Trajectory inference for a branching SDE model of cell differentiation

推论 追踪 计算机科学 谱系(遗传) 水准点(测量) 人口 人工智能 生物 基因 地理 遗传学 大地测量学 操作系统 社会学 人口学
作者
Elias Ventre,Aden Forrow,Nitya Gadhiwala,Parijat Chakraborty,Omer Angel,Geoffrey Schiebinger
出处
期刊:Cornell University - arXiv [Cornell University]
标识
DOI:10.48550/arxiv.2307.07687
摘要

A core challenge for modern biology is how to infer the trajectories of individual cells from population-level time courses of high-dimensional gene expression data. Birth and death of cells present a particular difficulty: existing trajectory inference methods cannot distinguish variability in net proliferation from cell differentiation dynamics, and hence require accurate prior knowledge of the proliferation rate. Building on Global Waddington-OT (gWOT), which performs trajectory inference with rigorous theoretical guarantees when birth and death can be neglected, we show how to use lineage trees available with recently developed CRISPR-based measurement technologies to disentangle proliferation and differentiation. In particular, when there is neither death nor subsampling of cells, we show that we extend gWOT to the case with proliferation with similar theoretical guarantees and computational cost, without requiring any prior information. In the case of death and/or subsampling, our method introduces a bias, that we describe explicitly and argue to be inherent to these lineage tracing data. We demonstrate in both cases the ability of this method to reliably reconstruct the landscape of a branching SDE from time-courses of simulated datasets with lineage tracing, outperforming even a benchmark using the experimentally unavailable true branching rates.

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