Squidiff: Predicting cellular development and responses to perturbations using a diffusion model

生物信息学 稳健性(进化) 计算机科学 转录组 药物开发 计算生物学 药物发现 生物 神经科学 生物信息学 药品 基因 基因表达 遗传学 药理学
作者
Siyu He,Yuefei Zhu,Daniel Naveed Tavakol,Haotian Ye,Yeh‐Hsing Lao,Zixian Zhu,Cong Xu,Sharadha Chauhan,Guy Garty,Raju Tomer,Gordana Vunjak‐Novakovic,James Zou,Elham Azizi,Kam W. Leong
标识
DOI:10.1101/2024.11.16.623974
摘要

Single-cell sequencing has revolutionized our understanding of cellular heterogeneity and responses to environmental stimuli. However, mapping transcriptomic changes across diverse cell types in response to various stimuli and elucidating underlying disease mechanisms remains challenging. Studies involving physical stimuli, such as radiotherapy, or chemical stimuli, like drug testing, demand labor-intensive experimentation, hindering mechanistic insight and drug discovery. Here we present Squidiff, a diffusion model-based generative framework that predicts transcriptomic changes across diverse cell types in response to environmental changes. We demonstrate Squidiff's robustness across cell differentiation, gene perturbation, and drug response prediction. Through continuous denoising and semantic feature integration, Squidiff learns transient cell states and predicts high-resolution transcriptomic landscapes over time and conditions. Furthermore, we applied Squidiff to model blood vessel organoid development and cellular responses to neutron irradiation and growth factors. Our results demonstrate that Squidiff enables in silico screening of molecular landscapes, facilitating rapid hypothesis generation and providing valuable insights for precision medicine.
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