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单细胞 RNA 测序图谱通常采用能够保持邻域关系的非线性嵌入方法进行探索，但这类方法在坐标层面的可解释性有限。我们探讨了将单细胞基因表达数据的主导主成分（PC）投影到单位球面上，是否能够构建一个具有可解释性的坐标系统。SPHERE-PCA 对前三个 PC 坐标进行 L2 归一化，将生物学定义的根节点对齐至北极，并用三个坐标表示每个细胞：与根节点对齐的测地距离（{theta}）、角位置（{phi}）以及投影前的径向幅度（r）。在发育相关和疾病相关数据集中，这一表示揭示了具有结构性的球面几何，从近似大圆轨迹到多弧流形不等。在发育图谱中，随着 CytoTRACE 推断的干性降低，与根节点对齐的测地距离逐渐增加；与此同时，基因坐标分析将与角位置相关的程序和与径向幅度相关的程序区分开来。固定载荷扰动将每个基因对细胞位置的影响分解为进程、分支或状态位置以及径向活性三个组分。因此，SPHERE-PCA 提供了一个确定性的、保留载荷的坐标框架，用于解释转录组变异的主导成分，并为扰动分析和虚拟细胞模型建立透明的几何坐标框架。
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利用主导主成分解析单细胞状态转变的可解释球面几何
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Long Yuan， Xuyang Li， My Le， Stephanie C Hicks， Atul Deshpande， Janis M Taube， Alexander S Szalay
doi： https://doi.org/10.64898/2026.09.11.751061
Long Yuan 1 约翰斯·霍普金斯医学院； 在 Google Scholar 中查找该作者 在 PubMed 中查找该作者 在本站搜索该作者 查看 Long Yuan 的 ORCID 记录
Xuyang Li 1 约翰斯·霍普金斯医学院； 在 Google Scholar 中查找该作者 在 PubMed 中查找该作者 在本站搜索该作者 查看 Xuyang Li 的 ORCID 记录
My Le 2 约翰斯·霍普金斯大学； 在 Google Scholar 中查找该作者 在 PubMed 中查找该作者 在本站搜索该作者
Stephanie C Hicks 3 约翰斯·霍普金斯大学彭博公共卫生学院 在 Google Scholar 中查找该作者 在 PubMed 中查找该作者 在本站搜索该作者 查看 Stephanie C Hicks 的 ORCID 记录
Atul Deshpande 2 约翰斯·霍普金斯大学； 在 Google Scholar 中查找该作者 在 PubMed 中查找该作者 在本站搜索该作者
Janis M Taube 1 约翰斯·霍普金斯医学院； 在 Google Scholar 中查找该作者 在 PubMed 中查找该作者 在本站搜索该作者
Alexander S Szalay 2 约翰斯·霍普金斯大学； 在 Google Scholar 中查找该作者 在 PubMed 中查找该作者 在本站搜索该作者
通讯作者： szalay{at}jhu.edu
摘要
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摘要
单细胞 RNA 测序图谱通常采用能够保留邻域关系的非线性嵌入方法进行探索，但这类方法在坐标层面的可解释性有限。我们考察了这样一种可能性：将单细胞基因表达数据中主导性主成分（principal components，PCs）投影到单位球面上，是否能够建立一个具有可解释性的坐标系。SPHERE-PCA 首先对前三个 PC 坐标进行 L2 归一化，将生物学上定义的根节点对齐至北极，并用三个坐标表示每个细胞：与根节点对齐的测地距离（θ）、角位置（ϕ）以及投影前的径向幅度（r）。在多个发育相关和疾病相关数据集中，该表示揭示了具有结构化特征的球面几何，从近似大圆轨迹到多弧线流形不等。在发育图谱中，随着 CytoTRACE 推断的干性降低，与根节点对齐的测地距离会增加；与此同时，基因坐标分析能够将与角位置相关的程序与径向幅度相关的程序区分开来。固定载荷扰动可将每个基因对细胞位置的影响分解为进程、分支或状态位置以及径向活性三个组成部分。因此，SPHERE-PCA 提供了一个确定性的、保留载荷的坐标框架，用于解释主导性的转录组方差，并为扰动分析和虚拟细胞模型建立透明的几何坐标框架。
利益冲突声明
已声明的资助信息
癌症研究马克基金会， https://ror.org/00v7th354
彭博-金梅尔癌症免疫治疗研究所
版权
本预印本的。
本文依据 CC-BY 4.0 国际许可协议 公开发布。
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发布于 2026 年 9 月 18 日。
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Long Yuan， Xuyang Li， My Le， Stephanie C Hicks， Atul Deshpande， Janis M Taube， Alexander S Szalay
bioRxiv 2026.09.11.751061； doi： https://doi.org/10.64898/2026.09.11.751061
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利用主导主成分解析单细胞状态转变的可解释球面几何
Long Yuan， Xuyang Li， My Le， Stephanie C Hicks， Atul Deshpande， Janis M Taube， Alexander S Szalay
bioRxiv 2026.09.11.751061； doi： https://doi.org/10.64898/2026.09.11.751061
📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.09.11.751061v1?rss=1
🏷️ 单细胞RNA测序 主成分分析 球面几何 细胞状态转变 转录组变异 可解释性建模