SpaIM: Single-cell Spatial Transcriptomics Imputation via Style Transfer

计算机科学 空间分析 转录组 空间语境意识 背景(考古学) 计算生物学 插补(统计学) RNA序列 数据挖掘 数据科学 基因 生物 基因表达 人工智能 机器学习 缺少数据 地理 遗传学 古生物学 遥感
作者
Bo Li,Ziyang Tang,Aishwarya Budhkar,X. Liu,Tao Zhang,Baijian Yang,Jing Su,Qianqian Song
标识
DOI:10.1101/2025.01.24.634756
摘要

Spatial transcriptomics (ST) technologies have revolutionized our understanding of cellular ecosystems. However, these technologies face challenges such as sparse gene signals and limited gene detection capacities, which hinder their ability to fully capture comprehensive spatial gene expression profiles. To address these limitations, we propose leveraging single-cell RNA sequencing (scRNA-seq), which provides comprehensive gene expression data but lacks spatial context, to enrich ST profiles. Herein, we introduce SpaIM, an innovative style transfer learning model that utilizes scRNA-seq information to predict unmeasured gene expressions in ST data, thereby improving gene coverage and expressions. SpaIM segregates scRNA-seq and ST data into data-agnostic contents and data-specific styles, with the contents capture the commonalities between the two data types, while the styles highlight their unique differences. By integrating the strengths of scRNA-seq and ST, SpaIM overcomes data sparsity and limited gene coverage issues, making significant advancements over 12 existing methods. This improvement is demonstrated across 53 diverse ST datasets, spanning sequencing- and imaging-based spatial technologies in various tissue types. Additionally, SpaIM enhances downstream analyses, including the detection of ligand-receptor interactions, spatial domain characterization, and identification of differentially expressed genes. Released as open-source software, SpaIM increases accessibility for spatial transcriptomics analysis. In summary, SpaIM represents a pioneering approach to enrich spatial transcriptomics using scRNA-seq data, enabling precise gene expression imputation and advancing the field of spatial transcriptomics research.

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