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Cell Trajectory Inference based on Schrödinger Problem and a Mechanistic Model of Stochastic Gene Expression

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  • معلومة اضافية
    • Contributors:
      Mathématiques Appliquées Paris 5 (MAP5 - UMR 8145); Institut National des Sciences Mathématiques et de leurs Interactions - CNRS Mathématiques (INSMI-CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité); Méthodes computationnelles pour la prise en charge thérapeutique en oncologie : Optimisation des stratégies par modélisation mécaniste et statistique (COMPO); Centre Inria d'Université Côte d'Azur; Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de Recherche en Cancérologie de Marseille (CRCM); Aix Marseille Université (AMU)-Institut Paoli-Calmettes (IPC); Fédération nationale des Centres de lutte contre le Cancer (FNCLCC)-Fédération nationale des Centres de lutte contre le Cancer (FNCLCC)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Aix Marseille Université (AMU)-Institut Paoli-Calmettes (IPC); Fédération nationale des Centres de lutte contre le Cancer (FNCLCC)-Fédération nationale des Centres de lutte contre le Cancer (FNCLCC)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS); Institut Élie Cartan de Lorraine (IECL); Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS); Inférence Statistique et Modélisation pour les Applications Biologiques (SIMBA); Centre Inria de l'Université de Lorraine; Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Élie Cartan de Lorraine (IECL); Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS); Institut Camille Jordan (ICJ); École Centrale de Lyon (ECL); Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL); Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon); Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS); Équations aux dérivées partielles, analyse (EDPA); Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL); Laboratoire de biologie et modélisation de la cellule (LBMC UMR 5239); École normale supérieure de Lyon (ENS de Lyon); Université de Lyon-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS); Systèmes de cellules avec interactions multi-échelles (MUSICS); Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Laboratoire de biologie et modélisation de la cellule (LBMC UMR 5239); Université de Lyon-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure de Lyon (ENS de Lyon); Université de Lyon-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre Inria de Lyon; Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria); TROPIC project under Action 80PRIME 2023; ANR-22-PESN-0002,AI4scMED,MultiScale AI for SingleCell-Based Precision Medicine(2022)
    • بيانات النشر:
      CCSD
    • الموضوع:
      2025
    • Collection:
      Aix-Marseille Université: HAL
    • نبذة مختصرة :
      Cellular differentiation is the biological process that leads a cell to opt for a particular cellular identity. Recently, single-cell RNA-sequencing has enabled the simultaneous measurement of gene expression levels at specific times for a large number of individual cells and a large number of genes. Repeating such measurements at different time points gives then access to the temporal variation, or transport, of a distribution on a gene expression space. The whole temporal trajectory of distributions thus characterizes the differentiation process at population level, but trajectories of individual cells are still out of reach since most measurement techniques are destructive.The optimal transport theory that has been used so far to infer cellular differentiation trajectories from time-stamped single-cell RNA-seq data involves solving the so-called Schrödinger problem in its most common version. This implies assuming that cells move, in the gene expression space, by diffusion. Yet, real gene dynamics are much more complex.In the present work, we assume that mRNA dynamics are characterized by brief and important production of RNA, with long periods of inactivity in between, and consider the so-called Bursty model of gene dynamics. We use this model to define a reference process for the Schrödinger problem. By comparing the solutions of the Schrödinger problems with a Diffusive and a Bursty reference process, under different conditions, we show that the Bursty model provides a better approximation of the underlying gene dynamics than the standard Diffusive process when inferring cell trajectories.
    • الدخول الالكتروني :
      https://hal.science/hal-05376256
      https://hal.science/hal-05376256v1/document
      https://hal.science/hal-05376256v1/file/Manuscript_FOURNIEetal.pdf
    • Rights:
      https://about.hal.science/hal-authorisation-v1/ ; info:eu-repo/semantics/OpenAccess
    • الرقم المعرف:
      edsbas.D8DB3DE2