Abstract Recent technological innovations have enabled the high-throughput quantification of gene expression and epigenetic regulation within individual cells, transforming our understanding of how complex tissues are constructed. Missing from these measurements, however, is the ability to routinely and easily spatially localise these profiled cells. We developed a strategy, Slide-tags, in which single nuclei within an intact tissue section are ‘tagged’ with spatial barcode oligonucleotides derived from DNA-barcoded beads with known positions. These tagged nuclei can then be used as input into a wide variety of single-nucleus profiling assays. Application of Slide-tags to the mouse hippocampus positioned nuclei at less than 10 micron spatial resolution, and delivered whole-transcriptome data that was indistinguishable in quality from ordinary snRNA-seq. To demonstrate that Slide-tags can be applied to a wide variety of human tissues, we performed the assay on brain, tonsil, and melanoma. We revealed cell-type-specific spatially varying gene expression across cortical layers and spatially contextualised receptor-ligand interactions driving B-cell maturation in lymphoid tissue. A major benefit of Slide-tags is that it is easily adaptable to virtually any single-cell measurement technology. As proof of principle, we performed multiomic measurements of open chromatin, RNA, and T-cell receptor sequences in the same cells from metastatic melanoma. We identified spatially distinct tumour subpopulations to be differentially infiltrated by an expanded T-cell clone and undergoing cell state transition driven by spatially clustered accessible transcription factor motifs. Slide-tags offers a universal platform for importing the compendium of established single-cell measurements into the spatial genomics repertoire.

Tissue organization arises from the coordinated molecular programs of cells. Spatial genomics maps cells and their molecular programs within the spatial context of tissues. However, current methods measure spatial information through imaging or direct registration, which often require specialized equipment and are limited in scale. Here, we developed an imaging-free spatial transcriptomics method that uses molecular diffusion patterns to computationally reconstruct spatial data. To do so, we utilize a simple experimental protocol on two dimensional barcode arrays to establish an interaction network between barcodes via molecular diffusion. Sequencing these interactions generates a high dimensional matrix of interactions between different spatial barcodes. Then, we perform dimensionality reduction to regenerate a two-dimensional manifold, which represents the spatial locations of the barcode arrays. Surprisingly, we found that the UMAP algorithm, with minimal modifications can faithfully successfully reconstruct the arrays. We demonstrated that this method is compatible with capture array based spatial transcriptomics/genomics methods, Slide-seq and Slide-tags, with high fidelity. We systematically explore the fidelity of the reconstruction through comparisons with experimentally derived ground truth data, and demonstrate that reconstruction generates high quality spatial genomics data. We also scaled this technique to reconstruct high-resolution spatial information over areas up to 1.2 centimeters. This computational reconstruction method effectively converts spatial genomics measurements to molecular biology, enabling spatial transcriptomics with high accessibility, and scalability.