Gene expression cartography

表达式(计算机科学) 基因表达 地图学 进化生物学 生物 地理 计算生物学 基因 遗传学 计算机科学 程序设计语言
作者
Mor Nitzan,Nikos Karaiskos,Nir Friedman,Nikolaus Rajewsky
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:576 (7785): 132-137 被引量:314
标识
DOI:10.1038/s41586-019-1773-3
摘要

Multiplexed RNA sequencing in individual cells is transforming basic and clinical life sciences1–4. Often, however, tissues must first be dissociated, and crucial information about spatial relationships and communication between cells is thus lost. Existing approaches to reconstruct tissues assign spatial positions to each cell, independently of other cells, by using spatial patterns of expression of marker genes5,6—which often do not exist. Here we reconstruct spatial positions with little or no prior knowledge, by searching for spatial arrangements of sequenced cells in which nearby cells have transcriptional profiles that are often (but not always) more similar than cells that are farther apart. We formulate this task as a generalized optimal-transport problem for probabilistic embedding and derive an efficient iterative algorithm to solve it. We reconstruct the spatial expression of genes in mammalian liver and intestinal epithelium, fly and zebrafish embryos, sections from the mammalian cerebellum and whole kidney, and use the reconstructed tissues to identify genes that are spatially informative. Thus, we identify an organization principle for the spatial expression of genes in animal tissues, which can be exploited to infer meaningful probabilities of spatial position for individual cells. Our framework (‘novoSpaRc’) can incorporate prior spatial information and is compatible with any single-cell technology. Additional principles that underlie the cartography of gene expression can be tested using our approach. A new computational framework, novoSpaRc, leverages single-cell data to reconstruct spatial context for cells and spatial expression across tissues and organisms, on the basis of an organization principle for gene expression.
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