Cell cycle gene regulation dynamics revealed by RNA velocity and deep-learning.

Journal: Nature communications
Published Date:

Abstract

Despite the fact that the cell cycle is a fundamental process of life, a detailed quantitative understanding of gene regulation dynamics throughout the cell cycle is far from complete. Single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) technology gives access to these dynamics without externally perturbing the cell. Here, by generating scRNA-seq libraries in different cell systems, we observe cycling patterns in the unspliced-spliced RNA space of cell cycle-related genes. Since existing methods to analyze scRNA-seq are not efficient to measure cycling gene dynamics, we propose a deep learning approach (DeepCycle) to fit these patterns and build a high-resolution map of the entire cell cycle transcriptome. Characterizing the cell cycle in embryonic and somatic cells, we identify major waves of transcription during the G1 phase and systematically study the stages of the cell cycle. Our work will facilitate the study of the cell cycle in multiple cellular models and different biological contexts.

Authors

  • Andrea Riba
    Institut de Génétique et de Biologie Moléculaire et Cellulaire (IGBMC); Université de Strasbourg; Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) UMR 7104; Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM) UMR-S 1258, 1 Rue Laurent Fries, 67404, Illkirch, France. arriba87@gmail.com.
  • Attila Oravecz
    Institut de Génétique et de Biologie Moléculaire et Cellulaire (IGBMC); Université de Strasbourg; Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) UMR 7104; Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM) UMR-S 1258, 1 Rue Laurent Fries, 67404, Illkirch, France.
  • Matej Durik
    Institut de Génétique et de Biologie Moléculaire et Cellulaire (IGBMC); Université de Strasbourg; Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) UMR 7104; Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM) UMR-S 1258, 1 Rue Laurent Fries, 67404, Illkirch, France.
  • Sara Jiménez
    Institut de Génétique et de Biologie Moléculaire et Cellulaire (IGBMC); Université de Strasbourg; Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) UMR 7104; Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM) UMR-S 1258, 1 Rue Laurent Fries, 67404, Illkirch, France.
  • Violaine Alunni
    Institut de Génétique et de Biologie Moléculaire et Cellulaire (IGBMC); Université de Strasbourg; Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) UMR 7104; Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM) UMR-S 1258, 1 Rue Laurent Fries, 67404, Illkirch, France.
  • Marie Cerciat
    Institut de Génétique et de Biologie Moléculaire et Cellulaire (IGBMC); Université de Strasbourg; Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) UMR 7104; Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM) UMR-S 1258, 1 Rue Laurent Fries, 67404, Illkirch, France.
  • Matthieu Jung
    Institut de Génétique et de Biologie Moléculaire et Cellulaire (IGBMC); Université de Strasbourg; Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) UMR 7104; Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM) UMR-S 1258, 1 Rue Laurent Fries, 67404, Illkirch, France.
  • Céline Keime
    Institut de Génétique et de Biologie Moléculaire et Cellulaire (IGBMC); Université de Strasbourg; Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) UMR 7104; Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM) UMR-S 1258, 1 Rue Laurent Fries, 67404, Illkirch, France.
  • William M Keyes
    Institut de Génétique et de Biologie Moléculaire et Cellulaire (IGBMC); Université de Strasbourg; Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) UMR 7104; Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM) UMR-S 1258, 1 Rue Laurent Fries, 67404, Illkirch, France.
  • Nacho Molina
    Institut de Génétique et de Biologie Moléculaire et Cellulaire (IGBMC); Université de Strasbourg; Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) UMR 7104; Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM) UMR-S 1258, 1 Rue Laurent Fries, 67404, Illkirch, France. molinan@igbmc.fr.