Kinetic Foundation of the Zero-Inflated Negative Binomial Model for Single-Cell RNA Sequencing Data

过度分散 负二项分布 统计物理学 计数数据 离群值 爆裂 数学 统计 生物 计量经济学 泊松分布 物理 神经科学
作者
Jia Chen
出处
期刊:Siam Journal on Applied Mathematics [Society for Industrial and Applied Mathematics]
卷期号:80 (3): 1336-1355 被引量:31
标识
DOI:10.1137/19m1253198
摘要

Single-cell RNA sequencing data have complex features such as dropout events, overdispersion, and high-magnitude outliers, resulting in complicated probability distributions of mRNA abundances that are statistically characterized in terms of a zero-inflated negative binomial (ZINB) model. Here we provide a mesoscopic kinetic foundation for the widely used ZINB model based on the biochemical reaction kinetics underlying transcription. Using multiscale modeling and simplification techniques, we show that the ZINB distribution of mRNA abundance and the related phenomenon of transcriptional bursting naturally emerge from a three-state stochastic transcription model. We further reveal a nontrivial quantitative relationship between dropout events and transcriptional bursting, which provides novel insights into how the burst size and burst frequency affect the dropout rate. Two different biophysical origins of overdispersion are also clarified at the single-cell level.
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