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Mapping transcriptomic vector fields of single cells

发电机 生物 计算生物学 核糖核酸 生物信息学 初始化 基因 物理 细胞生物学 计算机科学 遗传学 磁场 量子力学 程序设计语言
作者
Xiaojie Qiu,Yan Zhang,Jorge D. Martin-Rufino,Chen Weng,Shayan Hosseinzadeh,Dian Yang,Angela N. Pogson,Marco Y. Hein,Kyung Hoi Min,Li Wang,Emanuelle I. Grody,Matthew J. Shurtleff,Ruoshi Yuan,Song Xu,Yi-An Ma,Joseph M. Replogle,Eric S. Lander,Spyros Darmanis,İvet Bahar,Vijay G. Sankaran,Jianhua Xing,Jonathan S. Weissman
出处
期刊:Cell [Elsevier]
卷期号:185 (4): 690-711.e45 被引量:229
标识
DOI:10.1016/j.cell.2021.12.045
摘要

Single-cell (sc)RNA-seq, together with RNA velocity and metabolic labeling, reveals cellular states and transitions at unprecedented resolution. Fully exploiting these data, however, requires kinetic models capable of unveiling governing regulatory functions. Here, we introduce an analytical framework dynamo (https://github.com/aristoteleo/dynamo-release), which infers absolute RNA velocity, reconstructs continuous vector fields that predict cell fates, employs differential geometry to extract underlying regulations, and ultimately predicts optimal reprogramming paths and perturbation outcomes. We highlight dynamo’s power to overcome fundamental limitations of conventional splicing-based RNA velocity analyses to enable accurate velocity estimations on a metabolically labeled human hematopoiesis scRNA-seq dataset. Furthermore, differential geometry analyses reveal mechanisms driving early megakaryocyte appearance and elucidate asymmetrical regulation within the PU.1-GATA1 circuit. Leveraging the least-action-path method, dynamo accurately predicts drivers of numerous hematopoietic transitions. Finally, in silico perturbations predict cell-fate diversions induced by gene perturbations. Dynamo, thus, represents an important step in advancing quantitative and predictive theories of cell-state transitions.
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