Leveraging information in spatial transcriptomics to predict super-resolution gene expression from histology images in tumors

基因表达 转录组 聚类分析 基因表达谱 基因 组织学 生物 计算生物学 人工智能 计算机科学 模式识别(心理学) 遗传学
作者
Minxing Pang,Kenong Su,Mingyao Li
标识
DOI:10.1101/2021.11.28.470212
摘要

ABSTRACT Recent developments in spatial transcriptomics (ST) technologies have enabled the profiling of transcriptome-wide gene expression while retaining the location information of measured genes within tissues. Moreover, the corresponding high-resolution hematoxylin and eosin-stained histology images are readily available for the ST tissue sections. Since histology images are easy to obtain, it is desirable to leverage information learned from ST to predict gene expression for tissue sections where only histology images are available. Here we present HisToGene, a deep learning model for gene expression prediction from histology images. To account for the spatial dependency of measured spots, HisToGene adopts Vision Transformer, a state-of-the-art method for image recognition. The well-trained HisToGene model can also predict super-resolution gene expression. Through evaluations on 32 HER2+ breast cancer samples with 9,612 spots and 785 genes, we show that HisToGene accurately predicts gene expression and outperforms ST-Net both in gene expression prediction and clustering tissue regions using the predicted expression. We further show that the predicted super-resolution gene expression also leads to higher clustering accuracy than observed gene expression. Gene expression predicted from HisToGene enables researchers to generate virtual transcriptomics data at scale and can help elucidate the molecular signatures of tissues.

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