了解 COMMOT

推荐阅读：【生物信息学】【生物信息分析索引】(https://jb243.github.io/pages/836)

苍，Z.等人。（2023）。自然方法，20(2), 218-228。（[参考]（https://www.nature.com/articles/s41592-022-01728-4））

1.概述

⑴ CCC（细胞间通讯）

① 对于理解生物异质性的重要意义：细胞命运决定、细胞分化模式、病理机制

② 多种形式：配体-受体相互作用、细胞-细胞相互作用、器官水平相互作用（例如胰岛素）、生物体水平相互作用（例如信息素）

③临床生物标志物：ICI（免疫检查点抑制剂）、组织再生研究

○ 示例：APAP 诱导的 AKI（急性肝损伤）组织中坏死性凋亡相关的肝细胞和巨噬细胞相互作用显着增加

图1. 组织再生研究示例

⑵【现有CCC分析算法】(https://jb243.github.io/pages/841)

① 基于批量 RNA 测序：BulkSignalR、squidpy、IPA、Omnipath

② 基于 scRNA-seq：CellTalkDB、CellPhoneDB、CellChat、ICELLNET、NicheNet、SoptSC、CytoTalk、scTensor、CCCExplorer、Connectome、Ramilowski、FlowSig、scSeqComm

③ 基于空间转录组学 (ST)：Giotto、spata2、CellPhoneDB v3、stLearn、SVCA、MISTy、NCEM、COMMOT、SCOTIA、STOPover、cytosignal、SpatialDM、SpaTalk、stMLnet、HoloNet、DeepLinc

图 2. 使用 ST 的 CCC 分析算法示例

○ Giotto：构建空间邻近图以识别通过膜结合配体-受体对的相互作用

○ CellPhoneDB v3：限制与同一空间定义的微环境中细胞簇的交互

○ stLearn：将配体和受体基因的共表达与细胞类型的空间多样性相关联

⑶ 通讯

①必要性：现有方法无法处理多物种相互作用

○ 多种配体类型可以结合多种受体类型，导致竞争

○ 72%的配体和60%的受体结合多种类型

图3. 多物种相互作用的竞争模拟

② 需要【OT】(https://jb243.github.io/pages/2386)（最优传输）

○ OT 被定义为从源头（供应）到目的地（需求）优化分配资源的方法

○ 这个概念在经济学、物理学、天文学、计算机科学等领域都有研究。

○ 多物种相互作用需要数值分析，而基因表达从配体到受体的分布过程类似，因此需要OT

图 4. OT 与移动沙堡的类比

2.理论

⑴ OT的问题定义

图 5. OT 的问题定义

① 可用于一种配体与一种受体之间的相互作用

② 为了应用于多物种相互作用，问题需要重新表述为COT

⑵ COT（集体OT）的问题定义

图 6. COT 的问题定义

① 运输方案 P ε ℝ₊^{n_l×n_r×n_s×n_s}

○ n_l: 配体数量

○ n_r: 受体数量

○ n_s：斑点或细胞的数量（如果是单细胞 ST）

② 理想情况下， Σ_j Σ_l P^(i,j)(k,l) = α_i(k), Σ_i Σ_k P^(i,j)(k,l) = β_j(l)

○ 然而，在嘈杂的数据中，这个假设可能不成立

○ 相反，定义无法解释的配体和受体数量 μ、ν 并通过惩罚它们来解决优化问题

⑶ COT问题解决总结

⑷ 步骤 1. 将空间截止应用于成本函数 C，仅将空间上邻近的相互作用视为有效

图 7. 使用空间信息的成本函数

⑸ 步骤2. 将_F_(·)项表示为香农熵项和L2正则项

⑹ 步骤3. 应用拉格朗日乘子法

① 拉格朗日乘子原理

图8. 拉格朗日乘子原理

② 拉格朗日乘子示例

图 9. 拉格朗日乘子示例

③ 步骤3-1. 在拉格朗日公式中引入额外的线性变量

④ 步骤 3-2. 拉格朗日方法的首次应用：首先应用于 9 个变量中的 5 个，因为很难一次应用全部

⑤ 步骤3-3. 拉格朗日方法的第二次应用：应用于其余4个变量

⑥ 步骤3-4. 将复方程表示为更新公式

⑦ 步骤3-5. 最终结论

⑧ 求解复杂方程的数值过程：不保证解的唯一性或收敛性

图10. 复杂方程的数值求解

3。结果

⑴ Visium 数据显示典型的皮肤结构

① 主要显示皮肤的下表皮和真皮部分，由表皮、真皮、平滑肌组成

② 真皮内层为基底细胞，符合预期

③ 从伪时间结果看，基底细胞分裂并产生其他细胞

图 11. Visium 皮肤数据

⑵ 值得注意的互动

① COMMOT 推断的 GAS6-TYRO3 相互作用

② 配体 i、受体 j 和斑点 l 的相互作用强度计算如下：结果

**图 12. **GAS6-TYRO3 相互作用强度的可视化

③簇间相互作用强度计算如下

图 13. 簇级 GAS6-TYRO3 相互作用强度

④ GAS6-TYRO3 相互作用经过实验验证

图14. GAS6-TYRO3的实验验证

⑤ GAS-TYRO3相互作用被称为先天性免疫抑制剂，可能与非常规T细胞（例如γδT细胞、MAIT细胞）在皮肤组织稳态和局部免疫反应中的作用有关

⑶ 值得注意的途径

① 相互作用方向：定义为仅限于主要途径的配体-受体对的相关运输计划条目的向量和。由于基底细胞增殖中的拮抗作用，WNT 和 TGF-β 具有相似的方向

图 15. 主要途径的相互作用方向

② 与基底细胞增殖相关的基底细胞标志物（KRT15、KRT5）和颗粒细胞标志物（LOR、FLG）在WNT、TGF-β等信号通路中突出

**图16. **主要通路和基因关联分析的相互作用强度

⑷ 值得注意的可视化

**图 17. **其他值得注意的可视化

图 18. 其他值得注意的可视化

（通过点嵌入进行点聚类）

4。讨论

⑴ 优势

① 能够分析多物种相互作用

② 提供各种下游分析

③ 在五个 ST 平台和各种组织中进行验证

④ 运行在Python上，比较容易使用

⑵ 局限性

① 在成本函数中用作空间截止的 1000 μm 在生物学上是有问题的

② COT解的收敛性和唯一性没有得到充分验证> ③ 配体-受体相互作用不包括蛋白质丰度和修饰

④ 无法分析三重相互作用

图 19. 使用 AlphaFold3 进行 FCER2A、ITGAX、ITGB2 的三重相互作用

5。实施

⑴ Anaconda环境搭建

受保护_0

⑵Python代码

输入：2025.04.05 08:33

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