Multi-omic single-cell velocity models epigenome–transcriptome interactions and improves cell fate prediction

表观基因组 转录组 染色质 表观遗传学 计算生物学 转录因子 生物 基因 基因表达 计算机科学 遗传学 DNA甲基化
作者
Chen Li,Maria Virgilio,Kathleen L. Collins,Joshua D. Welch
出处
期刊:Nature Biotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:41 (3): 387-398 被引量:153
标识
DOI:10.1038/s41587-022-01476-y
摘要

Multi-omic single-cell datasets, in which multiple molecular modalities are profiled within the same cell, offer an opportunity to understand the temporal relationship between epigenome and transcriptome. To realize this potential, we developed MultiVelo, a differential equation model of gene expression that extends the RNA velocity framework to incorporate epigenomic data. MultiVelo uses a probabilistic latent variable model to estimate the switch time and rate parameters of chromatin accessibility and gene expression and improves the accuracy of cell fate prediction compared to velocity estimates from RNA only. Application to multi-omic single-cell datasets from brain, skin and blood cells reveals two distinct classes of genes distinguished by whether chromatin closes before or after transcription ceases. We also find four types of cell states: two states in which epigenome and transcriptome are coupled and two distinct decoupled states. Finally, we identify time lags between transcription factor expression and binding site accessibility and between disease-associated SNP accessibility and expression of the linked genes. MultiVelo is available on PyPI, Bioconda and GitHub ( https://github.com/welch-lab/MultiVelo ). MultiVelo extends the concept of RNA velocity to multimodal single-cell measurements.
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