[发明专利]基于单细胞转录组测序数据预测细胞空间关系的方法

说明书

本发明涉及一种基于单细胞转录组测序数据预测细胞空间关系的方法。所述方法包括：获取基于单细胞转录组测序数据的细胞‑细胞相互作用强度矩阵A的概率矩阵P；根据获取的所述细胞‑细胞相互作用强度矩阵A的概率矩阵P，重构细胞相互作用的三维空间结构；对于重构细胞相互作用的三维空间结构中的每个细胞，确定平均每个细胞与h个细胞相互作用的细胞间距离阈值，得到细胞间作用网络。本发明实施例提出的基于单细胞转录组测序数据预测细胞空间关系的方法，只需要单细胞转录组测序数据就可以预测细胞在三维空间中的相互作用，解决了现有技术中必须通过成像才能获得细胞空间关系的限制。

技术领域

本发明属于生物技术领域，具体涉及一种基于单细胞转录组测序数据预测 细胞空间关系的方法。

背景技术

细胞空间结构对于理解细胞的行为和功能具有至关重要的作用，如何测绘 细胞在组织、器官中的空间组织形式是生物医学领域的重要命题。

目前，测绘细胞空间组织方式的办法是以实验为基础，通过荧光或其他方 法对重要的基因、蛋白或其他生物分子进行标记，然后通过显微镜成像，最终 获得细胞的空间分布信息。已有的计算方法中，可以根据前述实验方法确定出 与细胞空间位置相关的标记基因，进而利用确定空间位置的标记基因结合单细 胞转录组测序数据，将具有转录组测序数据的细胞映射到已知的细胞空间图像 上。现有技术中还没有计算方法可以不依赖已知的细胞空间图像、只利用单细 胞转录组测序数据对细胞空间结构进行重构。

此外，配体-受体相互作用在细胞相互作用和通讯中发挥着重要作用，在已 有的计算方法中，存在根据单细胞转录组测序数据来衡量细胞类和细胞类之间 某种配体-受体对的相互作用或配体-受体对的个数是否显著强于其他细胞类对， 但是，还未发现根据配体-受体进行单个细胞级别的细胞相互作用和细胞空间结 构的重构。

发明内容

为解决上述问题，本发明实施例提出了一种基于单细胞转录组测序数据预 测细胞空间关系的方法，包括：

获取基于单细胞转录组测序数据的细胞-细胞相互作用强度矩阵A的概率矩 阵P；

根据获取的所述细胞-细胞相互作用强度矩阵A的概率矩阵P，重构细胞相 互作用的三维空间结构；

对于重构细胞相互作用的三维空间结构中的每个细胞，确定平均每个细胞 与h个细胞相互作用的细胞间距离阈值，得到细胞间作用网络。

进一步，重构细胞相互作用的三维空间结构的模型为：

最小化目标函数使得：

其中，I是细胞的总数，

p_ij是所述细胞-细胞相互作用强度矩阵A的概率矩阵P中细胞i与细胞j的 作用强度，

q_ij是细胞j在细胞i周围的概率，

d_ij是细胞i与细胞j在三维空间中的欧几里得距离，

是细胞i的第m维的坐标值，

是细胞j的第m维的坐标值；

进一步，最小化目标函数采用梯度下降法更新细胞坐标，计算当前坐标下每个细胞的梯度方向：

其中，C为目标函数，y_i为细胞i在一维度上的当前坐标，y_j为细胞j在该维 度上的当前坐标，

以该梯度方向为坐标更新方向，以固定步长更新细胞坐标，进行多次迭代。