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Monocle 3 的拟时序为什么会反过来?从根细胞和无穷值查起

作者:发布于 2026-11-14约 6 分钟阅读
同一张主图,换根以后会怎样。教学图|甲连乙,乙连丙,丙分别连丁和戊,每条边长为一。根在甲,甲、乙、丙、丁、戊,离根距离依次为 0、1、2、3、3。根在丁,仍按甲、乙、丙、丁、戊读数,距离变为 3、2、1、0、2,图本身没有改变。不可达,另一个分区缺少根,保留无穷值标记,检查分区和起点依据。

拿到一张分支图,学生说颜色从左到右越来越深,说明右侧细胞发育得更晚。导师把图旋转半圈,同样一批细胞又成了“从右到左”。真正给拟时序赋予方向的是研究者选择的起点和模型学习到的图,而不是二维坐标的横轴。使用 Monocle 3 时,把根从哪儿来、哪些细胞能从根到达说清楚,往往比换一个更好看的配色更重要。

先把问题限定为同一候选谱系中的状态变化,例如在明确时间点取样的分化系统中整理早期到晚期的细胞。若把没有共同谱系依据的多种成熟细胞放在一起,程序同样可以给出一张图,但这张图很难单靠表达相似性证明一种细胞真的变成另一种。实验时间、谱系标记、追踪实验和已知的发育顺序,都可以用来支持或质疑起点。

区分表达图、主图和根细胞

Monocle 3 的常用顺序是预处理、降维、聚类,随后学习连接状态的主图,再指定起点给细胞排序。降维图上两个点靠近,表示在构造这张图所用的表示中较相似。主图则是在该结构上学习出来的路径。指定根之后,拟时序按细胞在图上相对于根的位置计算。它不是采样后的钟表时间。除非有单独的外部标定,不应将某两个数之间的差直接写成分化若干小时。Monocle 3 轨迹分析教程

有了实验时间也不能把最早时间点的所有细胞自动视为祖细胞。早期样本可能混有成熟残留细胞,后期样本也可能保留少量起始细胞。可以从最早的时间点先确定候选,再用一整组标记、细胞质量及所属分区进一步缩小范围。应尽量让根的选择独立于最后要验证的那条候选基因曲线,避免按结果挑最顺眼的起点,然后又拿同一曲线来证明起点选得对。

五个节点揭示方向从何而来

设有一个教学主图。甲连乙,乙连丙,丙分别连丁和戊,每条边长暂定为一。将甲设为根,从甲到乙是一条边,到丙是两条,到丁和戊都是三条。再保持同一张图,仅把根换到丁。此时距离依次变成甲三、乙二、丙一、丁零、戊二。丁与戊仍是两支,但对它们谁更“晚”的解释已经改变。真实图上使用的距离和细胞投影远比这个例子复杂,这里只演示为何同一形状可以获得不同的顺序。

作为起点 甲 乙 丙 丁 戊
甲 0 1 2 3 3
丁 3 2 1 0 2
同一张主图,换根以后会怎样。教学图|甲连乙,乙连丙,丙分别连丁和戊,每条边长为一。根在甲,甲、乙、丙、丁、戊,离根距离依次为 0、1、2、3、3。根在丁,仍按甲、乙、丙、丁、戊读数,距离变为 3、2、1、0、2,图本身没有改变。不可达,另一个分区缺少根,保留无穷值标记,检查分区和起点依据。
教学图|甲连乙,乙连丙,丙分别连丁和戊,每条边长为一。

这张表也解释了一个常见的写作错误。丁与戊离甲距离相同,只能说明在此图中距离相等,不能推出两条支路经历了相同的真实时间。沿某一支越来越高的基因,也可能来自细胞周期、应激或样本准备,而非这条支路的调控因子。先把轨迹位置与取材时间、供体、已知标记分别并排画出,读者才能判断色带所代表的生物学解释是否站得住。

有些细胞的拟时序为什么是 Inf

在默认按分区学习图的情形下,不同分区之间可能没有可走的路径。如果只在第一块图里提供根,另一块图里的细胞无法从这个根到达,拟时序可能显示为无穷值。不要为了让绘图函数接受输入,就把这些值替换成全体最大值。那样会把“没有路径”伪装成“时间最晚”,再做趋势拟合就可能造出一个完全由编码方式制造的末端群。

下面假定 cds 已完成降维、聚类和主图学习,元数据中已有研究者核实过的早期候选标记 root_ok。只在有生物学依据时把该列设为真,再给细胞排序。例子中的交叉表比一张彩色图更容易看出,未获得有限值的细胞是否集中在某一分区。order_cells 的参数与返回值

library(monocle3)
candidates <- colnames(cds)[which(SummarizedExperiment::colData(cds)$root_ok)]
stopifnot(length(candidates) > 0)
cds <- order_cells(cds, root_cells = candidates)
time <- pseudotime(cds)
table(partition = partitions(cds)[names(time)], finite = is.finite(time))

如果另一个分区有独立证据支持自己的起点,可以在其中也选根,然后分区解释。此时不同分区的零点来自不同细胞群,数轴不能自动并成一条共同的真实时间线。如果研究只针对第一条谱系,也可把第二个分区单独标记为本分析之外,并报告原因。对于具有明显批次隔离或包含多条无关谱系的数据,先查分区产生的原因,再谈是否应构建一条跨区路径。

选根时还有一个细节。如果把分叉后的两端细胞都列为根,主图本身仍可保持原样,但从最近起点计距离会把两端同时当作早期区域。可在上面的五节点小图上手算,将甲和丁都设为起点,乙离甲一步,丙离丁一步,戊距丁两步,甲和丁都取零。这个结果很容易画出连续渐变,但已不能回答“从甲出发哪条分支出现得较晚”。因此把全部早期样本机械地加入根名单之前,先查看这些候选落在主图的哪些位置,标记不同候选落在同一端还是相对的两端。

在选根和选分支之间做一次敏感性检查

实操时可以准备两套都有依据的根,一套仅取强早期标记的细胞,另一套适度放宽这个范围,同时固定同一张已学习的主图。对共同可达的细胞,比较组别顺序、关键基因沿程曲线和候选分支端点是否保持一致。若一点点改动就使重要结论倒过来,应保留这个结果,把“方向暂不确定”写出来。若两套都一致,仍要回到实际取材时间和独立标记复核,尤其要查某条支路是否几乎全部来自单一供体。

保存分析时,除了主图图片,应保留根细胞的条形码与样本来源、各分区可达细胞数,以及支持早晚顺序的外部依据。后来想复核某个候选基因时,可以先锁定同一支、同一批共同细胞,再检查在不同根方案下的趋势。这比直接拿两张不同数据子集、不同坐标和不同根的轨迹图比较可靠得多。如果多位同事需要在同一图谱上复跑这些对照,可了解云生信的生物信息分析服务器。

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