要点STGBench是套测序级联合仿真平台可基于统一空间组织框架同步生成匹配的空间DNA测序BAM文件与空间基因表达计数矩阵提供完整真实变异基准支撑端到端空间突变分析流程基准测试。平台内置边界、梯度、嵌套类空间变异模式可模拟肿瘤克隆典型空间分布能精准建模拷贝数变异CNV、变异等位基因频率VAF并推导局部空间突变负荷代理指标。分层验证证实基于DNA测序使用AneuFinder可高精度还原预设空间CNV皮尔相关系数最高0.996基于转录组的InferCNV亦可稳定复现拷贝数特征DNA与转录组推导CNV一致性r≈0.77。CellSNP可准确提取仿真数据中各类空间SNV分布IGV可视化验证仿真测序读段具备真实等位平衡、拷贝数关联覆盖度变化特征达到单碱基分辨率仿真真实性。与现有空间转录组仿真工具SRTsim、scDesign3、读段突变仿真工具BAMSurgeon、ART对比STGBench独有配对空间DNA 转录组、空间CNV/SNV全局建模、输出可直接比对BAM文件大核心优势填补空间多组学突变基准工具空白。wangtianci1997yeah.netwangjiayinmail.xjtu.edu.cn#空间基因组学 #拷贝数变异 #CNV #单核苷酸变异 #SNV #肿瘤突变负荷 #TMB #多组学仿真 #空间多组学基准测试 #生成概率模型 #空间转录组 #空间DNA测序摘要空间基因组与转录组技术革新了肿瘤克隆异质性、治疗耐药性研究但当前空间拷贝数变异CNV、单核苷酸变异SNV、肿瘤突变负荷代理分析工具的开发与评估受限于带完整真实基准的配套数据集稀缺。现有仿真工具大多仅输出表达计数矩阵无法生成匹配DNA测序读段也难以将基因组变异信号逐层传递至转录组制约端到端多组学流程基准评测。本文开发面向细胞尺度的空间多组学概率仿真平台STGBench可基于几何模板或真实病理图像构建组织维网格掩码在空间网格上自定义边界、梯度、嵌套类CNV/SNV概率场生成空间拷贝数景观与位点变异等位频率依托负项分布模拟空间关联测序技术噪声同步输出空间DNA比对BAM文件与配对基因表达矩阵。多层基准测试验证STGBench仿真可靠性DNA数据使用AneuFinder还原空间CNV图谱相关性最高达0.996转录组经InferCNV推导拷贝数与DNA基准一致性r≈0.77CellSNP可完整恢复各类空间SNV模式IGV单碱基层级检视证实仿真读段具备真实等位分布、拷贝数依赖测序覆盖偏移。本工具可在统一空间骨架下联合仿真DNA、转录组多模态数据提供可控、可复现的完整真实变异基准为空间拷贝数、单突变、空间突变负荷全套分析管线提供标准化评测平台。STGBench开源发布用于空间多组学算法开发与公平性能对比。https://github.com/Icarus200110/STGBenchSTGBench整体方法框架层模块化仿真架构图1STGBench联合空间DNA-转录组仿真整体框架平台分为3大核心模块模块1组织形态建模基于圆形、方形几何模板或病理2值图像生成2维离散组织网格掩码定义有效捕获位点坐标模块2空间CNV与SNV变异场构建在组织网格上配置边界、梯度、嵌套3类空间模式生成真实基准拷贝数矩阵、各位点变异等位频率VAF推导空间突变负荷代理指标模块3测序读段与表达矩阵仿真将底层基因组变异传导至观测层生成可直接用于下游分析的空间DNA比对BAM文件、匹配基因表达计数矩阵支持完整端到端基准测试。配套数学公式组织掩码判别式、拷贝数空间函数、SNV等位频率空间函数、空间突变负荷计算公式、负2项表达噪声模型、测序模板量计算式。仿真数据分层基准验证基因组层验证CNV检测还原效果图2 DNA测序数据还原预设空间拷贝数(a) 50×50仿真组织网格完整真实CNV基准图谱(b) AneuFinder基于仿真DNA测序推导的拷贝数图谱坐标、色标与基准完全统一(c) 全位点拷贝数散点图展示基准值与推导值皮尔相关系数r≈0.855。结论AneuFinder可稳定复现连续梯度、分层嵌套各类空间拷贝数景观。跨模态一致性验证DNA vs转录组CNV图3 2种CNV空间场景下DNA与转录组推导拷贝数一致性场景A嵌套克隆模式(i) 真实基准CNV空间图(ii) InferCNV基于表达推导拷贝数图(iii) 全位点相关性散点r0.7695(iv) 仅基于表达的无监督聚类可精准区分不同克隆区域。场景B边界梯度模式对应4张子图拷贝数相关系数最高达0.996基于表达聚类清晰划分突变边界。图4 DNA推导CNV与转录组推导CNV混淆矩阵统计全部空间位点拷贝分型缺失/正常/扩增匹配情况全局皮尔相关r0.7695证实拷贝数改变可稳定传导至转录表达DNA、RNA多模态信号具备内在生物学一致性可支撑跨组学整合算法评测。SNV空间模式与突变负荷验证图54类经典空间SNV分布与对应突变负荷热力图4种仿真空间模式区域富集、径向中心梯度、左至右线性梯度、上下垂直梯度左列为预设VAF基准热力图右列为CellSNP从测序读段提取得到的SNV信号图全局空间分布高度吻合聚合位点突变信号可精准表征局部空间突变负荷异质性。单碱基测序真实性验证IGV检视图6 IGV单碱基层级仿真测序读段可视化(a) 特定位点SNV仿真结果部分读段携带突变等位其余匹配参考碱基符合真实测序等位平衡特征(b) 拷贝数缺失区域对比两侧正常2倍体区间缺失区段测序覆盖度显著平滑下降复现真实CNV覆盖偏移特征证明STGBench生成BAM文件具备单碱基、覆盖度双重真实测序特征适用于变异检出工具精细化基准测试。多仿真工具横向对比图7 主流空间多组仿真工具功能对比(a) 功能对比表格对比对象STGBench、SRTsim、scDesign3、BAMSurgeon、ART对比维度是否支持空间坐标、空间模式量化指标、配对DNARNA输出、测序读段突变插入、测序误差建模、空间CNV/SNV场、输出可比对BAM、空间索引联合多组仿真。STGBench独有优势同步生成空间配对DNA/转录组、全局CNV/SNV空间建模、直接输出标准BAM文件其余工具仅单一表达仿真或仅修改已有BAM无原生多模态空间变异架构。(b) 工具工作流概念分为2类仿真范式1 仅表达仿真SRTsim/scDesign3依托真实表达数据学习特征生成计数矩阵无基因组底层变异2 STGBench端到端空间突变仿真先构建组织与CNV/SNV真实基准同步生成DNA测序读段匹配表达矩阵面向拷贝、突变、多组学整合算法评测3 传统读段突变工具BAMSurgeon/ART仅改造已有参考BAM无完整空间组织框架不配套转录组。多梯度鲁棒性对照实验图8 测序深度、肿瘤纯度、测序噪声梯度下CNV检测相关性变化(a) 测序梯度40%–100%测序覆盖高拷贝扩增样本相关性始终接近1低幅度拷贝改变随深度下降明显(b) 肿瘤纯度梯度40%–100%肿瘤细胞占比纯度越高各类CNV检出一致性越强(c) 测序噪声梯度无/低/中/高3档过离散噪声高拷贝扩增抗干扰能力显著优于低幅度拷贝变异。4条曲线分别代表高扩增、低扩增、纯合缺失、杂合缺失4类拷贝事件实验证实STGBench可模拟临床常见混杂因素用于评估算法在低测序、低肿瘤纯度、高技术噪声下的鲁棒性。详细总结思维导图现有同类工具对比参考Brief Bioinform. 2026 Jul 3;27(4):bbag354. doi: 10.1093/bib/bbag354.STGBench: sequencing-level spatial DNA-RNA simulation for multimodal and virtual cell-oriented benchmarking of genomic alterations注AI辅助创作如有不当欢迎指出。内容仅供参考不构成任何建议。