Fluctuation structure predicts genome-wide perturbation outcomes
Notice bibliographique
Résumé
ABSTRACT Pooled single-cell perturbation screens represent powerful experimental platforms for functional genomics, yet interpreting these rich datasets for meaningful biological conclusions remains challenging. Most current methods fall at one of two extremes: either opaque deep learning models that obscure biological meaning, or simplified frameworks that treat genes as isolated units. As such, these approaches overlook a crucial insight: gene co-fluctuations in unperturbed cellular states can be harnessed to model perturbation responses. Here we present CIPHER (Covariance Inference for Perturbation and High-dimensional Expression Response), a conceptual framework leveraging ideas from linear response in statistical physics to model transcriptome-wide perturbation outcomes using gene co-fluctuations in unperturbed cells. We validated our approach on synthetic regulatory networks before applying it to 29 large-scale single-cell genetic perturbation datasets covering 19,003 perturbations and over 6.26 M cells. Our work robustly recapitulated genome-wide responses to single and double perturbations by exploiting baseline gene covariance structure. Importantly, eliminating gene-gene covariances, while retaining gene-intrinsic variances, i.e. “mean-field” conditions, dramatically reduced model performance by several folds across multiple metrics, demonstrating the rich information stored within baseline fluctuation structures. Benchmarked against recent deep learning and linear baselines, CIPHER matched or exceeded the best-performing approaches with fitting a single parameter. Moreover, gene-gene correlations transferred successfully across independent studies of the same cell type, revealing stereotypic fluctuation structures. We further extended CIPHER to the inverse problem of identifying true driver perturbations, where it achieved high performance across both genetic and chemical perturbation screens through uncertainty-aware Bayesian inference. We further used CIPHER to nominate drivers of therapy resistance in melanoma and pancreatic cancer, validating its top predictions experimentally. Finally, most genome-wide responses propagated through the covariance matrix along approximately 1-3 independent and global gene modules, consistent with a low-rank structure of the underlying gene regulatory network, which we show can enable the framework’s success. We have also created a package called cipher-perturb , available on PyPI, to apply the framework to any dataset, accompanied by a detailed website ( https://goyallab.github.io/CIPHERWebsite/ ). Our study underscores the importance of theoretically-grounded models in capturing complex biological responses, highlighting fundamental design principles encoded in cellular fluctuation patterns.
Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.
Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,004 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».