Orthogonal disentanglement of single-cell multi-omics reveals private and shared drivers of tissue development and pathogenesis

生物 基因调控网络 计算生物学 增强子 基因表达调控 模块化设计 计算机科学 基因表达谱 推论 聚类分析 稳健性(进化) 功能(生物学) 杠杆(统计) 子网 基因表达 成对比较 异步通信 组分(热力学) 系统生物学 生物网络 基因 RNA干扰 生物信息学 无监督学习 协方差
作者
Yi Fan,Yanchi Su,Gaoyang Hao,Fuzhou Wang,Xingjian Chen,Ka-Chun Wong,Xiangtao Li
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:123 (12): e2519870123-e2519870123 被引量:1
标识
DOI:10.1073/pnas.2519870123
摘要

Characterizing gene expression and regulatory dynamics underlying both normal tissue function and disease progression requires an integrative analysis of single-cell multi-omics data. However, the asynchrony of gene regulation and the snapshot of single-cell multi-omics data give rise to private signals unique to each omics layer and shared signals reflecting cross-modality coordination. Here, we present Omics Separation Modeling using Domain Adaptation (OmiDos), a flexible annotation-free deep learning framework that disentangles omic-specific and interomic shared latent variables in multi-omics data with private-shared component analysis. Its modular architecture enables seamless extension to incorporate adversarial learning for unpaired data misalignment and to restructure its components to leverage the maximum mean discrepancy regularization, thereby minimizing interference with biological variability. Through this disentanglement, OmiDos enables the estimation of gene expression and regulatory dynamics at finer biological granularity and empowers various downstream analyses. We demonstrated the superior performance of OmiDos in terms of clustering accuracy, batch-effect correction, and misalignment resolution across datasets spanning diverse platforms and tissue types. In mouse secondary palate development, OmiDos precisely identified a cell type–specific unlinked distal enhancer, elucidating its essential role in the regulation of epithelial cell differentiation and migration. The application of OmiDos to medulloblastoma revealed a potential role deficiency in driving partial closure of the distal enhancer region of Neurod1 may contribute to the progression of medulloblastoma from normal to tumor states.
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