A unified framework for identification of cell-type-specific spatially variable genes in spatial transcriptomic studies

计算生物学 稳健性(进化) 鉴定(生物学) 转录组 背景(考古学) 计算机科学 变量(数学) 生物 基因 数据挖掘 生物学数据 RNA序列 数据集成 数据类型 系统生物学 人工智能 基因调控网络
作者
Zhiwei Wang,Yeqin Zeng,Ziyue Tan,Yuheng Chen,Xinrui Huang,Hongyu Zhao,Zhixiang Lin,Can Yang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:122 (46): e2503952122-e2503952122
标识
DOI:10.1073/pnas.2503952122
摘要

Characterizing cell-type-specific spatially variable genes (SVGs) within tissue context is essential for exploring the landscape of complex biological systems in spatial transcriptomic (ST) studies. In this paper, we present a unified framework, the Mixture of Mixed Models (MMM), designed to directly model RNA count data and identify cell-type-specific SVGs while accounting for cell type composition and correcting for platform effects. Through a comprehensive simulation study and the analyses of eight publicly available ST datasets from various tissues and technologies with different resolutions, we demonstrate the effectiveness and robustness of MMM in identifying cell-type-specific SVGs. Notably, our integrative analysis with genome-wide association studies reveals that the cell-type-specific SVGs identified by MMM in a mouse brain study exhibit significant heritability enrichment in brain-related phenotypes. This finding suggests that cell-type-specific SVGs play a vital role in elucidating the mechanisms underlying complex traits and diseases. When applying MMM to analyze a high-resolution Xenium human breast cancer dataset by accounting for the uncertainties in cell segmentation, we find that certain cell-type-specific SVGs may contribute to cell–cell communications, thereby regulating the tissue microenvironment. Furthermore, we show the versatility of MMM by applying it to the 3D tissue models constructed from multiple ST slices, highlighting its utility in analyzing the 3D ST data.
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