醫生視角下轉錄組學的生物信息學分析

轉錄組學的生物信息學分析是醫生解決臨床與科研問題的有力工具。這里羅列醫學轉錄組學相關的幾個概念，從使用者（醫生）的角度看待理解相關技術，為后續使用該技術說明臨床和科研問題奠定基礎。

一、轉錄組的種類

單細胞測序、整體組織測序、空間轉錄組測序是常用的三種形式，各具特點。

• 單細胞測序能夠精確到單個細胞層面，能識別組織中細胞類型的異質性，捕捉稀有細胞群體，適合研究腫瘤微環境中不同細胞間的相互作用，但費用較高；
• 整體組織測序是對整個組織樣本進行分析，檢測的是細胞群體的平均基因表達水平，成本相對較低，適用于初步篩選疾病相關的基因表達變化；
• 空間轉錄組則可以保留組織樣本的空間位置信息，直觀呈現基因表達的空間分布特征，對于研究組織結構與功能的關系至關重要，不過其技術門檻和成本也較高。

醫生需根據研究目的和預算，權衡選擇合適的技術。例如，若要探究腫瘤發生過程中特定稀有細胞的作用機制，單細胞測序可能是更好的選擇；而對于大規模疾病樣本的基因表達初步篩查，整體組織測序則更具性價比。
因為單細胞測序是目前最流行的轉錄組學技術，以下舉例都以單細胞測序技術為例。

二、生信分析技術流程

清晰認識生信分析的技術流程（workflow），有助于用戶明確該技術的能力邊界。
無論是哪種轉錄組測序技術，都有相對固定的輸入和輸出。以單細胞測序為例，輸入通常是高質量的單細胞懸液樣本，經過測序后，輸出的數據包含組織中的細胞類型信息以及各種細胞類型的基因表達情況。通過生物信息學分析，可以對細胞進行聚類分群，鑒定不同細胞亞群的特征基因，進而深入了解細胞的功能和狀態。
了解這些，醫生就能判斷該技術是否能滿足自己的研究需求，以及如何解讀分析結果。比如，當醫生想要了解某種疾病中免疫細胞的亞群組成和功能變化時，就可以根據單細胞測序的輸出結果，分析不同免疫細胞亞群的基因表達特征，推斷其在疾病發生發展中的作用。

單細胞生信分析的一般流程如下：

1. 數據質量控制：對原始單細胞數據進行全面檢查，剔除低質量細胞，如細胞內基因計數過低、線粒體基因比例過高的細胞，確保后續分析基于高質量數據。
2. 數據標準化：消除不同細胞間由于測序深度、捕獲效率等技術因素導致的差異，讓數據處于同一可比尺度，便于后續準確分析。
3. 降維處理：單細胞數據維度高，通過主成分分析（PCA）、t -
   分布隨機鄰域嵌入（t-SNE）等方法降低維度，簡化數據結構，突出細胞間關鍵差異特征。
4. 細胞聚類：根據細胞基因表達特征，將相似細胞聚為一類，挖掘細胞亞群，如免疫細胞中的 T 細胞、B 細胞等不同亞群。
5. 差異基因分析：比較不同細胞亞群的基因表達，找出差異表達基因，為研究細胞功能、疾病機制等提供關鍵線索。

三、臨床表型

以上轉錄組學的生物信息學分析是轉錄組學及其分析固有的流程，變化不大，只有與疾病的臨床表型相結合，才能說明醫生所關心的臨床和科研問題，也是生信分析變化之所在。

• 如果臨床表型是腫瘤（對照組是正常組織），利用單細胞測序技術，能夠得到腫瘤組織的細胞組成和各種細胞的基因表達變化。通過分析腫瘤細胞與免疫細胞、基質細胞之間的相互作用關系，有助于揭示腫瘤發生的機制，還可以篩選出具有診斷價值的標記物。此外，還可以結合機器學習等手段，對大量的基因表達數據進行挖掘和分析，構建更準確的疾病診斷和預后模型。
• 如果臨床表型是某種耐藥組織（對照組是非耐藥組織），通過轉錄組分析可以探究耐藥相關基因的表達變化，闡明耐藥機制，為臨床制定更有效的治療方案提供依據。
• 如果臨床表型某種治療后的組織樣本（對照組是治療前的組織樣本），分析其基因表達變化能夠明確治療的作用對象和作用機制，評估治療效果，為后續的個性化治療提供參考。
• 如果臨床表型是某種遺傳性疾病（對照組是健康個體），通過轉錄組分析能夠發現與疾病相關的關鍵基因變異，探索疾病的遺傳機制，為遺傳咨詢和精準治療提供重要線索。

如果臨床表型是疾病晚期組織（對照組是疾病早期組織），轉錄組學可以分析疾病發展過程起作用的細胞或基因。

四、注意事項

在應用轉錄組學技術時，需要特別注意基因表達的暫時性。基因表達會隨著時間發生動態變化，因此保證采樣組織在時間上的同質性至關重要。在臨床樣本采集過程中，應嚴格控制采樣時間點和處理時間，盡可能減少樣本間的時間差異對基因表達的影響，確保實驗結果的準確性和可靠性。同時，不同時間單細胞測序的表現也可以是科學研究設計的一部分，可以說明細胞在不同時間狀態下的變化規律，為疾病的動態發展研究提供有價值的信息。
此外，還需留意樣本個體差異，不同患者間的遺傳背景、生活習慣等因素可能導致基因表達存在差異，這在分析時需加以考量，以避免干擾對疾病相關基因表達特征的準確判斷。
最后，轉錄組學解決的兩個問題，疾病表型中細胞類型和基因的鑒別，也可以通過蛋白組學和表觀遺傳組學來實現，醫生在選擇轉錄組學技術時，也可綜合考量這些組學技術的優勢與特點，從多維度深入剖析疾病機制，為臨床決策提供更全面、精準的依據。