RNAvelocity系列教程10:# scVelo应用-微分动力学

微分动力学

一个重要的问题是处理代表多个谱系和过程的系统,其中基因可能在亚群中表现出不同的动力学行为。不同的细胞状态和谱系通常受基因调控网络中不同变异的制约,因此可能表现出不同的拼接动力学。这产生了在相空间中显示多个轨迹的基因。

为此,动力学模型可用于对微分动力学进行可能性比率检验。这样,我们就可以检测显示动力学行为的群,这些动力学行为无法通过整体动力学的单个模型很好地解释。将细胞类型聚类到它们不同的动力学体系中,然后允许将每个系统分开匹配。

我们应用微分动力学分析来牙齿陀螺神经形成数据集来示例,它包括多个异质亚群。

[ ]:
# update to the latest version, if not done yet.
!pip install scvelo --upgrade --quiet
[1]:
import scvelo as scv
scv.logging.print_version()
Running scvelo 0.2.0 (python 3.8.2) on 2020-05-15 00:57.
[2]:
scv.settings.verbosity = 3  # show errors(0), warnings(1), info(2), hints(3)
scv.settings.presenter_view = True  # set max width size for presenter view
scv.settings.set_figure_params('scvelo')  # for beautified visualization

准备数据

预处理包括基因选择、log标准化和计算时刻。有关进一步解释,请参阅以前的教程。

[3]:
adata = scv.datasets.dentategyrus()
[4]:
scv.pp.filter_and_normalize(adata, min_shared_counts=30, n_top_genes=2000)
scv.pp.moments(adata, n_pcs=30, n_neighbors=30)
Filtered out 11019 genes that are detected in less than 30 counts (shared).
Normalized count data: X, spliced, unspliced.
Logarithmized X.
computing neighbors
    finished (0:00:02) --> added
    'distances' and 'connectivities', weighted adjacency matrices (adata.obsp)
computing moments based on connectivities
    finished (0:00:00) --> added
    'Ms' and 'Mu', moments of spliced/unspliced abundances (adata.layers)

基本速率估计

[5]:
scv.tl.velocity(adata)
scv.tl.velocity_graph(adata)
computing velocities
    finished (0:00:00) --> added
    'velocity', velocity vectors for each individual cell (adata.layers)
computing velocity graph
    finished (0:00:05) --> added
    'velocity_graph', sparse matrix with cosine correlations (adata.uns)
[6]:
scv.pl.velocity_embedding_stream(adata, basis='umap')
computing velocity embedding
    finished (0:00:00) --> added
    'velocity_umap', embedded velocity vectors (adata.obsm)
image-20210712204319198

微分动力学检测

不同的细胞类型和谱系可能表现出不同的动力学体系,因为这些可能由不同的网络结构来支配。即使细胞类型或谱系相关,由于可变剪切、可变多腺苷酸化和降解调节,动力学也可以是微分的。

动态模型使我们能够通过微分动力学的可能性比率检测来解决这个问题,以检测显示动力学行为的群/谱系,而整个动力学的单个模型无法充分解释这些行为。每个细胞类型都经过检验,独立拟合是否产生显著改善的可能性。

可以通过卡方分布之后可能性比率检验其显著性。请注意,出于效率原因,默认情况下使用正交回归而不是全相轨迹来检验集群,看是否能由整体动力学或表现出不同的动力学很好地解释。

[7]:
var_names = ['Tmsb10', 'Fam155a', 'Hn1', 'Rpl6']
scv.tl.differential_kinetic_test(adata, var_names=var_names, groupby='clusters')
recovering dynamics    finished (0:00:02) --> added    'fit_pars', fitted parameters for splicing dynamics (adata.var)outputs model fit of gene: Rpl6testing for differential kinetics    finished (0:00:00) --> added    'fit_diff_kinetics', clusters displaying differential kinetics (adata.var)    'fit_pval_kinetics', p-values of differential kinetics (adata.var)outputs model fit of gene: Rpl6[7]:<scvelo.tools.dynamical_model.DynamicsRecovery at 0x12390f4a8>[8]:scv.get_df(adata[:, var_names], ['fit_diff_kinetics', 'fit_pval_kinetics'], precision=2)[8]:
image-20210712204628973
[9]:kwargs = dict(linewidth=2, add_linfit=True, frameon=False)scv.pl.scatter(adata, basis=var_names, add_outline='fit_diff_kinetics', **kwargs)
image-20210712204342074

例如,在Tmsb10中,内皮细胞显示一种动力学行为(黑线),这不能用整体动力学(紫色曲线)来很好地解释。

[10]:diff_clusters=list(adata[:, var_names].var['fit_diff_kinetics'])scv.pl.scatter(adata, legend_loc='right', size=60, title='diff kinetics',               add_outline=diff_clusters, outline_width=(.8, .2))
image-20210712204400047

检测top基因

通过筛选高可能性基因,我们发现一些基因的动态显示多种动力学行为。

[11]:scv.tl.recover_dynamics(adata)#adata.write('data/pancreas.h5ad', compression='gzip')#adata = scv.read('data/pancreas.h5ad')
recovering dynamics    finished (0:06:39) --> added    'fit_pars', fitted parameters for splicing dynamics (adata.var)[12]:top_genes = adata.var['fit_likelihood'].sort_values(ascending=False).index[:100]scv.tl.differential_kinetic_test(adata, var_names=top_genes, groupby='clusters')
testing for differential kinetics    finished (0:00:21) --> added    'fit_diff_kinetics', clusters displaying differential kinetics (adata.var)    'fit_pval_kinetics', p-values of differential kinetics (adata.var)

特别是在不同于主要的细胞类型 - 如 Cck/Tox、GABA、内皮细胞和微胶质细胞中,更常见。

[13]:scv.pl.scatter(adata, basis=top_genes[:15], ncols=5, add_outline='fit_diff_kinetics', **kwargs)
image-20210712204425910
[14]:scv.pl.scatter(adata, basis=top_genes[15:30], ncols=5, add_outline='fit_diff_kinetics', **kwargs)
image-20210712204452861

重新计算速率

最后,可以利用多种相互竞争的动力学系统的信息重新计算速率。

[15]:scv.tl.velocity(adata, diff_kinetics=True)scv.tl.velocity_graph(adata)
computing velocities    finished (0:00:00) --> added    'velocity', velocity vectors for each individual cell (adata.layers)computing velocity graph    finished (0:00:05) --> added    'velocity_graph', sparse matrix with cosine correlations (adata.uns)[16]:scv.pl.velocity_embedding(adata, dpi=120, arrow_size=2, arrow_length=2)
computing velocity embedding    finished (0:00:00) --> added    'velocity_umap', embedded velocity vectors (adata.obsm)
image-20210712204518019
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 160,165评论 4 364
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 67,720评论 1 298
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 109,849评论 0 244
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 44,245评论 0 213
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 52,596评论 3 288
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 40,747评论 1 222
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 31,977评论 2 315
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 30,708评论 0 204
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 34,448评论 1 246
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 30,657评论 2 249
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 32,141评论 1 261
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 28,493评论 3 258
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 33,153评论 3 238
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 26,108评论 0 8
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 26,890评论 0 198
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 35,799评论 2 277
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 35,685评论 2 272

推荐阅读更多精彩内容