Modern high-throughput biological datasets with thousands of perturbations provide the opportunity for large-scale discovery of causal graphs that represent the regulatory interactions between genes. Differentiable causal graphical models have been proposed to infer a gene regulatory network (GRN) from large scale interventional datasets, capturing the causal gene regulatory relationships from genetic perturbations. However, existing models are limited in their expressivity and scalability while failing to address the dynamic nature of biological processes such as cellular differentiation. We propose PerturbODE, a novel framework that incorporates biologically informative neural ordinary differential equations (neural ODEs) to model cell state trajectories under perturbations and derive the causal GRN from the neural ODE's parameters. We demonstrate PerturbODE's efficacy in trajectory prediction and GRN inference across simulated and real over-expression datasets.


翻译:现代高通量生物数据集包含数千种扰动,为大规模发现表示基因间调控相互作用的因果图提供了机会。可微分因果图模型已被提出用于从大规模干预数据集中推断基因调控网络(GRN),以捕捉遗传扰动中的因果基因调控关系。然而,现有模型在表达能力和可扩展性方面存在局限,且未能解决诸如细胞分化等生物过程的动态特性。我们提出PerturbODE,一种新颖的框架,该框架整合了具有生物学信息性的神经常微分方程(neural ODEs)来建模扰动下的细胞状态轨迹,并从神经ODE的参数中推导出因果GRN。我们在模拟和真实的过表达数据集中展示了PerturbODE在轨迹预测和GRN推断方面的有效性。

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