Abstract Cells and tissues are made out of nanoscale building blocks, such as proteins, organized in crowded nanostructures. We show that many biomolecules, and the nanostructures in which they are embedded, may be invisible to prior imaging techniques, due to the inaccessibility of labels (e.g., antibodies) to biomolecules embedded within such crowded structures. We developed a technology, expansion revealing (ExR), which isotropically decrowds proteins from each other, to enable their labeling. We use ExR to discover the alignment of presynaptic calcium channels with postsynaptic machinery in intact brain circuits, as well as the existence of periodic amyloid nanoclusters containing ion channel proteins in Alzheimer’s model mice. Thus, ExR reveals nanostructures within complex biological specimens that were not previously visualizable, and may find broad use in biology. One Sentence Summary De-crowding biomolecules with Expansion Revealing unmasks fundamentally new nanostructures in intact brain tissue, which remained invisible otherwise.

Abstract Splicing is the stepwise molecular process by which introns are removed from pre-mRNA and exons are joined together to form mature mRNA sequences. The ordering and spatial distribution of these steps remain controversial, with opposing models suggesting splicing occurs either during or after transcription. We used single-molecule RNA FISH, expansion microscopy, and live-cell imaging to reveal the spatiotemporal distribution of nascent transcripts in mammalian cells. At super-resolution levels, we found that pre-mRNA formed clouds around the transcription site. These clouds indicate the existence of a transcription site proximal zone through which RNA move more slowly than in the nucleoplasm. Full-length pre-mRNA undergo continuous splicing as they move through this zone following transcription, suggesting a model in which splicing can occur post-transcriptionally but still within the proximity of the transcription site, thus seeming co-transcriptional by most assays. These results may unify conflicting reports of co-transcriptional versus post-transcriptional splicing.

Abstract: Methods for highly multiplexed RNA imaging are limited in spatial resolution, and thus in their ability to localize transcripts to nanoscale and subcellular compartments. We adapt expansion microscopy, which physically expands biological specimens, for long-read untargeted and targeted in situ RNA sequencing. We applied untargeted expansion sequencing (ExSeq) to mouse brain, yielding readout of thousands of genes, including splice variants and novel transcripts. Targeted ExSeq yielded nanoscale-resolution maps of RNAs throughout dendrites and spines in neurons of the mouse hippocampus, revealing patterns across multiple cell types; layer-specific cell types across mouse visual cortex; and the organization and position-dependent states of tumor and immune cells in a human metastatic breast cancer biopsy. Thus ExSeq enables highly multiplexed mapping of RNAs, from nanoscale to system scale. One Sentence Summary In situ sequencing of physically expanded specimens enables multiplexed mapping of RNAs at nanoscale, subcellular resolution.

We present Barcoded Oligonucleotides Ligated On RNA Amplified for Multiplexed and parallel In-Situ analysis (BOLORAMIS), a reverse-transcription (RT)-free method for spatially-resolved, targeted, in-situ RNA identification of single or multiple targets. For this proof of concept, we have profiled 154 distinct coding and small non-coding transcripts ranging in sizes 18 nucleotide (nt) in length and upwards, from over 200,000 individual human induced pluripotent stem cells (iPSC) and demonstrated compatibility with multiplexed detection, enabled by fluorescent in-situ sequencing. We use BOLORAMIS data to identify differences in spatial localization and cell-to-cell expression heterogeneity. Our results demonstrate BOLORAMIS to be a generalizable toolset for targeted, in-situ detection of coding and small non-coding RNA for single or multiplexed applications.

Abstract Mapping and molecularly annotating mammalian neural circuits is challenging due to the inability to uniquely label cells while also resolving subcellular features such as synaptic proteins or fine cellular processes. We argue that an ideal technology for connectomics would have the following characteristics: the capacity for robust distance-independent labeling, synaptic resolution, molecular interrogation, and scalable computational methods . The recent development of high-diversity cellular barcoding with RNA has provided a way to overcome the labeling limitations associated with spectral dyes, however performing all-optical circuit mapping has not been demonstrated because no method exists to image barcodes throughout cells at synaptic-resolution. Here we show ExBarSeq, an integrated method combining in situ sequencing of RNA barcodes, immunostaining, and Expansion Microscopy coupled with an end-to-end software pipeline that automatically extracts barcode identities from large imaging datasets without data processing bottlenecks. As a proof of concept, we applied ExBarSeq to thick tissue sections from mice virally infected with MAPseq viral vectors and demonstrated the extraction of 50 barcoded cells in the visual cortex as well as cell morphologies uncovered via immunostaining. The current work demonstrates high resolution multiplexing of exogenous barcodes and endogenous synaptic proteins and outlines a roadmap for molecularly annotated connectomics at a brain-wide scale.