免疫组测序工具篇 | 一文解析免疫组库常用各项指数

免疫组库（ImmuneRepertoire，IR）是指某个个体在任何特定时间点其循环系统中所有功能多样性B淋巴细胞和T淋巴细胞的总和。

TCR/BCR多样性超级丰富，理论上可达10¹⁵ – 10²⁰种，所以我们的免疫系统机体才有可能识别不同种类的任何抗原。而当机体产生特异性免疫应答时，即T/B细胞对抗原产生特异性识别时，T/B细胞发生应激，TCR/BCR的多样性会发生变化，某种或某些T/B克隆会大量扩增，来对抗异己抗原。

TCR/BCR多样性主要是由V（D）J随机重组产生，而V、D、J基因本身又具有多样性，不同的T/B细胞克隆经基因重排、发生不同基因片段的连接，产生特定的(VDJ)基因和(VJ)基因，从而表达特异性TCR/BCR，这是TCR/BCR多样性产生的主要机制。

免疫组基因种类如此庞大，需要使用量化指标来评价TCR/BCR多样性，据此反映克隆有多少种不同类型，并且同时考虑到这些种类的个体分布之间的系统性关系，例如丰富性、差异性或均匀性等等。 此文整理了目前文献中经常采用的免疫组测序结果指数，与大家一起分享学习。

Clonality克隆性指数在于对TCR/BCR克隆扩增的衡量。Clonality值越大，表示有部分TCR/BCR克隆发生了很大频率的扩增。公式中，productive uniques 为样本中克隆种类总数，diversity为shannon多样性指数的值。

[1]Tumeh PC, et al. PD-1 blockade induces responses by inhibiting adaptive immune resistance. Nature.2014;515:568–571. doi: 10.1038/nature13954.

[2] Johnson D B, Frampton G M, Rioth M J, et al. Targeted next generation sequencing identifies markers of response to PD-1 blockade[J]. Cancer immunology research, 2016, 4(11): 959-967.

[3] Reuben A, Gittelman R, Gao J, et al. TCR repertoire intratumor heterogeneity in lo     calized lung adenocarcinomas: an association with predicted neoantigen heterogeneity and postsurgical recurrence[J]. Cancer discovery, 2017, 7(10): 1088-1097.

Pielou’s用来评估克隆分布均匀程度，Pielou’s值越高，表示各克隆分布比较均匀， Pielou’s值越低，表示有一些特异性的克隆发生了扩增。公式中，pi为i总序列的比例，S为克隆类型总数。

[1] A note on a generalization of Pielou’s equation.

[2] On a generalization of the global attractivity for a periodically forced Pielou’s equation.

[3] On the relationship between Pielou’s evenness and landscape domi v   nance within the context of Hill’s diversity profiles.

香农指数用来衡量样本中TCR/BCR克隆的多样性，该指数能够描述两方面的信息①种类丰富度；②种类中个体分配上的均匀性（evenness）。香农指数越高，表示TCR/BCR的多样性越高。公式中，pi为第i个特异性克隆类型的频率。可以看出，香农既考虑了TCR/BCR克隆种类的多少，也考虑了每种克隆的均匀度（频率）。

[1]Shannon, C. E. The mathematical theory of communication. 1963.MD Comput. 14, 306–317 (1997).

 [2]Ruggiero E, Nicolay J P, Fronza R, et al. High-resolution analysis of the human T-cell receptor repertoire[J]. Nature communications, 2015, 6: 8081.

[3]Jia Q, Wu W, Wang Y, et al. Local mutational diversity drives intratumoral immune heterogeneity in non-small cell lung cancer[J]. Nature Communications, 2018, 9.

我们通常不直接用Simpson  index（D）,它反映的是在同一个样本中随机的抽取2个个体，这两个个体来自同一个类的概率。故D值越大，多样性越低。这与直觉和逻辑不符。

为了解决这个问题，通常会用以下两种形式来表示：

（1）1减去D 即Gini-Simpson Diversity index

（2）1/D 即Inverse-Simpson index

Gini-Simpson代表意义是在同一个样本中随机抽取2个个体，这两个个体来自不同类的概率。这个值在0-1之间，指数越大，说明克隆的多样性越高。更加侧重反映克隆种类的均匀性。

（使用时有些地方也会将Gini-Simpson简化成Simpson，实际上这里是指Gini-Simpson，可根据公式区分）

[1]Simpson, E. H. Measurement of diversity. Nature 163, 688 (1949).

[2]Jia Q, Wu W, Wang Y, et al. Local mutational diversity drives intratumoral immune heterogeneity in non-small cell lung cancer[J]. Nature Communications, 2018, 9.

逆辛普森多样性指数是辛普森指数的倒数，逆辛普森指数越大，代表克隆的多样性越高。侧重反映高频克隆的多样性。

[1]Van Heijst J W J, Ceberio I, Lipuma L B, et al. Quantitative assessment of T cell repertoire recovery after hematopoietic stem cell transplantation[J]. Nature medicine, 2013, 19(3): 372.

[2]Ruggiero E, Nicolay J P, Fronza R, et al. High-resolution analysis of the human T-cell receptor repertoire[J]. Nature communications, 2015, 6: 8081.

Hvj多样性指数，用来衡量样本中TCR克隆V-J基因组合使用的多样性。pi为第i个V-J基因片段组合使用类型的比例。反映的是对T细胞的扩增的衡量，也就是反映了T/B特异性识别抗原产生的应激后的复制增殖能力，值越大，表示克隆性扩增越多。

[1]Maximum Likelihood Estimation of Functionals of Discrete Distributions.2014.

[2]Information, Measurement, and Quantum Mechanics.1987.

DE₅₀作为克隆性（克隆程度）的一个指标，衡量克隆性的均一程度，DE₅₀值越高，代表各克隆分布比较均匀，DE₅₀值越低，克隆性越高，代表有一些特异性的克隆发生了扩增。公式的计算方法为：克隆频率高于50%的所有克隆数目与克隆群中所有克隆数目的比值。

[1]Postow M A, Manuel M, Wong P, et al. Peripheral T cell receptor diversity is associated with clinical outcomes following ipilimumab treatment in metastatic melanoma[J]. Journal for immunotherapy of cancer, 2015, 3(1): 23.

[2]Hogan S A, Courtier A, Cheng P F, et al. Peripheral blood TCR repertoire profiling may facilitate patient stratification for immunotherapy against melanoma[J]. Cancer immunology research, 2019, 7(1): 77-85.