SGAE: single-cell gene association entropy for revealing critical states of cell transitions during embryonic development

计算生物学 聚类分析 胚胎干细胞 生物 基因 细胞 基因调控网络 计算机科学 电池类型 核糖核酸 基因表达 遗传学 人工智能
作者
Jiayuan Zhong,Chongyin Han,Pei Chen,Pei Chen
出处
期刊:Briefings in Bioinformatics [Oxford University Press]
卷期号:24 (6)
标识
DOI:10.1093/bib/bbad366
摘要

The critical point or pivotal threshold of cell transition occurs in early embryonic development when cell differentiation culminates in its transition to specific cell fates, at which the cell population undergoes an abrupt and qualitative shift. Revealing such critical points of cell transitions can track cellular heterogeneity and shed light on the molecular mechanisms of cell differentiation. However, precise detection of critical state transitions proves challenging when relying on single-cell RNA sequencing data due to their inherent sparsity, noise, and heterogeneity. In this study, diverging from conventional methods like differential gene analysis or static techniques that emphasize classification of cell types, an innovative computational approach, single-cell gene association entropy (SGAE), is designed for the analysis of single-cell RNA-seq data and utilizes gene association information to reveal critical states of cell transitions. More specifically, through the translation of gene expression data into local SGAE scores, the proposed SGAE can serve as an index to quantitatively assess the resilience and critical properties of genetic regulatory networks, consequently detecting the signal of cell transitions. Analyses of five single-cell datasets for embryonic development demonstrate that the SGAE method achieves better performance in facilitating the characterization of a critical phase transition compared with other existing methods. Moreover, the SGAE value can effectively discriminate cellular heterogeneity over time and performs well in the temporal clustering of cells. Besides, biological functional analysis also indicates the effectiveness of the proposed approach.
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