Tissueformer: extending single-cell foundation models to predict population-level phenotypes

转录组 计算生物学 表型 人工智能 神经解剖学 DNA微阵列 生物 计算机科学 机器学习 核糖核酸 基因调控网络 RNA序列 视皮层 基因 基因组学 鉴定(生物学) 计算模型 身份(音乐) 深度学习 相似性(几何) 表达式(计算机科学) 人工神经网络 基因表达 数据挖掘 生物信息学 深度测序 基础(证据) 神经科学 神经影像学 数据类型 基因表达谱 基因表达调控
作者
Ari S. Benjamin,Anthony Zador
出处
期刊:BMC Bioinformatics [BioMed Central]
标识
DOI:10.1186/s12859-026-06490-4
摘要

BACKGROUND: Single-cell RNA sequencing technologies have enabled unprecedented insights into gene expression and opened new pathways for diagnostics and tissue annotation. At present, most computational approaches for interpreting single-cell data predict labels or properties based on isolated single-cell transcriptomic profiles. This approach overlooks the cellular composition within a sample, which is often critical for inferring tissue identity or other sample-level phenotypes. RESULTS: To address this limitation, we introduce TissueFormer, a Transformer-based neural network that infers population-level labels from groups of single-cell RNA profiles while retaining single-cell resolution. We applied TissueFormer to two tasks: predicting COVID-19 severity from single-cell RNA sequencing of blood samples, and predicting cortical area identity from spatial transcriptomic data in mouse brains. TissueFormer outperformed single-cell foundation models and machine learning methods applied to pseudobulk and cell type composition. CONCLUSIONS: TissueFormer's higher performance promises more accurate diagnostics and enables the automated construction of high-resolution brain region maps in individual mice directly from spatial transcriptomic data. Applied to mice with developmental perturbations to visual input, these maps revealed a significant reduction in predicted visual cortex area, illustrating how individual differences in neuroanatomy can be quantified. More broadly, TissueFormer provides a framework for predicting any population-level phenotypes which are influenced by cellular diversity and tissue-level organization.
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