Define and visualize pathological architectures of human tissues from spatially resolved transcriptomics using deep learning

转录组 卷积神经网络 计算机科学 人工智能 深度学习 背景(考古学) 计算生物学 模式识别(心理学) 空间语境意识 生物 基因 基因表达 古生物学 生物化学
作者
Yuzhou Chang,Fei He,Juexin Wang,Shuo Chen,Jingyi Li,Jixin Liu,Yongmei Yu,Li Su,Anjun Ma,Carter Allen,Lin Yang,Shaoli Sun,Bingqiang Liu,José Otero,Dongjun Chung,Hongjun Fu,Zihai Li,Dong Xu,Qin Ma
出处
期刊:Computational and structural biotechnology journal [Elsevier BV]
卷期号:20: 4600-4617 被引量:17
标识
DOI:10.1016/j.csbj.2022.08.029
摘要

Spatially resolved transcriptomics provides a new way to define spatial contexts and understand the pathogenesis of complex human diseases. Although some computational frameworks can characterize spatial context via various clustering methods, the detailed spatial architectures and functional zonation often cannot be revealed and localized due to the limited capacities of associating spatial information. We present RESEPT, a deep-learning framework for characterizing and visualizing tissue architecture from spatially resolved transcriptomics. Given inputs such as gene expression or RNA velocity, RESEPT learns a three-dimensional embedding with a spatial retained graph neural network from spatial transcriptomics. The embedding is then visualized by mapping into color channels in an RGB image and segmented with a supervised convolutional neural network model. Based on a benchmark of 10x Genomics Visium spatial transcriptomics datasets on the human and mouse cortex, RESEPT infers and visualizes the tissue architecture accurately. It is noteworthy that, for the in-house AD samples, RESEPT can localize cortex layers and cell types based on pre-defined region- or cell-type-enriched genes and furthermore provide critical insights into the identification of amyloid-beta plaques in Alzheimer's disease. Interestingly, in a glioblastoma sample analysis, RESEPT distinguishes tumor-enriched, non-tumor, and regions of neuropil with infiltrating tumor cells in support of clinical and prognostic cancer applications.

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