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GRACE: Unveiling Gene Regulatory Networks With Causal Mechanistic Graph Neural Networks in Single-Cell RNA-Sequencing Data

因果推理 推论 计算生物学 基因 基因调控网络 因果模型 生物 遗传学 人工神经网络 机器学习 自编码 计算机科学 人工智能 基因表达 数学 计量经济学 统计
作者
Jiacheng Wang,Yaojia Chen,Quan Zou
出处
期刊:IEEE transactions on neural networks and learning systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:: 1-13
标识
DOI:10.1109/tnnls.2024.3412753
摘要

Reconstructing gene regulatory networks (GRNs) using single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) data holds great promise for unraveling cellular fate development and heterogeneity. While numerous machine-learning methods have been proposed to infer GRNs from scRNA-seq gene expression data, many of them operate solely in a statistical or black box manner, limiting their capacity for making causal inferences between genes. In this study, we introduce GRN inference with Accuracy and Causal Explanation (GRACE), a novel graph-based causal autoencoder framework that combines a structural causal model (SCM) with graph neural networks (GNNs) to enable GRN inference and gene causal reasoning from scRNA-seq data. By explicitly modeling causal relationships between genes, GRACE facilitates the learning of regulatory context and gene embeddings. With the learned gene signals, our model successfully decoding the causal structures and alleviates the accurate determination of multiple attributes of gene regulation that is important to determine the regulatory levels. Through extensive evaluations on seven benchmarks, we demonstrate that GRACE outperforms 14 state-of-the-art GRN inference methods, with the incorporation of causal mechanisms significantly enhancing the accuracy of GRN and gene causality inference. Furthermore, the application to human peripheral blood mononuclear cell (PBMC) samples reveals cell type-specific regulators in monocyte phagocytosis and immune regulation, validated through network analysis and functional enrichment analysis.
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