Graph-based autoencoder integrates spatial transcriptomics with chromatin images and identifies joint biomarkers for Alzheimer’s disease

转录组 自编码 计算生物学 计算机科学 染色质 图形 人工智能 基因表达 模式识别(心理学) 生物 生物信息学 基因 深度学习 遗传学 理论计算机科学
作者
Xinyi Zhang,Xiao Wang,G. V. Shivashankar,Caroline Uhler
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:13 (1) 被引量:42
标识
DOI:10.1038/s41467-022-35233-1
摘要

Tissue development and disease lead to changes in cellular organization, nuclear morphology, and gene expression, which can be jointly measured by spatial transcriptomic technologies. However, methods for jointly analyzing the different spatial data modalities in 3D are still lacking. We present a computational framework to integrate Spatial Transcriptomic data using over-parameterized graph-based Autoencoders with Chromatin Imaging data (STACI) to identify molecular and functional alterations in tissues. STACI incorporates multiple modalities in a single representation for downstream tasks, enables the prediction of spatial transcriptomic data from nuclear images in unseen tissue sections, and provides built-in batch correction of gene expression and tissue morphology through over-parameterization. We apply STACI to analyze the spatio-temporal progression of Alzheimer's disease and identify the associated nuclear morphometric and coupled gene expression features. Collectively, we demonstrate the importance of characterizing disease progression by integrating multiple data modalities and its potential for the discovery of disease biomarkers.
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