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STIGMA: Single-cell tissue-specific gene prioritization using machine learning

生物 候选基因 基因 转录组 外显子组测序 遗传学 计算生物学 外显子组 疾病 基因表达 表型 医学 病理
作者
Saranya Balachandran,Cesar A. Prada-Medina,Martin A. Mensah,Naseebullah Kakar,Inga Nagel,Jelena Pozojevic,Enrique Audain,Marc‐Phillip Hitz,Martin Kircher,Varun K. A. Sreenivasan,Malte Spielmann
出处
期刊:American Journal of Human Genetics [Elsevier BV]
标识
DOI:10.1016/j.ajhg.2023.12.011
摘要

Clinical exome and genome sequencing have revolutionized the understanding of human disease genetics. Yet many genes remain functionally uncharacterized, complicating the establishment of causal disease links for genetic variants. While several scoring methods have been devised to prioritize these candidate genes, these methods fall short of capturing the expression heterogeneity across cell subpopulations within tissues. Here, we introduce single-cell tissue-specific gene prioritization using machine learning (STIGMA), an approach that leverages single-cell RNA-seq (scRNA-seq) data to prioritize candidate genes associated with rare congenital diseases. STIGMA prioritizes genes by learning the temporal dynamics of gene expression across cell types during healthy organogenesis. To assess the efficacy of our framework, we applied STIGMA to mouse limb and human fetal heart scRNA-seq datasets. In a cohort of individuals with congenital limb malformation, STIGMA prioritized 469 variants in 345 genes, with UBA2 as a notable example. For congenital heart defects, we detected 34 genes harboring nonsynonymous de novo variants (nsDNVs) in two or more individuals from a set of 7,958 individuals, including the ortholog of Prdm1, which is associated with hypoplastic left ventricle and hypoplastic aortic arch. Overall, our findings demonstrate that STIGMA effectively prioritizes tissue-specific candidate genes by utilizing single-cell transcriptome data. The ability to capture the heterogeneity of gene expression across cell populations makes STIGMA a powerful tool for the discovery of disease-associated genes and facilitates the identification of causal variants underlying human genetic disorders.

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