單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序在單細(xì)胞層面對轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行測序與分析，現(xiàn)正被廣泛應(yīng)用于分析細(xì)胞的異質(zhì)性與多樣性。但是，過多的假零表達(dá)一直是困擾單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析的問題之一，該問題被稱為dropouts，它會扭曲基因的表達(dá)分布，并造成細(xì)胞類型分類的錯誤。而且，由于近年來單細(xì)胞測序技術(shù)與產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，單次單細(xì)胞測序?qū)嶒灥耐恳褟臄?shù)千個細(xì)胞大幅提升到百萬級的細(xì)胞數(shù)量，而對于單個細(xì)胞的測序深度則較淺，這使得dropouts問題更為嚴(yán)重。

2020年7月10日，中山大學(xué)中山眼科中心謝志課題組開發(fā)了一個名為DISC的，基于半監(jiān)督學(xué)習(xí)方式的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，用于解決dropouts問題。通過DISC可以推斷出被扭曲了表達(dá)與結(jié)構(gòu)基因的真實情況?；?/span>10個真實的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)集，將DISC與其他7種高水準(zhǔn)推斷方法進(jìn)行比較，DISC始終優(yōu)于其他方法。謝志教授是烈冰科技生信云平臺的重要合作伙伴，雙方建立了深入的合作學(xué)習(xí)關(guān)系。該研究以“DISC: a highly scalable and accurate inference of gene expression and structure for single-cell transcriptomes using semi-supervised deep learning”為題，發(fā)表在國際知名期刊Genome Biology上。

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研究思路

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研究結(jié)果展示

1.DISC簡介

DISC是基于半監(jiān)督學(xué)習(xí)方式的深度學(xué)習(xí)算法，用于解決單細(xì)胞測序數(shù)據(jù)中的假零表達(dá)的dropouts問題。DISC包含一個自動編碼器、一個遞歸預(yù)測器、一個計算推算表達(dá)式特征的推算器和一個計算重構(gòu)表達(dá)式特征的重構(gòu)器，推算器用于學(xué)習(xí)正?；虻谋磉_(dá)，重構(gòu)器同時學(xué)習(xí)正常基因的表達(dá)和推算器分配的零表達(dá)基因的偽表達(dá)，預(yù)測器同時學(xué)習(xí)正?；虻谋磉_(dá)和同一步驟的解碼器分配的零表達(dá)基因的偽表達(dá)，最后推斷出假零基因的真實表達(dá)。DISC還能通過自動編碼器將原始數(shù)據(jù)在保留原始特征的同時進(jìn)行降維，使其可以把大型數(shù)據(jù)集壓縮到一個較低的維度，使得其在處理時依舊能保持較高的性能。

2.DISC對超大型數(shù)據(jù)集有較好的擴(kuò)展性

作者將DISC與其他7個已有的高水準(zhǔn)推斷真實表達(dá)算法進(jìn)行比較運行時間與內(nèi)存占用進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)DISC在處理大型及超大型數(shù)據(jù)集，相對于其他算法，運行時間更短，內(nèi)存占用更少。

3.DISC改善了基因表達(dá)結(jié)構(gòu)

接下來為了系統(tǒng)評估DISC恢復(fù)丟失的基因表達(dá)結(jié)構(gòu)的性能，作者使用了三種檢驗方法進(jìn)行評估，并與FISH的結(jié)果進(jìn)行比較?；虮磉_(dá)分布使用Gini系數(shù)的RMSE進(jìn)行評估，基因之間的分布相關(guān)性用FF score評估，基因共表達(dá)的相關(guān)性用CMD評估。結(jié)果顯示，在MELANOMA與SSCORTEX兩個獨立數(shù)據(jù)集的驗證中，相比于其他算法，DISC都有很好的恢復(fù)丟失基因表達(dá)結(jié)構(gòu)的性能。

4.DISC精確修復(fù)dropout問題

下一步是驗證DISC恢復(fù)基因真實表達(dá)性能，但由于單細(xì)胞測序數(shù)據(jù)無法提供dropouts的真實數(shù)據(jù)，所以使用了來自三個不同單細(xì)胞測序平臺生成的數(shù)據(jù)合并后的數(shù)據(jù)作為參考。作者使用MAE評估恢復(fù)基因真實表達(dá)的準(zhǔn)確性，DISC在所有的數(shù)據(jù)集中都有極好的表現(xiàn)，顯著地恢復(fù)了基因表達(dá)。對于基因相關(guān)性和細(xì)胞相關(guān)性，DISC與其他七種方法相比，在所有數(shù)據(jù)集上的其相關(guān)系數(shù)都是最高的。而在使用CMD評估基因共表達(dá)時，DISC、scImpute和VIPER與參考最為匹配，而其他方法都產(chǎn)生了大量的假共表達(dá)關(guān)系。這些數(shù)據(jù)表明，DISC準(zhǔn)確恢復(fù)了dropout產(chǎn)生的基因表達(dá)丟失，改善了被扭曲的基因結(jié)構(gòu)。

5.DISC改善了細(xì)胞類型識別

在修復(fù)dropout問題的基礎(chǔ)上，DISC能否提高細(xì)胞類型識別的準(zhǔn)確度你？作者使用了10X Genomics，Drop-seq和SPLiT-seq三個不同單細(xì)胞測序平臺產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集，以正確分配的細(xì)胞百分比（△ACC）來反映細(xì)胞類型分類的準(zhǔn)確性。在三個不同的數(shù)據(jù)集中，DISC的性能都是最好的，且許多罕見細(xì)胞類型也能很好的恢復(fù)。表明DISC能有效提高細(xì)胞類型識別的準(zhǔn)確性，而且在不同平臺不同的數(shù)據(jù)集中都有穩(wěn)定的表現(xiàn)。

6.DISC改善了下游分析結(jié)果

獲得了更好的基因結(jié)構(gòu)是應(yīng)該能轉(zhuǎn)化為更好的下游分析結(jié)果。為了驗證下游分析結(jié)果的提升，作者使用了三個指標(biāo)進(jìn)行評估。一是使用推算的scRNA-Seq與Bulk RNA-Seq數(shù)據(jù)之間的Spearman相關(guān)性評估兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)性，二是scRNA-seq數(shù)據(jù)和Bulk RNA-seq數(shù)據(jù)識別的差異基因之間的相似性，三是推斷的擬時序結(jié)果與已知細(xì)胞分化順序之間的相似性。在三個指標(biāo)評估中，DISC都有較好的表現(xiàn)，表明DISC能夠改善下游分析結(jié)果，提供更多的生物學(xué)意義信息。

7.DISC能可靠地識別小鼠大腦130萬細(xì)胞數(shù)據(jù)集中的細(xì)胞群

最后，作者使用了真實的小鼠大腦超大型數(shù)據(jù)集BRAIN_1.3M來驗證DISC的性能，該數(shù)據(jù)集由多個大腦區(qū)域的細(xì)胞數(shù)據(jù)生成，數(shù)據(jù)量大且復(fù)雜。分析得到的結(jié)果與Allen腦圖譜中的已知Marker基因進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)DISC的結(jié)果在所有算法中更接近圖譜的細(xì)胞比例，且能更好的識別細(xì)分的細(xì)胞類型，與常用細(xì)胞類型識別工具Seurat的結(jié)果也更為一致。結(jié)果說明DISC能夠高效準(zhǔn)確地處理超大型復(fù)雜單細(xì)胞數(shù)據(jù)集，并能精確分析出主要和稀有細(xì)胞群。

綜上所述，DISC提供了一個單細(xì)胞數(shù)據(jù)的通用解決方案，對于具有稀有表達(dá)的基因，以及超大型數(shù)據(jù)集都有很好的處理性能，最大限度地減少了信息丟失。DISC將成為快速發(fā)展的單細(xì)胞測序技術(shù)極大的助力。

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原文鏈接：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-020-02083-3

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