編者按：

單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組的研究如火如荼，然而面對測序后獲得的海量結(jié)果，我們常常望洋興嘆。在挖掘生物學(xué)意義時，最重要的就是找到與表型相關(guān)的特征基因。常規(guī)的差異分析有時很難獲得有意義的特征基因。此時，我們就可以嘗試非負(fù)矩陣分解（NMF）算法。其因?yàn)榉秦?fù)性、稀疏性和可解釋性強(qiáng)等特點(diǎn)，成為很多生信分析工作者們的心頭好。在這里，小編概述了NMF的定義、應(yīng)用和案例，希望能幫助科研工作者們從單細(xì)胞組學(xué)數(shù)據(jù)中挖掘新的生物學(xué)意義。
 
01 非負(fù)矩陣分解介紹

非負(fù)矩陣分解（Non-negative Matrix Factorization, NMF）是一種常用于數(shù)據(jù)降維和特征提取的算法。它的核心思想是將一個非負(fù)矩陣分解為兩個非負(fù)矩陣的乘積。NMF廣泛應(yīng)用于文本挖掘、圖像處理、生物信息學(xué)等領(lǐng)域。

NMF原理是給定一個非負(fù)矩陣V（m×n），利用NMF分解出兩個矩陣W（m×k）和H（k×n），滿足V≈W×H，且k通常遠(yuǎn)小于m和n。該算法優(yōu)勢是生成的矩陣W和H都是非負(fù)的，因此分解結(jié)果具有較好的可解釋性，特別適合需要非負(fù)表示的數(shù)據(jù)（NMF的非負(fù)性約束符合大多數(shù)生物數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，比如基因表達(dá)水平不為負(fù)）。但是，由于NMF 的目標(biāo)函數(shù)是非凸的，因此可能會陷入局部最優(yōu)解。此外，NMF 對噪聲較為敏感，在實(shí)際應(yīng)用中需要結(jié)合正則化等技巧�？傊�，NMF 是一種強(qiáng)大且直觀的工具，適合于從復(fù)雜數(shù)據(jù)中提取有意義的特征。

02 NMF在單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析中的應(yīng)用

NMF在單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組中的應(yīng)用主要集中在基因表達(dá)模式（基因表達(dá)程序）的提取和細(xì)胞類型的識別。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組通過測量單個細(xì)胞中的基因表達(dá)譜，提供了復(fù)雜和高維度的數(shù)據(jù)，而NMF的降維和特征提取能力使其在這一領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。將基因×細(xì)胞矩陣作為V矩陣進(jìn)行NMF分解，獲得基因×表達(dá)程序(W)和表達(dá)程序×細(xì)胞(H) 兩個矩陣。基因×表達(dá)程序(W)矩陣代表了基因的特征表達(dá)模式，也就是基因程序，存儲了基因在不同程序中的權(quán)重（一般將權(quán)重較高的n個基因當(dāng)作該程序的特征基因）。表達(dá)程序×細(xì)胞(H)矩陣代表了每個程序在細(xì)胞中的權(quán)重（強(qiáng)弱）。

通過NMF分解獲得的基因程序，往往與特定的生物過程或功能相關(guān)，能夠揭示在不同細(xì)胞群體中共同表達(dá)的基因模塊，從而探究特定的基因群是否與某些生物過程相關(guān)，如細(xì)胞周期、免疫反應(yīng)等。這對理解細(xì)胞的功能狀態(tài)和生物學(xué)機(jī)制具有重要意義。此外，NMF也可以用于單細(xì)胞多組學(xué)數(shù)據(jù)，識別出不同組學(xué)數(shù)據(jù)之間的共同特征，從而更全面地理解細(xì)胞的狀態(tài)和功能。

03 文獻(xiàn)案例分享

為了更好地解釋NMF算法在單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組研究中的應(yīng)用思路，小編在這里分享兩篇文獻(xiàn)案例，詳細(xì)介紹NMF在實(shí)際科研中的使用方式和挖掘到的重要生物學(xué)結(jié)果。

案例一：單細(xì)胞多組學(xué)分析揭示腎透明細(xì)胞癌的調(diào)控程序

本研究利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和單細(xì)胞ATAC測序技術(shù)繪制了腎透明細(xì)胞癌（ccRCC）的轉(zhuǎn)錄和表觀基因組圖譜，確定了四個介導(dǎo)腫瘤細(xì)胞特異性調(diào)控程序的關(guān)鍵TFs（HOXC5、VENTX、ISL1和OTP），它們具有預(yù)后意義。接下來，研究者聯(lián)合分析了CD8+T細(xì)胞和巨噬細(xì)胞亞群的染色質(zhì)可及性和基因表達(dá)模式，發(fā)現(xiàn)了這些細(xì)胞亞群中不同的調(diào)控元件。此外，研究者還描述了TME中配體-受體相互作用所介導(dǎo)的細(xì)胞間通訊。綜上所述，這種單細(xì)胞多組學(xué)方法進(jìn)一步闡明了ccRCC的細(xì)胞異質(zhì)性，并確定潛在的治療靶點(diǎn)。

圖1.ccRCC中的惡性轉(zhuǎn)錄程序

為了確認(rèn)惡性細(xì)胞的基因表達(dá)模式異質(zhì)性，研究者利用NMF算法從四名患者中的3564個腫瘤細(xì)胞分解出11個轉(zhuǎn)錄程序，進(jìn)一步聚類成2個元程序，在四個患者中共享。富集分析發(fā)現(xiàn)兩個元程序分別富集在應(yīng)激相關(guān)途徑或代謝相關(guān)的生物過程。元程序1高表達(dá)的患者總生存期較差，而元程序2高表達(dá)的患者總生存期較好。

案例二：宮頸鱗狀細(xì)胞癌的多組學(xué)分析確定了具有生物學(xué)和臨床意義的細(xì)胞生態(tài)系統(tǒng)

宮頸鱗狀細(xì)胞癌 (CSCC) 對免疫檢查點(diǎn)阻斷（ICB）的反應(yīng)有限，為了解析腫瘤免疫微環(huán)境 (TIME) 的分子特征，本研究使用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組、空間轉(zhuǎn)錄組和空間蛋白質(zhì)組技術(shù)，結(jié)合遺傳和藥理學(xué)擾動，系統(tǒng)地開發(fā)了 CSCC 中腫瘤內(nèi)表達(dá)異質(zhì)性的空間高分辨率圖譜，并發(fā)現(xiàn)了3種腫瘤狀態(tài)重現(xiàn)了鱗狀分化的不同階段，顯示出獨(dú)特的TIME。上皮-角蛋白惡性細(xì)胞與免疫抑制性腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞（CAF）之間的雙向相互作用通過 FABP5 介導(dǎo)的轉(zhuǎn)化生長因子β （TGFβ）通路信號形成免疫排斥微環(huán)境。在 Epi-Imm 腫瘤中，惡性細(xì)胞通過干擾素信號傳導(dǎo)與自然殺傷細(xì)胞和 T 細(xì)胞相互作用。對宮頸癌臨床試驗(yàn) (NCT04516616) 樣本的初步分析表明，新輔助化療可誘導(dǎo)向 Epi-Imm 的狀態(tài)轉(zhuǎn)變，這與免疫檢查點(diǎn)阻斷治療后的病理完全緩解相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)加深了對 CSCC 中細(xì)胞狀態(tài)多樣性的理解。

圖2.CSCC 患者的腫瘤細(xì)胞中識別出的NMF程序之間的成對相似性的層次聚類

為了確認(rèn)惡性細(xì)胞多樣性，利用NMF算法對20168 個惡性鱗狀細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行分解，獲得了8個元程序（MP）。MP6、7和8三種程序分別代表鱗狀不同的分化階段。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)MP7與MP8呈正相關(guān)，而與MP6呈負(fù)相關(guān)。MP6與CAF豐度呈正相關(guān)，與免疫細(xì)胞豐度呈負(fù)相關(guān)。相比之下，MP7與免疫細(xì)胞呈正相關(guān)，與間質(zhì)細(xì)胞呈負(fù)相關(guān)。更多的分析和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證實(shí)MP6具有抑制免疫細(xì)胞浸潤的免疫抑制性功能。

04 參考文獻(xiàn)

[1] Long, Zhilin et al. “Single-cell multiomics analysis reveals regulatory programs in clear cell renal cell carcinoma.” Cell discovery vol. 8,1 68. 19 Jul. 2022.
[2] Fan, Junpeng et al. “Multiomic analysis of cervical squamous cell carcinoma identifies cellular ecosystems with biological and clinical relevance.” Nature genetics vol. 55,12 (2023): 2175-2188.