空間的なリガンドシグナルを組み込んだ単一細胞基盤モデルを開発(Integrating Spatial Ligand Signaling Improves Single-Cell Foundation Model Performance)

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2026-10-10 中国科学院(CAS)

中国科学院プロセス工学研究所、上海大学、上海交通大学の研究チームは、空間トランスクリプトミクス(ST)の情報を活用するTransformerモデル「stFormer」を開発した。従来の単一細胞基盤モデルは、細胞内の遺伝子間相互作用を主に解析し、細胞外からのシグナルや組織内の位置情報を十分に扱えていなかった。新モデルは、クロスアテンション機構を用いて、リガンド関連遺伝子の空間的な発現情報を統合し、異なる解像度や遺伝子カバレッジを持つSTデータにも対応する。約410万件の空間サンプルを用いて事前学習され、細胞クラスタリング、バッチ補正、細胞型予測、遺伝子機能予測などで、既存の単一細胞基盤モデルscFoundationを上回る性能を示した。さらに、計算機上でリガンド・受容体相互作用を変化させる解析により、発達中のヒト大脳皮質の層構造や、腫瘍微小環境におけるT細胞免疫を活性化する遺伝子の特定にも成功した。本技術は、組織内の細胞間コミュニケーションや疾患メカニズムの解明を支援することが期待される。

空間的なリガンドシグナルを組み込んだ単一細胞基盤モデルを開発(Integrating Spatial Ligand Signaling Improves Single-Cell Foundation Model Performance)
Overview of model architecture, pretraining dataset, and downstream tasks (Image by CAO Shenghao)

<関連情報>

stFormerは、空間リガンドシグナル伝達を空間トランスクリプトミクスの基礎モデルに統合します stFormer integrates spatial ligand signaling into a foundation model for spatial transcriptomics

Shenghao Cao ∙ Kaiyuan Yang ∙ Jiabei Cheng ∙ … ∙ Hong-Bin Shen ∙ Xiaoyong Pan ∙ Ye Yuan
Cell Reports Methods  Published:September 30, 2026
DOI:https://doi.org/10.1016/j.crmeth.2026.101612

Highlights

  • stFormer uses cross-attention to incorporate spatial ligand gene signals
  • A biased cross-attention unifies ST platforms across resolution and gene coverage
  • Pretrained on ∼4.1 million spatial samples from public human Visium data
  • stFormer outperforms scFoundation on clustering, batch correction, and more

Summary

Recent foundation models for single-cell transcriptomic data generate informative, context-aware gene and cell representations. Spatial transcriptomic (ST) data offer extra positional insights but were not considered by these single-cell models. We introduce stFormer, a transformer model tailored for ST data, which employs the cross-attention module to incorporate spatial ligand genes. To unify different ST technologies with a trade-off between resolution and gene coverage, we propose a biased cross-attention method that enables the model to do learning with single-cell resolution on whole-transcriptome but low-resolution Visium data. We assembled a pretraining corpus comprising ∼4.1 million spatial samples from public human Visium datasets. After pretraining, stFormer improved upon the state-of-the-art single-cell foundation model, scFoundation, across diverse tasks, including cell clustering, batch effect correction, cell type prediction, and gene function prediction. stFormer also revealed intercellular ligand-receptor signaling responses via in silico perturbation. Finally, we demonstrated stFormer’s utility in yielding biological findings on two case studies.

細胞遺伝子工学
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