The absence of a conventional association between the cell-cell cohabitation and its emergent dynamics into cliques during development has hindered our understanding of how cell populations proliferate, differentiate, and compete, i.e. the cell ecology. With the recent advancement of the single-cell RNA-sequencing (RNA-seq), we can potentially describe such a link by constructing network graphs that characterize the similarity of the gene expression profiles of the cell-specific transcriptional programs, and analyzing these graphs systematically using the summary statistics informed by the algebraic topology. We propose the single-cell topological simplicial analysis (scTSA). Applying this approach to the single-cell gene expression profiles from local networks of cells in different developmental stages with different outcomes reveals a previously unseen topology of cellular ecology. These networks contain an abundance of cliques of single-cell profiles bound into cavities that guide the emergence of more complicated habitation forms. We visualize these ecological patterns with topological simplicial architectures of these networks, compared with the null models. Benchmarked on the single-cell RNA-seq data of zebrafish embryogenesis spanning 38,731 cells, 25 cell types and 12 time steps, our approach highlights the gastrulation as the most critical stage, consistent with consensus in developmental biology. As a nonlinear, model-independent, and unsupervised framework, our approach can also be applied to tracing multi-scale cell lineage, identifying critical stages, or creating pseudo-time series.


翻译:在开发过程中,细胞共生及其突发动态之间没有常规联系,这妨碍了我们了解细胞群是如何扩散、区别和竞争的,即细胞生态。随着最近单细胞RNA序列(RNA-seq)的发展,我们有可能通过建立网络图解来描述这种联系,这些图解特征与细胞特定笔录程序的基因表达特征相似,并系统地利用由高分层表层表层学提供的简要统计来分析这些图解。我们提议单细胞表层分析(scTSA),将这一方法应用于不同发展阶段的细胞网络的单细胞基因表达特征图谱,其结果各不相同。随着以前对细胞生态学的隐蔽学,这些网络包含大量单一细胞谱谱状的精密性,这些图解与细胞表层的精密性结构相比,我们对这些网络的表层结构结构进行了系统化分析。在单细胞模型、RNA-S-seria-seque-servical Servical Systems-de-de-defrole Probil Prode-deal graphisal graphil graphisal rographisal Proview rographal graphisl Proview rolal view rocal view rographisal rogal rogal rogal graphisal rophol rogisal rophal rogal rogismal rophol romam rogal rodu, rodu,我们这些生态系。我们这些生态模型中, 和12 12 12 12 12 12 12-sibil-sibal-sibismismismismismismisml roducisml- 12 rogle 12 12 rophismal 和22-sibisml-sibal-sibal-sibal-sibal robal robal-deal-de-de-de-de rocal-deal-de rocismismal-sl rogal rogle rogle ro

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