利用细胞周期同步性丧失特征模型对同步化时间序列数据进行对齐以实现跨实验比较

分析时间序列实验的一个主要挑战在于，这些实验通常在同步恢复时长和细胞周期持续时间上存在差异，因此不同实验的测量数据在未进行对齐的情况下难以直接比较或合并分析。Clocks lifeline 对齐方法可实现实验间特定相位和具有生物学意义的比较，并可用于整合多个重复实验，而这些在过去往往难以实现甚至无法完成。此前，特定相位和具有生物学意义的比较依赖于对标志性事件的追踪。

然而，使用这些临时方法时，一些细微但重要的差异仍无法被检测到。在时间序列实验之间进行比较时，尤其当实验在时间进程上存在显著差异时（例如突变群体或影响同步恢复时间或细胞周期周期的培养条件），比较尤为困难。Clocks 生命周期比对方法可在这些情况下实现特定相位的比较。我们已利用 Clocks 对时间序列转录组和蛋白质组数据进行比对，从而实现了 mRNA 动态变化与其对应蛋白质动态变化之间的直接比较。

此外，我们将不同物种的时间序列实验进行比对，从而深入揭示细胞周期在进化过程中的变化规律。首先，在终端中输入命令以下载 Clocks 比对代码仓库。然后，使用 condarec 创建一个 conda 环境。

在克隆 Clocks 比对仓库的文件夹中，通过终端输入命令来生成 yml 文件。双击 Clocks 比对仓库中 Clocks 文件夹内的 condaV2023.jar 文件，等待图形用户界面打开。

该界面允许设置“Clocks”运行的输入选项，并在运行后显示结果。通过标有“temperature”的文本框输入以摄氏度为单位的实验温度，并使用下拉菜单“synchro.method”指定同步化方法。若要输入出芽数据的设置，请在模型类型下拉菜单中选择“bud”选项，以对应出芽酵母。

通过点击“选择文件”按钮上传文件，或在数据导入面板的文本输入框中直接输入数据来导入数据。第一列指定时间点，其余两列指定出芽数据。如需输入流式细胞术数据的设置，请从模型类型下拉菜单中选择“流式”部分。

使用数据导入面板导入数据，点击“选择文件”按钮，然后在“拟合时间点”框中选择需要绘制流式细胞术时钟拟合图的时间点。完成芽殖或流式细胞术相关参数选择后，点击“应用”按钮，然后点击屏幕顶部的“采样”按钮。在“预测拟合”标签页中查看芽殖曲线或流式细胞术图谱。

通过选择“后验参数”选项卡，从拟合结果中获取 Clocks 参数。生成的表格中每一行对应一个参数，最后一行为后验结果。各列分别表示参数的均值预测值、2.5% 下置信区间、97.5% 上置信区间以及接受率。

时钟基因的萌发曲线得到了恰当的拟合，数据点与相应的拟合曲线高度重合，且95%置信区间较窄，证明了拟合的准确性。利用流式细胞术获得的细胞周期时相数据，Clocks可为每个选定的时间点生成一个对应的时钟拟合曲线。首先，在终端中输入命令以激活conda环境。

使用该命令打开一个交互式 Python 笔记本。在目标文件夹中创建一个新的 Python 笔记本，并为其提供合适的名称，然后在第一个代码单元格中运行命令，导入包含比对函数的 Python 文件。如果使用出芽数据作为细胞周期阶段数据，请在新的单元格中运行命令，导入一个数据框，其中包含每个时间点的出芽百分比，然后在另一个新单元格中输入该函数，将出芽数据对齐到生命线时间尺度。

接下来，在新单元格中运行命令，将实验数据框导入笔记本。通过在新单元格中输入函数，将实验数据对齐到生存曲线时间点尺度。然后在新单元格中输入命令，下载已对齐生存曲线的数据集。

从条件2的RNA-seq收集到的初步数据显示了随着时间推移的出芽百分比，时间轴既包括以分钟为单位的未对齐时间尺度，也包括以生命线点为单位的对齐时间尺度。针对条件2数据集收集的流式细胞术数据，在选定的时间点上进行绘图后显示，该数据与通过对齐所确定的细胞周期阶段相符。在新单元格中输入命令，使用Python实用函数绘制对齐前的出芽曲线。

接下来，使用 Python 实用函数在对齐后绘制出芽曲线。在新单元格中输入命令，利用 Python 实用工具中的折线图比较功能，对原始数据、对齐后的数据或经过对齐和插值处理的数据框进行折线图比较。在新单元格中使用命令将 CSV 或 TSV 基因列表文件导入笔记本中。

接下来，在新单元格中输入命令，使用 Python 工具文件中提供的函数 plot_heat_map_comparison，对已对齐、插值并相位对齐的数据框进行热图比较。对对齐前后转录组数据的比较显示，在对齐之前，微阵列实验的第一个表达峰与 RNA-seq 实验的第二个峰相对应；然而，在对齐之后，各数据集的第一个细胞周期峰实现了正确对齐。

在不同周期的实验之间比较细胞周期时相数据时，未对齐的出芽曲线显示出明显的周期差异，而经过 Clocks 对齐后，三条曲线表现出显著的相似性，从而使得实验数据之间的比较成为可能。在两种条件下，每个可比较的生命线时间点的细胞周期时相数据并不完全相同。在不同周期的实验之间比较转录组数据发现，在对齐之前，CDC20 的转录动态曲线不重叠；而在对齐之后，其表达峰出现在相同的细胞周期时相，但曲线的形状仍存在差异。

对于未比对和已比对的数据，三个条件下的基因均以相同顺序绘制为热图。