seurat流程,分辨率参数0.5)

摘要

背景 空间转录组学是一组新技术,可在具有空间定位信息的组织上分析基因表达。随着技术进步,最新的空间转录组学数据通常呈现为含有过多零值的稀疏计数形式。 结果 我们对从11种不同技术收集的20个空间转录组学数据集进行了全面分析,以表征表达计数数据的分布特性并理解零值的统计本质。跨数据集分析显示,相当比例的基因表现出Poisson模型无法解释的过度离散和/或零膨胀,且表现出过度离散的基因与表现出零膨胀的基因高度重叠。此外,我们发现对于大多数空间转录组学技术中的大部分基因,Poisson或负二项模型足以建模。我们进一步表明,空间转录组学中过度离散和零膨胀的主要来源包括组织位置间的基因表达异质性和细胞类型的空间分布。特别是,当我们聚焦于相对同质的一组组织位置或控制细胞类型组成时,检测到的过度离散和/或零膨胀基因的数量大幅减少,简单的Poisson模型通常足以拟合那里的基因表达数据。 结论 我们的研究提供了首个综合证据,表明空间转录组学中的过多零值并非由零膨胀所致,支持在建模空间转录组学时使用不含零膨胀成分的计数模型。 补充信息 在线版本包含补充材料,可访问 10.1186/s13059-022-02684-0。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
空间转录组学数据中的过多零值是否需要通过零膨胀成分来建模,以及过度离散和零膨胀的统计本质和来源是什么?
核心机制
空间转录组学中的零膨胀主要是由于基因表达异质性(部分由细胞类型空间分布引起)导致的过度离散现象,而非独立的零膨胀过程。
主要证据
对20个数据集进行四种计数模型拟合和似然比检验,发现大多数基因偏好Poisson或NB模型,且零膨胀基因与过度离散基因高度重叠;在控制位置聚类或细胞类型组成后,零膨胀和过度离散基因比例显著降低。
研究意义
该研究支持在空间转录组学建模中使用不含零膨胀成分的计数模型,并提示零值可能反映生物学变异而非技术伪影,对空间转录组学数据的处理和分析策略有指导意义。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

数据集收集与预处理

获取并整理来自不同空间转录组学技术的表达计数矩阵,为后续分析提供数据基础。

收集20个来自11种技术的公开空间转录组数据集,包括MERFISH、seqFISH、seqFISH+、STARmap、LCM-seq、Slide-seq、Slide-seqV2、HDST、10x Visium等,并剔除在所有位置无表达的基因。

2

交叉基因分析

在全基因组水平上评估零比例与均值、方差与均值的关系,并比较Poisson和NB模型的拟合效果。

计算每个基因的均值、方差和零比例,用交叉基因Poisson和NB模型拟合关系,并计算均方误差(MSE)评估拟合效果。

3

基因特异性模型拟合与选择

评估单个基因的表达计数是否符合Poisson、NB、ZIP或ZINB模型,并识别偏好模型。

对每个基因分别拟合四种计数模型,使用AIC进行模型选择,并利用似然比检验(LRT)检测零膨胀和过度离散的显著性。

4

位置聚类分析

控制组织位置间的表达异质性,评估聚类后基因的模型偏好和过度离散/零膨胀情况。

对每个数据集将位置聚类(使用原始聚类标签或Seurat聚类),然后在每个聚类内重复基因特异性分析,比较模型偏好和LRT显著基因比例。

5

细胞类型组成条件分析

控制细胞类型组成对过度离散和零膨胀的影响,验证细胞类型空间分布作为主要来源的假设。

对于有单细胞参考数据的9个数据集,使用CARD进行参考为基础的细胞类型反卷积,然后在计数模型中将反卷积得到的细胞类型组成作为协变量,重复模型拟合和LRT分析。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
R包MASS----
R包pscl----
R包lmtest----
R包Matrix----
R包gee----
Seurat包----
CARD----
ggplot2包----

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
数据集收集与预处理
数据集名称、来源、技术类型、基因数和位置数;基因过滤条件(去除所有位置无表达的基因)
阅读提示:Methods部分“Spatial transcriptomics datasets”
交叉基因分析
基因均值、方差、零比例计算;交叉基因Poisson和NB模型的拟合方法(nls函数、Gauss-Newton算法)
阅读提示:Methods部分“Cross-gene and gene-specific analysis”
基因特异性模型拟合与选择
四种计数模型的实现(MASS、pscl包);偏移项(总计数);AIC计算;LRT的显著性阈值(Bonferroni校正后p<0.05)
阅读提示:Methods部分“Cross-gene and gene-specific analysis”
位置聚类分析
聚类方法(原始标签或Seurat流程参数:NormalizeData、FindVariableFeatures、PCA、Louvain分辨率0.5);聚类簇数和成员
阅读提示:Methods部分“Location clusters and cluster-specific analysis”
细胞类型组成条件分析
单细胞参考数据来源;CARD反卷积的参数;细胞类型组成作为协变量的具体设置
阅读提示:Methods部分“Location clusters and cluster-specific analysis”