单细胞多组学速度模型学会扰动:在Arid1a缺失B细胞里点名三个可救靶点,小鼠验证全部奏效
核心概要
DynaVelo把单细胞多组学中的RNA表达与转录因子基序可及性放进同一个神经微分方程,学出可被干预的速度场,而不只是画轨迹。在野生型小鼠生发中心B细胞上,它复现暗区增殖、向亮区转换与再循环的分支;在Arid1a杂合缺失细胞上,它提名Ctcf、Stat3和Bcl6为挽救靶点,三种双杂合小鼠的暗区表型均被拉回。
DynaVelo把单细胞多组学中的RNA表达与转录因子基序可及性放进同一个神经微分方程,学出可被干预的速度场,而不只是画轨迹。在野生型小鼠生发中心B细胞上,它复现暗区增殖、向亮区转换与再循环的分支;在Arid1a杂合缺失细胞上,它提名Ctcf、Stat3和Bcl6为挽救靶点,三种双杂合小鼠的暗区表型均被拉回。
单细胞多组学数据现在可以给出一个能被"敲掉"的细胞速度场,而不只是按时间排出一条轨迹。 此前的MultiVelo同样用RNA与染色质可及性估计速度,但没有给出底层向量场的函数形式,因此只能画轨迹、无法在模型里做干预;Dynamo需要代谢标记数据,scDiffEq只用RNA表达。 在野生型小鼠生发中心B细胞(7166个细胞)上,学到的速度场清晰分叉为暗区中心母细胞周期、向亮区中心细胞转换、以及经再循环中心细胞回到暗区的流向,并保留了向前记忆B细胞和浆母细胞的出口。
模型把RNA表达与转录因子基序可及性当作互相驱动的两个量,在低维潜空间里联合求解动力学。 基序可及性由chromVAR从scATAC得到,作为转录因子调控活性的代理;此前基于RNA的速度模型只用剪接与未剪接计数。 训练时用scVelo对约400至1000个速度基因给出的RNA速度做余弦相似度监督,并加一项一致性损失,使RNA与基序两条速度在各自潜空间中走出相似轨迹。
在突变细胞上做计算机内扰动,可以提名能把缺失表型拉回野生型的靶点。 Arid1a杂合生发中心B细胞丢失了中心细胞回到暗区的再循环轨迹,前记忆B细胞比例从野生型的5.42%升到20.09%。 在Arid1a杂合模型中逐一扰动候选基因,按速度向野生型偏移的比例排序,Ctcf、Stat3和Bcl6居前;Arid1a;Ctcf双杂合小鼠的多组学显示快速向记忆前体退出被部分逆转,中心细胞中RNA速度挽救率为64%。
三个提名靶点都经过了活体小鼠的独立检验。 计算机内提名本身不构成功能证据,需要遗传学实验确认。 新构建的Arid1a;Bcl6和Arid1a;Stat3双杂合小鼠,加上已有的Arid1a;Ctcf双杂合小鼠,其生发中心暗区与亮区比值均回到野生型水平。
报告覆盖的是小鼠生发中心B细胞这一设定:野生型、Arid1a杂合、Ctcf杂合,以及新构建的Arid1a;Ctcf、Arid1a;Bcl6、Arid1a;Stat3双杂合模型。适用于关心单细胞动力学建模与B细胞淋巴瘤相关调控的研究者。原文未提出下一步实验计划。
作者指出,正则化强度κ3不存在对所有下游任务都最优的取值:偏高使潜时间更平滑但可能牺牲扰动后速度变化的准确性,偏低则相反,因此需按任务选择。Jacobian与计算机内扰动给出的调控边并不完全一致,因为前者是无穷小扰动、后者是有限扰动。已知调控边在文献中以静态形式报告,动态比较只能落在细胞状态层面。