STHD: probabilistic cell typing of single Spots in whole Transcriptome spatial data with High Definition

计算机科学 概率逻辑 转录组 打字 斑点 计算生物学 人工智能 生物 遗传学 语音识别 基因 植物 基因表达
作者
Chuhanwen Sun,Yi Zhang
标识
DOI:10.1101/2024.06.20.599803
摘要

Abstract Recent spatial transcriptomics (ST) technologies have enabled sub-single-cell resolution profiling of gene expression across the whole transcriptome. However, the transition to high-definition ST significantly increased sparsity and dimensionality, posing computational challenges in discerning cell identities, understanding neighborhood structure, and identifying differential expression - all are crucial steps to study normal and disease ST samples. Here we present STHD, a novel machine learning method for probabilistic cell typing of single spots in whole-transcriptome, high-resolution ST data. Unlike current binning-aggregation-deconvolution strategy, STHD directly models gene expression at single-spot level to infer cell type identities. It addresses sparsity by modeling count statistics, incorporating neighbor similarities, and leveraging reference single-cell RNA-seq data. We demonstrated that STHD accurately predicts cell type identities at single-spot level, which automatically achieved precise segmentation of global tissue architecture and local multicellular neighborhoods. The STHD labels facilitated various downstream analyses, including cell type-stratified bin aggregation, spatial compositional comparison, and cell type-specific differential expression analyses. These high-resolution labels further defined frontlines of inter-cell type interactions, revealing direct cell-cell communication activities at immune hubs of a colon cancer sample. Overall, computational modeling of high-resolution spots with STHD uncovers precise spatial organization and deeper biological insights for disease mechanisms.

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