Discovering and validating the correlation between morphology and gene expression in bacterial sepsis CD8+ T cells using deep learning approach

Abstract

The complex interplay between the morphology and the gene expression of T cells plays a key role in the immune response. However, a comprehensive understanding of these interactions remains elusive, particularly in the context of dynamic immune-related diseases like sepsis. Here, we investigate the association between T cell gene expression profiles through single-cell RNA sequencing, and three- dimensional cellular images obtained through holotomography. Sepsis is a dynamic immune-related disease with notable changes in CD8 T-cell morphology. This study examined the relationships in CD8 T-cells within a longitudinal cohort of sepsis patients using deep learning models to elucidate underlying patterns and relationships. We identified genes specific to morphology that exhibited a high association with the longitudinal morphological changes in CD8 T-cells. Additionally, these genes bear biological significance in relation to cellular structures, such as chromatin organization. The clinical relevance of the morphology-specific genes was validated by analyzing open sepsis and coronavirus 2019 (COVID-19) single-cell RNA sequencing datasets. The genes that consistently reflect disease severity were identified, thereby enabling the filtering of genes associated with disease severity. This approach deepens our understanding of the interrelationship between gene expression and cellular morphology and underscores the potential of cellular morphology as a target to advance new diagnostic and prognostic strategies in various immune-related diseases. T 세포의 형태학과 유전자 발현 간의 복잡한 상호작용은 면역 반응에서 중요한 역할을 합니다. 그러나 이러한 상호작용에 대한 포괄적인 이해는 여전히 불확실하며, 특히 패혈증과 같은 역동적인 면역 관련 질병의 맥락에서 여전히 어려운 과제입니다. 여기서 우리는 단일 세포 RNA 시퀀싱을 통한 T 세포의 유전자 발현 프로파일과 홀로토모그래피를 통해 얻은 3차원 세포 이미지 간의 연관성을 조사합니다. 패혈증은 CD8 T 세포의 형태 변화가 두드러지는 역동적인 면역 관련 질환입니다. 이 연구는 딥러닝 모델을 활용하여 패혈증 환자의 종단 코호트 내 CD8 T 세포의 관계를 조사하여 근복적인 패턴과 관계를 규명했습니다. 그 결과 CD8 T 세포의 종단적 형태 변화와 높은 연관성을 보이는 형태 특이적 유전자를 확인하였습니다. 또한, 이러한 유전자들은 염색질 구성과 같은 세포 구조와 관련하여 생물학적으로 중요합니다. 형태 특이 유전자들의 임상적 중요성은 공개된 패혈증과 코로나바이러스 2019 (COVID-19) 단일 세포 RNA 시퀀싱 데이터셋을 분석함으로써 검증되었습니다. 질병의 중증도를 일관되게 반영하는 유전자가 확인되어 질병의 중증도와 더불어 형태 특이적 유전자를 필터링할 수 있게되었습니다. 이러한 접근 방식은 유전자 발현과 세포 형태 사이의 상호 관계에 대한 이해를 깊게 하고, 새로운 진단을 발전시키기 위한 표적으로서 세포 형태의 잠재력을 강조합니다.