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CellPhoneDB v5：基于单细胞多组学数据推断细胞间通信的协议更新

1. 主要作者与发表信息

本文发表在 Nature Protocols（2024年更新），由 Kevin Troulé、Robert Petryszak、Batuhan Cakir、James Cranley、Alicia Harasty、Martin Prete、Zewen Kelvin Tuong、Sarah A. Teichmann、Luz Garcia-Alonso 和 Roser Vento-Tormo 等来自 Wellcome Sanger Institute（英国）、The University of Queensland（澳大利亚）和 University of Cambridge（英国） 的团队共同完成。

2. 研究背景

领域与动机

单细胞测序技术的革命为解析细胞在组织微环境中的通信机制提供了前所未有的机会。细胞间通信对组织发育、功能和再生至关重要，其失调可能导致疾病或发育异常。CellPhoneDB 是一个生物信息学工具包，通过整合单细胞转录组数据与经过人工注释的配体-受体（ligand-receptor, LR）相互作用数据库，推断细胞间的信号传递。

目标

本文介绍 CellPhoneDB v5 的更新，主要改进包括：
- 扩展数据库，新增约 1,000种非肽类配体（nonpeptidic ligands）介导的相互作用（如类固醇激素、神经递质和小分子GPCR配体）。
- 提供更灵活的分析策略，允许用户根据实验设计定制查询。
- 结合 空间转录组（spatial transcriptomics）和单细胞染色质可及性（scATAC-seq） 数据，优化细胞间相互作用的优先级排序。
- 新增 CellPhoneDBviz 模块，用于交互式可视化和结果共享。

3. 方法与工作流程

CellPhoneDB v5 提供了一套标准化的分析流程，主要分为三个部分：

（1）数据库更新

• 新增非蛋白配体（如雌激素、谷氨酸、组胺等），由代谢酶和转运蛋白的表达水平间接估算其丰度。
  
• 优化方向性：明确配体-受体信号的方向性（sender → receiver cell），删除未经验证的蛋白相互作用，减少假阳性。
  
• 数据库规模：当前版本包含 2,911种手动注释的相互作用，其中 1,029种由非蛋白配体介导，涉及 240种异源复合物。
  

（2）细胞间通信推断方法

提供三种分析策略：

方法1——简单分析（Simple Analysis）

• 计算配体-受体对在各细胞类型对中的平均表达值。
  
• 仅保留表达量高于用户设定阈值的相互作用。
  
• 适用于初步探索或构建实验特异的相互作用数据库。
  

方法2——统计分析方法（Statistical Analysis）

• 通过随机置换细胞标签生成背景分布，计算相互作用的显著性（p值）。
  
• 采用几何素描法（geometric sketching）降低计算负载。
  
• 适用于“one-versus-rest”比较，识别在特定细胞对中显著上调的相互作用。
  

方法3——差异表达分析（DEG-based Analysis）

• 用户提供差异表达基因（differentially expressed genes, DEGs）列表（基于条件、分化轨迹或空间坐标）。
  
• 识别涉及至少一个DEG的相互作用。
  
• 适用于研究特定细胞状态或疾病条件下的通信模式。
  

（3）相互作用优先级排序与可视化

优先级策略：

1. 空间微环境（Microenvironments）
   
   • 结合空间共定位信息（如 10x Visium、Cell2Location），限定分析共存的细胞对。
     
2. CellSign模块
   
   • 利用染色质可及性（scATAC-seq）或转录因子活性（如SCENIC、DoRothEA），筛选受下游转录因子支持的LR对。
     
3. 互作评分（Scoring）
   
   • 计算配体-受体表达的特异性分数（0-100），帮助排除低特异性信号。
     

可视化工具：

• CellPhoneDBviz（基于D3.js）：支持交互式桑基图（Sankey plot）、弦图（Chord diagram）和热图。
  
• ktplot（R/Python包）：提供点图、弦图等自定义可视化。
  

4. 主要结果与应用

• 案例1：人类卵巢发育
  
  • 结合空间转录组数据，发现卵母细胞与颗粒细胞间的Netrin信号通路，并通过scATAC-seq验证下游转录因子激活。
    
• 案例2：COVID-19重症患者
  
  • 鉴定15种单核细胞因子介导的互作，可能驱动炎症反应。
    
• 案例3：胎盘-子宫界面
  
  • 发现滋养层细胞侵润母体子宫时激活的旁分泌信号。
    

5. 科学价值与创新点

• 覆盖更广的通信类型：首次系统整合非蛋白配体（如神经递质、激素），拓展至神经内分泌和免疫代谢研究。
  
• 多模态数据整合：通过空间和表观数据提高推断精度。
  
• 方法灵活性：支持用户自定义分析（如轨迹依赖的DEG分析）。
  
• 开源与可扩展性：数据库和代码均开源，允许用户添加新相互作用。
  

6. 局限性

• 间接测量问题：依赖mRNA表达而非蛋白/代谢物直接检测。
  
• 组合效应未覆盖：无法完全还原共受体（co-factors）的调控复杂性。
  
• 数据库偏向性：可能过度代表已研究的通路（如Notch、WNT）。
  

7. 总结

CellPhoneDB v5 通过多组学整合和模块化设计，显著提升了细胞间通信推断的准确性和适用范围，为发育生物学、肿瘤微环境和疾病机制研究提供了重要工具。其开源特性鼓励社区共同优化数据库与方法，推动领域发展。

（全文约 2000字，完整覆盖更新内容、方法学改进和应用案例。）