大家好，今天我們來(lái)給大家介紹一款單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組細(xì)胞通訊分析的軟件，NicheNet。目前該軟件已經(jīng)在單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析中得以廣泛應(yīng)用，自 2020 年出版以來(lái)已被引用超過(guò) 300 次。與其他常見(jiàn)細(xì)胞通訊分析軟件（如CellphoneDB等）不同的是，NicheNet 在其分析單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)時(shí)，首先構(gòu)建了細(xì)胞內(nèi)配體、受體、信號(hào)蛋白、轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子和靶基因互作信號(hào)網(wǎng)絡(luò)先驗(yàn)知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，然后基于該數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)基因表達(dá)模式的強(qiáng)相關(guān)性，最終確定了細(xì)胞類(lèi)型之間的潛在通訊，并且能夠有效地預(yù)測(cè)配體活性。

下面我們將從原理簡(jiǎn)介、應(yīng)用示例、常見(jiàn)問(wèn)題等三個(gè)方面來(lái)介紹NicheNet軟件的使用，希望對(duì)大家有所幫助。

·原理簡(jiǎn)介·

NicheNet是一種模擬細(xì)胞間相互作用如何影響細(xì)胞基因表達(dá)的計(jì)算方法。真實(shí)的細(xì)胞通訊過(guò)程是配體-受體-信號(hào)蛋白-轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子-靶基因， 因此僅僅分析配受體之間的相互作用存在一定的局限性。該方法的創(chuàng)新之處在于通過(guò)結(jié)合細(xì)胞表達(dá)數(shù)據(jù)、信號(hào)、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的先驗(yàn)知識(shí)，來(lái)預(yù)測(cè)相互作用的細(xì)胞之間的配體-靶基因的連接情況。目前NicheNet可以處理人或者小鼠數(shù)據(jù)，以人類(lèi)或小鼠的基因表達(dá)數(shù)據(jù)作為輸入，并將其與通過(guò)整合配體到目標(biāo)信號(hào)路徑構(gòu)建的先驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行結(jié)合。

NicheNet分析中依賴(lài)的先驗(yàn)?zāi)Ｐ停饕菫榱吮碚鳜F(xiàn)有知識(shí)對(duì)配體可以調(diào)節(jié)目標(biāo)基因表達(dá)的支持程度，為了計(jì)算這種配體-靶標(biāo)調(diào)節(jié)潛力， NicheNet的先驗(yàn)?zāi)Ｐ椭胁粌H包括配體-受體的相互作用信息，還包括了細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)信息。因此，NicheNet除了預(yù)測(cè)哪些配體影響另一個(gè)細(xì)胞的基因表達(dá)外，還可以預(yù)測(cè)哪些靶基因受到這些配體的影響，以及哪些信號(hào)介質(zhì)可能參與其中。

圖1 | NicheNet軟件工作原理

首先，NicheNet收集涵蓋配體-受體（例如，KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)）、細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)（例如，蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用和激酶-底物相互作用）、基因調(diào)控相互作用（例如，基于ChIP數(shù)據(jù)和motif的推斷）的公共數(shù)據(jù)信息；然后，將這些獨(dú)立的數(shù)據(jù)信息整合到兩個(gè)加權(quán)網(wǎng)絡(luò)中：（1）配體信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，其中包含蛋白質(zhì) - 蛋白質(zhì)相互作用，涵蓋從配體到下游轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的信號(hào)通路；（2) 基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，其中包含轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子和靶基因之間的基因調(diào)控相互作用。

為了讓信息數(shù)據(jù)源對(duì)最終模型做出更多貢獻(xiàn)，該軟件在集成過(guò)程中對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)源進(jìn)行了加權(quán)，這些數(shù)據(jù)源權(quán)重是通過(guò)基于模型的參數(shù)優(yōu)化自動(dòng)確定的，以提高配體-目標(biāo)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

最后，NicheNet結(jié)合配體信號(hào)傳導(dǎo)和基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)來(lái)計(jì)算所有配體和靶基因?qū)χg的調(diào)控潛力評(píng)分：如果靶基因的調(diào)節(jié)因子位于配體信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的下游，則配體-靶標(biāo)對(duì)具有高調(diào)節(jié)潛力。為了計(jì)算這一評(píng)分，該方法在整合的網(wǎng)絡(luò)上使用網(wǎng)絡(luò)傳播方法來(lái)傳播來(lái)自配體的信號(hào)，從配體開(kāi)始，流經(jīng)受體、信號(hào)蛋白、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，最終在目標(biāo)基因處結(jié)束。

·應(yīng)用示例·

目前NicheNet在腫瘤微環(huán)境研究方面應(yīng)用較多， 在最近發(fā)表的一篇關(guān)于轉(zhuǎn)移性卵巢腫癌化療耐藥性研究的文章中， 作者利用NicheNet軟件來(lái)探索壓力相關(guān)的癌細(xì)胞與炎癥性癌癥相關(guān)的成纖維細(xì)胞（iCAF）之間的細(xì)胞間相互作用。首先統(tǒng)計(jì)了兩組差異基因集：CAF2( iCAF )-vs-(CAF-1&CAF-3), 壓力相關(guān)癌細(xì)胞-vs-其他癌細(xì)胞；然后選取兩組差異基因集中前200個(gè)上調(diào)基因，作為感興趣的基因集，分別對(duì)壓力相關(guān)癌細(xì)胞以及CAF-2，執(zhí)行 NicheNet 配體活性分析，獲取排名靠前潛在的配體以及對(duì)應(yīng)的配體-受體、配體-靶基因相互作用信息。

如圖2所示，細(xì)胞通訊分析結(jié)果顯示來(lái)自高應(yīng)激癌細(xì)胞的TNF及其下游效應(yīng)物IL6具有很強(qiáng)的調(diào)節(jié)潛力，可誘導(dǎo) CAF 的炎癥表型 。這表明在經(jīng)過(guò)術(shù)前化療的卵巢癌中，TNF/IL6驅(qū)動(dòng) iCAF 表型而不是IL1B（先前研究表明IL1B 在促進(jìn)胰腺癌 iCAF 表型中起主導(dǎo)作用）。作為響應(yīng)，iCAF 會(huì)產(chǎn)生大量具有豐富調(diào)節(jié)潛力的配體，以激活癌細(xì)胞內(nèi)的應(yīng)激相關(guān)信號(hào)，包括IL6和TNF，以促進(jìn)旁分泌前饋循環(huán)（如圖3所示）。

圖2 | 通過(guò)熱圖和點(diǎn)圖組合展示壓力相關(guān)癌細(xì)胞誘導(dǎo) CAF 的炎癥表型（CAF-2）的配體的活性（左）、 表達(dá)情況（中）和調(diào)節(jié)靶基因的潛力（右）

圖3 | 通過(guò)熱圖和點(diǎn)圖組合展示 CAF-2細(xì)胞中驅(qū)動(dòng)壓力相關(guān)癌細(xì)胞出現(xiàn)應(yīng)激反應(yīng)的配體的活性（左）、 表達(dá)情況（中）和調(diào)節(jié)靶基因的潛力（右）

總之，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)壓力相關(guān)的癌細(xì)胞與 TME 內(nèi) iCAF 的存在以及巨噬細(xì)胞和 CD8+ T細(xì)胞向免疫受損狀態(tài)的轉(zhuǎn)變密切相關(guān)。壓力相關(guān)的癌細(xì)胞和 iCAF 表達(dá)的促炎信號(hào)分子有可能促進(jìn)旁分泌前饋循環(huán)，從而進(jìn)一步誘導(dǎo)這些細(xì)胞狀態(tài)。尤其是當(dāng)化療與免疫療法相結(jié)合時(shí)，其中來(lái)自 iCAF 和壓力相關(guān)癌細(xì)胞的配體可能會(huì)限制化療誘導(dǎo)的抗腫瘤免疫反應(yīng)增強(qiáng)。通過(guò)對(duì)壓力相關(guān)癌細(xì)胞的研究，將細(xì)胞狀態(tài)的亞克隆富集與前饋、免疫抑制性旁分泌信號(hào)融合在一起，并為新型組合治療提供了生物標(biāo)志物和靶點(diǎn)。

·常見(jiàn)問(wèn)題·

最后，我們就NicheNet軟件使用條件及分析中常見(jiàn)的一些問(wèn)題，進(jìn)行簡(jiǎn)單的匯總介紹，希望對(duì)大家有所幫助。

1.什么情況下可以使用NicheNet進(jìn)行細(xì)胞通訊分析？

NicheNet 可以用于研究配體如何影響假定相鄰或者相互作用的細(xì)胞群中的基因表達(dá)情況，并根據(jù)其作用對(duì)最重要的配體進(jìn)行優(yōu)先排序。需要提供不同條件或者狀態(tài)下，接受信號(hào)的細(xì)胞群（receiver cell）中的差異基因列表，通常認(rèn)為這些基因的差異表達(dá)是發(fā)送信號(hào)細(xì)胞群中的配體導(dǎo)致的 。因此，可以是同一類(lèi)型細(xì)胞在不同條件下的差異表達(dá)基因，也可以是兩種細(xì)胞類(lèi)型之間的差異表達(dá)基因，例如，如果它們是祖細(xì)胞和分化細(xì)胞類(lèi)型，其中分化受微環(huán)境的影響。

2.如果沒(méi)有相應(yīng)的條件或者狀態(tài)來(lái)對(duì)細(xì)胞群進(jìn)行區(qū)分， 只有穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，是否可以采用NicheNet來(lái)進(jìn)行分析？

如果只對(duì)穩(wěn)態(tài)條件下的配體 - 受體相互作用感興趣（并且只有穩(wěn)態(tài)條件數(shù)據(jù)），可以采用CellphoneDB 等其他一些工具來(lái)實(shí)現(xiàn)， 不建議將NicheNet應(yīng)用于穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，主要是由于不存在一組明確地受細(xì)胞間通訊過(guò)程影響的基因，從而可能導(dǎo)致錯(cuò)誤地將配體與一些“細(xì)胞內(nèi)在”基因進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

3.是否可以將通過(guò) FindMarkers 函數(shù)找到的 Seurat 聚類(lèi)標(biāo)記基因作為感興趣的基因集?

一般情況下不建議使用， 如果使用接受信號(hào)的細(xì)胞群（receiver cell）簇的標(biāo)記基因作為感興趣的基因集，默認(rèn)假設(shè)簇特異性基因是由細(xì)胞與其他細(xì)胞類(lèi)型的細(xì)胞相互作用誘導(dǎo)的。然而，?在大多數(shù)情況下，許多簇特異性基因反映了細(xì)胞類(lèi)型特異性基因表達(dá)程序，它是“細(xì)胞內(nèi)在”基因表達(dá)程序的一部分，并不完全受環(huán)境因素的影響?；蛘邠Q句話說(shuō)，簇標(biāo)記的大多數(shù)基因可能并沒(méi)有真正被來(lái)自相互作用細(xì)胞的配體誘導(dǎo)/調(diào)節(jié)，因此在這個(gè)基因集上使用 NicheNet 并不理想。

在這種情況下使用 NicheNet 將增加將配體錯(cuò)誤連接到某些“細(xì)胞內(nèi)在”基因的機(jī)會(huì)。有一個(gè)例外情況，那就是如果研究的是 2 個(gè)細(xì)胞類(lèi)型相同的簇，但一個(gè)簇在組織中的位置不同，因此具有不同的細(xì)胞外影響，那么這些簇之間的 差異基因并不反映細(xì)胞類(lèi)型的差異，而是影響細(xì)胞間相互作用的差異細(xì)胞類(lèi)型。在這種情況下，可以使用 NicheNet。例如，一個(gè)祖細(xì)胞簇在細(xì)胞間相互作用的影響下分化成另一個(gè)細(xì)胞簇，這種情況下可以在該分化細(xì)胞群的特定簇基因上使用 NicheNet，以檢查細(xì)胞間相互作用對(duì)該分化過(guò)程的影響。

今天關(guān)于NicheNet的介紹就到這里了，

歡迎百度搜索歐易生物——訪問(wèn)歐易生物官網(wǎng)——了解多組學(xué)技術(shù)

原創(chuàng)聲明：本文由歐易生物(OEBIOTECH)學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)報(bào)道，本文著作權(quán)歸文章作者所有。歡迎個(gè)人轉(zhuǎn)發(fā)及分享，未經(jīng)作者的允許禁止轉(zhuǎn)載。