细胞内区室耦合的信息几何揭示单细胞转录组状态转变

单细胞转录组分析通常利用基因表达变异性、降维和轨迹推断来表征细胞状态。然而，现有方法对于转录组信息如何在相互作用的细胞内区室之间组织起来，所能提供的洞见仍然有限。在此，我们提出区室耦合熵（Compartment Coupling Entropy, CCE），这是一种信息几何框架，用于量化剪接与未剪接RNA区室之间转录组耦合的组织结构。CCE基于区室分辨的转录组谱构建跨区室耦合算子，并利用耦合熵、有效耦合维度和耦合易感性来表征其奇异值谱。这些指标衡量转录组信息如何分布于不同耦合模态之中，并在传统基于表达的统计量之外，对转录组组织提供定量描述。将CCE应用于胰腺内分泌分化过程表明，耦合架构沿发育轨迹发生了显著重塑。在谱系推进过程中，耦合熵和有效耦合维度经历了短暂塌缩并随后重新扩展，而耦合易感性则识别出转录组快速重组的离散区间，这些区间对应于候选的细胞状态转变阶段。在不同细胞状态之间，耦合熵与经典互信息仅表现出较弱对应关系，表明谱耦合组织捕捉到了传统信息论度量未能表征的信息。组织比率和谱过剩信息进一步量化了经典描述与基于耦合的转录组结构描述之间的偏离。稳健性分析表明，该框架在自助重采样、基因子采样、谱截断和轨迹离散化条件下均保持稳定。将该方法应用于一个独立的齿状回发育数据集，发现了相似的层级化耦合谱以及由易感性定义的转变阶段，提示区室耦合架构的瞬态重组可能是细胞状态转变的一般特征。CCE为量化细胞内转录组组织的信息几何提供了一种通用方法，并通过揭示传统基于表达的分析无法获得的耦合架构，对现有单细胞分析方法形成补充。

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单细胞中细胞内区室耦合的信息几何揭示转录组状态转变

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Ji-Yong Sung， Jae-Ho Cheong

doi： https://doi.org/10.64898/2026.05.31.729162

Ji-Yong Sung 1 首尔国立大学盆唐医院； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在持有人为作者/资助方，其已授予 bioRxiv 永久展示该预印本的许可。 保留所有权利。未经许可不得再次使用。

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发布于 2026 年 6 月 3 日。

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Ji-Yong Sung， Jae-Ho Cheong

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Ji-Yong Sung， Jae-Ho Cheong

bioRxiv 2026.05.31.729162； doi： https://doi.org/10.64898/2026.05.31.729162

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.05.31.729162v1?rss=1

🏷️ 单细胞转录组 信息几何 区室耦合熵 细胞状态转变 RNA剪接 发育轨迹分析