Predicting developmental states using transfer learning

Vorherzusagen, wie Zellen sich entwickeln und über diverse Vorläuferstadien ihren endgültigen Zelltyp annehmen, ist eine wichtige Frage in der Entwicklungsbiologie. Während jüngste Fortschritte in der Analyse von Einzeltellen bereits eine de- taillierte Erfassung von Entwicklungsstadien ermöglicht haben, fehlt diesen Techniken die zeitliche Auflösung, die erforderlich ist, um Vorläuferstadien mit ihren ausdifferenzierten Zuständen zu verknüpfen. Durch Einzelzellsequenzierung von RNA mehrerer aufeinanderfolgender Entwicklungsstadien ist es möglich, Entwicklungsprozesse durch pseudo-zeitliche Anordnung der Daten rechnerisch zu rekonstruieren. Allerdings können derartige deskriptive Ansätze fehlende Zeitpunkte nicht interpolieren oder extrapolieren, und es ist nicht bekannt, wie gut zelluläre Differenzierungsprozesse über verschiedene Systeme hinweg vorhersagbar sind. In dieser Studie habe ich einen maschinellen Lernansatz namens Deepcellpredictor (DCP) eingeführt, der einen maßgeschneiderten variationalen Autoencoder und Normalizing Flows integriert, um die Zelldifferenzierung anhand von Einzelzelldaten vorherzusagen. Ich habe DCP angewendet, um die Differen- zierungsverläufe der adulten Hämatopoese und der frühen Entwicklung von Zebrafischen vorherzusagen und seine Leistung mit anderen ähnlichen Vorhersage- modellen verglichen. Meine Ergebnisse zeigen, dass Autoencoder-basierte Tech- niken lineare Techniken übertreffen, wobei mein Deepcellpredictor Modell die genauesten Vorhersagen bei der Erfassung der Transkriptionsvarianz liefert. Es erwies sich, dass die Zelldifferenzierung während der frühen Embryonalentwick- lung des Zebrafischs genauer vorh-ergesagt werden konnte als die Hämatopoese bei erwachsenen Menschen. Zusätzlich habe ich gezeigt, dass die Unterschiede in der Vorhersagbarkeit zwischen embryonaler Differenzierung und erwachsener Hämatopoese auf mehr gemeinsame und koordinierte transkriptionelle Programme zurückzuführen sind, die bei der embryonalen Differenzierung im Vergleich zur erwachsenen Hämatopoese beobachtet werden.