scESI: evolutionary sparse imputation for single-cell transcriptomes from nearest neighbor cells

计算机科学 插补(统计学) 水准点(测量) 分类 计算生物学 人工智能 机器学习 数据挖掘 生物 算法 缺少数据 大地测量学 地理
作者
Qiaoming Liu,Ximei Luo,Jie Li,Guohua Wang
出处
期刊:Briefings in Bioinformatics [Oxford University Press]
卷期号:23 (5) 被引量:2
标识
DOI:10.1093/bib/bbac144
摘要

Abstract The ubiquitous dropout problem in single-cell RNA sequencing technology causes a large amount of data noise in the gene expression profile. For this reason, we propose an evolutionary sparse imputation (ESI) algorithm for single-cell transcriptomes, which constructs a sparse representation model based on gene regulation relationships between cells. To solve this model, we design an optimization framework based on nondominated sorting genetics. This framework takes into account the topological relationship between cells and the variety of gene expression to iteratively search the global optimal solution, thereby learning the Pareto optimal cell–cell affinity matrix. Finally, we use the learned sparse relationship model between cells to improve data quality and reduce data noise. In simulated datasets, scESI performed significantly better than benchmark methods with various metrics. By applying scESI to real scRNA-seq datasets, we discovered scESI can not only further classify the cell types and separate cells in visualization successfully but also improve the performance in reconstructing trajectories differentiation and identifying differentially expressed genes. In addition, scESI successfully recovered the expression trends of marker genes in stem cell differentiation and can discover new cell types and putative pathways regulating biological processes.
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