HyperGCN: an effective deep representation learning framework for the integrative analysis of spatial transcriptomics data

空间分析 计算机科学 聚类分析 分割 空间语境意识 转录组 人工智能 背景(考古学) 模式识别(心理学) 计算生物学 生物 数据挖掘 基因 基因表达 遗传学 遥感 古生物学 地质学
作者
Yuanyuan Ma,Lifang Liu,Yongbiao Zhao,Bo Hang,Yanduo Zhang
出处
期刊:BMC Genomics [Springer Nature]
卷期号:25 (1)
标识
DOI:10.1186/s12864-024-10469-x
摘要

Abstract Background Advances of spatial transcriptomics technologies enabled simultaneously profiling gene expression and spatial locations of cells from the same tissue. Computational tools and approaches for integration of transcriptomics data and spatial context information are urgently needed to comprehensively explore the underlying structure patterns. In this manuscript, we propose HyperGCN for the integrative analysis of gene expression and spatial information profiled from the same tissue. HyperGCN enables data visualization and clustering, and facilitates downstream analysis, including domain segmentation, the characterization of marker genes for the specific domain structure and GO enrichment analysis. Results Extensive experiments are implemented on four real datasets from different tissues (including human dorsolateral prefrontal cortex, human positive breast tumors, mouse brain, mouse olfactory bulb tissue and Zabrafish melanoma) and technologies (including 10X visium, osmFISH, seqFISH+, 10X Xenium and Stereo-seq) with different spatial resolutions. The results show that HyperGCN achieves superior clustering performance and produces good domain segmentation effects while identifies biologically meaningful spatial expression patterns. This study provides a flexible framework to analyze spatial transcriptomics data with high geometric complexity. Conclusions HyperGCN is an unsupervised method based on hyper graph induced g raph c onvolutional n etwork, where it assumes that there existed disjoint tissues with high geometric complexity, and models the semantic relationship of cells through hypergraph, which better tackles the high-order interactions of cells and levels of noise in spatial transcriptomics data.
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