Biophysically Interpretable Inference of Cell Types from Multimodal Sequencing Data

模式 计算机科学 推论 计算生物学 基因组学 数据类型 生物 人工智能 基因组 基因 遗传学 社会科学 社会学 程序设计语言
作者
Tara Chari,Gennady Gorin,Lior Pachter
标识
DOI:10.1101/2023.09.17.558131
摘要

Multimodal, single-cell genomics technologies enable simultaneous capture of multiple facets of DNA and RNA processing in the cell. This creates opportunities for transcriptome-wide, mechanistic studies of cellular processing in heterogeneous cell types, with applications ranging from inferring kinetic differences between cells, to the role of stochasticity in driving heterogeneity. However, current methods for determining cell types or 'clusters' present in multimodal data often rely on ad hoc or independent treatment of modalities, and assumptions ignoring inherent properties of the count data. To enable interpretable and consistent cell cluster determination from multimodal data, we present meK-Means (mechanistic K-Means) which integrates modalities and learns underlying, shared biophysical states through a unifying model of transcription. In particular, we demonstrate how meK-Means can be used to cluster cells from unspliced and spliced mRNA count modalities. By utilizing the causal, physical relationships underlying these modalities, we identify shared transcriptional kinetics across cells, which induce the observed gene expression profiles, and provide an alternative definition for 'clusters' through the governing parameters of cellular processes.
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