Dictionary learning for integrative, multimodal and scalable single-cell analysis

计算机科学 可扩展性 计算生物学 染色质 质量细胞仪 人工智能 数据挖掘 情报检索 生物 基因 数据库 生物化学 表型
作者
Yuhan Hao,Tim Stuart,Madeline H. Kowalski,Saket Choudhary,Paul Hoffman,Austin Hartman,Avi Srivastava,Gesmira Molla,Shaista Madad,Carlos Fernandez‐Granda,Rahul Satija
出处
期刊:Nature Biotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:42 (2): 293-304 被引量:4744
标识
DOI:10.1038/s41587-023-01767-y
摘要

Mapping single-cell sequencing profiles to comprehensive reference datasets provides a powerful alternative to unsupervised analysis. However, most reference datasets are constructed from single-cell RNA-sequencing data and cannot be used to annotate datasets that do not measure gene expression. Here we introduce ‘bridge integration’, a method to integrate single-cell datasets across modalities using a multiomic dataset as a molecular bridge. Each cell in the multiomic dataset constitutes an element in a ‘dictionary’, which is used to reconstruct unimodal datasets and transform them into a shared space. Our procedure accurately integrates transcriptomic data with independent single-cell measurements of chromatin accessibility, histone modifications, DNA methylation and protein levels. Moreover, we demonstrate how dictionary learning can be combined with sketching techniques to improve computational scalability and harmonize 8.6 million human immune cell profiles from sequencing and mass cytometry experiments. Our approach, implemented in version 5 of our Seurat toolkit ( http://www.satijalab.org/seurat ), broadens the utility of single-cell reference datasets and facilitates comparisons across diverse molecular modalities. Reference mapping is extended beyond scRNA-seq to single-cell epigenetic and proteomic data.
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