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SeuratExtend：通过集成和直观框架简化单细胞数据分析

2024-9-18 18:59

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SeuratExtend：通过集成和直观框架简化单细胞数据分析

近年来，单细胞RNA测序(scRNA-seq)以前所未有的规模在各个生物学学科中彻底改变了我们对细胞多样性和复杂性的理解。这项技术的快速发展导致了计算工具和算法的爆炸式增长。截至2024年4月，报告了1700多种方法。虽然这种增量凸显了该领域的活力，但它也给研究人员带来了令人生畏的挑战，因为他们经常发现自己被无数的选择和复杂性所淹没。

scRNA-seq中最常见的分析任务包括去除doublet、去噪、批次集成、细胞聚类和注释、通路和功能分析、基因调控网络推断、轨迹和伪时间分析以及细胞-细胞通信。这些分析维度中的每一个都解决了基本的生物学问题，但每个工具都有独特的输入需求、操作复杂性和输出格式。此外，评估这些不同工具在不同数据集上的性能，评估它们的计算资源需求，并优化它们的利用率都是关键的考虑因素。这种多样性，尽管在科学上是丰富的，但对于新手，甚至对于面临不同工具之间互操作性问题的经验丰富的用户来说，经常困难重重。

除了理解和驾驭这些工具和算法的挑战之外，实际实施也存在一系列障碍。scRNA-seq分析的一个重要障碍在于现有工具的可访问性和用户友好性。研究人员经常遇到诸如难以理解的复杂代码、非功能性脚本、具有挑战性的错误跟踪、过时的软件或来自非官方来源的依赖性导致安装或环境冲突，以及含糊不清的教程或功能文档，导致大量的时间浪费。此外，主流的scRNA-seq分析工具主要是为R或Python平台开发的，还有Nextflow和Snakemake等附加选项。而拥有核心包Seurat的R和拥有核心包Scanpy的Python则各有优势。精通两种语言的人很少，这构成了重大挑战，尤其是对新来者。跨平台工具互操作性仍然是一个持久的问题。此外，Python的日益普及导致了以Scanpy为中心的生态系统的出现，极大地促进了Python社区的发展。相比之下，围绕Seurat的R生态系统似乎相对有限，即使有像SeuratWrappers (https://github.com/satijalab/seurat-wrappers )这样的资源。这是一个由Satija 实验室策划的社区提供的方法和扩展的集合，与scverse相比，它提供的范围更有限。

为了应对这些挑战，Hua等人提出了SeuratExtend（图1，），这是一个全面集成的R包，旨在简化scRNA-seq数据分析工作流程。建立在广泛采用的Seurat框架上，SeuratExtend旨在提供一个用户友好和可访问的解决方案，从实用的角度关注基本的可视化和分析功能。通过利用Seurat的熟悉度和广泛的用户基础，SeuratExtend提供了一个有凝聚力的生态系统，显著增强了其功能。与Seurat的无缝集成以及SeuratExtend的直观设计使R用户更容易采用和学习该包，从而降低了R社区的进入门槛。

SeuratExtend的核心理念强调集成，直观的设计和视觉美学。集成是指该软件包全面覆盖了最实用的scRNA-seq分析和可视化工具，包括GO和Reactome等基本数据库，以及相应的函数。它还将经典的Python工具，如scVelo, CellRank, Palantir和SCENIC无缝集成到R环境中，消除了对Python熟练程度的需求。直观的设计和易用性是通过简单的功能实现的，辅以详细的文档和教程，使新手能够毫不费力地采用该软件包。视觉美学在传达科学信息的同时，强调数据的可视化感染力。最常见的可视化包括降维图(例如UMAP)、小提琴图/盒图、热图、条形图/饼图(显示分布)、气泡图、瀑布图/火山图和圆圈图/河流图(显示交互/连接)。Seurat作为一个综合性的工具，虽然提供了各种可视化功能，但仍有改进的空间。SeuratExtend显著增强和优化了可视化功能，特别侧重于探索和改进配色方案。最近，Hua等人系统地介绍了SeuratExtend的主要特性和功能，并通过不同的案例研究展示了其在解决当前挑战和增强各种应用中的scRNA-seq数据分析经验方面的实用性。

图1 SeuratExtend包主要特性。SeuratExtend通过将基本组件集成到Seurat框架中，简化了单细胞RNA-seq数据分析:(1)使用多个数据库和AUCell算法的功能和通路分析(GSEA);(2) Python 工具集成用于轨迹分析(scVelo、Palantir、CellRank)，基因调控网络推断(SCENIC)和去噪(MAGIC);(3)通过优化的方法和专业的配色方案增强可视化;(4)用于基因标识符转换、批次处理和统计分析的实用函数

SeuratExtend的开发遵循三个核心原则:集成、直观设计和视觉美学。通过无缝地整合多个数据库、分析工具和可视化技术，作者们创建了一个生态系统，弥合了R和Python环境之间的差距。这种集成不仅简化了分析过程，而且还扩展了主要在R中工作的研究人员可用工具的范围。SeuratExtend的直观设计，具有简单的功能和广泛的文档，显着降低了新手和经验丰富的用户的入门门槛。此外，作者们对视觉美学的重视，以精心策划的配色方案和优化的可视化方法为例，提高了科学传播中数据表示的清晰度和影响力。

虽然SeuratExtend集成了各种基本组件，包括去噪、批次集成、通路和功能分析、基因调控网络推断、轨迹和伪时间分析，但它并不是一个包涵万象的百科全书式工具箱。它目前没有涵盖单细胞分析的所有方面，如去除doublet、细胞-细胞通信、拷贝数变化推断或自动簇注释/标签转移。但是，随着SeuratExtend的不断发展，这些功能可能会被纳入未来的版本中。当前版本的SeuratExtend专注于从实际经验中提取的最实用的分析，补充和优化现有工具。最重要的是，建立基础框架，如数据库集成和链接R和Python生态系统。这些强大的基础提供了出色的可扩展性，使SeuratExtend具有发展成为围绕Seurat的综合生态系统的潜力，使用户能够执行端到端分析，同时保持直观和用户友好的体验。

为了实现这一潜力，SeuratExtend的未来发展和扩展将通过积极的社区参与得到极大的加强。与许多成功的开源项目一样，来自科学界的用户反馈和贡献将在形成软件包的轨迹方面发挥关键作用。这种协作方法确保了SeuratExtend继续与用户需求和快速发展的单细胞基因组学领域保持一致。作者们鼓励用户提供反馈，建议新功能，并为代码库做出贡献，培养一个充满活力的生态系统，以适应scRNA-seq分析中出现的挑战和机遇。

展望未来，SeuratExtend的集成和直观特性使其成为一种优秀的教育资源，进一步降低了那些渴望学习单细胞分析的入门门槛。此外，大型语言模型(LLM)的兴起为人工智能辅助教育提供了机会。虽然SeuratExtend目前使用OpenAI的聊天机器人平台，但未来的努力可能包括使用Langchain和其他LLM(如Claude和Llama 3)等框架构建更多功能的聊天机器人，以增加可访问性并降低成本。此外，SeuratExtend的标准化数据分析和可视化框架可以为可视化应用程序(如Shiny应用程序)铺平道路，使scRNA-seq分析即使是非生物信息学家也可以使用。

总之，SeuratExtend在简化scRNA-seq数据分析方面迈出了重要的一步，提供了基于Seurat框架的全面集成解决方案。通过解决工具增长和复杂性的挑战，SeuratExtend使更广泛的研究人员更容易获得先进的scRNA-seq分析。凭借其强大的基础、可扩展的架构和对用户友好的承诺，SeuratExtend注定要发展成为一个全面的生态系统，使研究人员能够利用各种生物学科的单细胞转录组学的全部潜力。

参考文献

[1] Yichao Hua, Linqian Weng, Fang Zhao, Florian Rambow. SeuratExtend: Streamlining Single-Cell RNA-Seq Analysis Through an Integrated and Intuitive Framework. bioRxiv, doi: https://doi.org/10.1101/2024.08.01.606144

以往推荐如下：

1. 分子生物标志物数据库MarkerDB

2. 细胞标志物数据库CellMarker 2.0

3. 细胞发育轨迹数据库CellTracer

4. 人类细胞互作数据库：CITEdb

5. EMT标记物数据库：EMTome

6. EMT基因数据库：dbEMT

7. EMT基因调控数据库：EMTRegulome

8. RNA与疾病关系数据库：RNADisease v4.0

9. RNA修饰关联的读出、擦除、写入蛋白靶标数据库：RM2Target

10. 非编码RNA与免疫关系数据库：RNA2Immune

11. 值得关注的宝藏数据库：CNCB-NGDC