Gene expression model inference from snapshot RNA data using Bayesian non-parametrics

编码 推论 基因表达 计算生物学 快照(计算机存储) 贝叶斯概率 基因 贝叶斯推理 稳健性(进化) 核糖核酸 生物 计算机科学 基因表达调控 遗传学 人工智能 操作系统
作者
Zeliha Kilic,Max Schweiger,Camille Moyer,Douglas P. Shepherd,Steve Pressé
出处
期刊:Nature Computational Science [Nature Portfolio]
卷期号:3 (2): 174-183 被引量:28
标识
DOI:10.1038/s43588-022-00392-0
摘要

Gene expression models, which are key towards understanding cellular regulatory response, underlie observations of single-cell transcriptional dynamics. Although RNA expression data encode information on gene expression models, existing computational frameworks do not perform simultaneous Bayesian inference of gene expression models and parameters from such data. Rather, gene expression models—composed of gene states, their connectivities and associated parameters—are currently deduced by pre-specifying gene state numbers and connectivity before learning associated rate parameters. Here we propose a method to learn full distributions over gene states, state connectivities and associated rate parameters, simultaneously and self-consistently from single-molecule RNA counts. We propagate noise from fluctuating RNA counts over models by treating models themselves as random variables. We achieve this within a Bayesian non-parametric paradigm. We demonstrate our method on the Escherichia coli lacZ pathway and the Saccharomyces cerevisiae STL1 pathway, and verify its robustness on synthetic data. A method that infers gene networks and rate parameters directly from single-molecule fluorescence in situ hybridization RNA snapshot data is proposed and demonstrated on synthetic and real data, providing insights on data from S. cerevisiae and E. coli.
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