Mapping transcriptomic vector fields of single cells

生物 转录组 载体(分子生物学) 计算生物学 单细胞分析 基因 细胞 基因表达 遗传学 重组DNA
作者
Xiaojie Qiu,Yan Zhang,Jorge D. Martin-Rufino,Chen Weng,Shayan Hosseinzadeh,Dian Yang,Angela N. Pogson,Marco Y. Hein,Kyung Hoi Min,Li Wang,Emanuelle I. Grody,Matthew J. Shurtleff,Ruoshi Yuan,Song Xu,Yi-An Ma,Joseph M. Replogle,Eric S. Lander,Spyros Darmanis,İvet Bahar,Vijay G. Sankaran
出处
期刊:Cell [Cell Press]
卷期号:185 (4): 690-711.e45 被引量:297
标识
DOI:10.1016/j.cell.2021.12.045
摘要

Single-cell (sc)RNA-seq, together with RNA velocity and metabolic labeling, reveals cellular states and transitions at unprecedented resolution. Fully exploiting these data, however, requires kinetic models capable of unveiling governing regulatory functions. Here, we introduce an analytical framework dynamo (https://github.com/aristoteleo/dynamo-release), which infers absolute RNA velocity, reconstructs continuous vector fields that predict cell fates, employs differential geometry to extract underlying regulations, and ultimately predicts optimal reprogramming paths and perturbation outcomes. We highlight dynamo's power to overcome fundamental limitations of conventional splicing-based RNA velocity analyses to enable accurate velocity estimations on a metabolically labeled human hematopoiesis scRNA-seq dataset. Furthermore, differential geometry analyses reveal mechanisms driving early megakaryocyte appearance and elucidate asymmetrical regulation within the PU.1-GATA1 circuit. Leveraging the least-action-path method, dynamo accurately predicts drivers of numerous hematopoietic transitions. Finally, in silico perturbations predict cell-fate diversions induced by gene perturbations. Dynamo, thus, represents an important step in advancing quantitative and predictive theories of cell-state transitions.
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