Abstract Delineating the spatial multiomics landscape will pave the way to understanding the molecular basis of physiology and pathology. However, current spatial omics technology development is still in its infancy. Here, we developed a high-throughput multiomics in situ pairwise sequencing (MiP-Seq) strategy to efficiently decipher multiplexed DNAs, RNAs, proteins, and small biomolecules at subcellular resolution. We delineated dynamic spatial gene profiles in the hypothalamus using MiP-Seq. Moreover, MiP-Seq was unitized to detect tumor gene mutations and allele-specific expression of parental genes and to differentiate sites with and without the m6A RNA modification at specific sites. MiP-Seq was combined with in vivo Ca 2+ imaging and Raman imaging to obtain a spatial multiomics atlas correlated to neuronal activity and cellular biochemical fingerprints. Importantly, we proposed a “signal dilution strategy” to resolve the crowded signals that challenge the applicability of in situ sequencing. Together, our method improves spatial multiomics and precision diagnostics and facilitates analyses of cell function in connection with gene profiles.

Abstract: Mycobacterium tuberculosis ( M . tb ) causes the current leading infectious disease. Examination of the functional genomics of M.tb and development of drugs and vaccines are hampered by the complicated and time-consuming genetic manipulation techniques for M . tb . Here, we reprogrammed M.tb endogenous type III-A CRISPR-Cas10 system for simple and efficient gene editing, RNA interference and screening via simple delivery of a plasmid harboring a mini-CRISPR array, thereby avoiding the introduction of exogenous proteins and minimizing proteotoxicity. We demonstrated that M.tb genes were efficiently and specifically knocked-in/out by this system, which was confirmed by whole-genome sequencing. This system was further employed for single and simultaneous multiple-gene RNA interference. Moreover, we successfully applied this system for genome-wide CRISPR interference screening to identify the in-vitro and intracellular growth-regulating genes. This system can be extensively used to explore the functional genomics of M.tb and facilitate the development of new anti- Mycobacterial drugs and vaccines.

SUMMARY Genomic abnormalities, including structural variation (SV), copy number variation (CNV), single-nucleotide polymorphism (SNP), homogenously staining regions (HSR) and extrachromosomal DNA (ecDNA), are strongly associated with cancer, rare diseases and infertility. A robust technology to simultaneously detect these genomic abnormalities is highly desired for clinical diagnosis and basic research. In this study, we developed a simple and cost-effective method – multiple genetic abnormality sequencing (MGA-Seq) – to simultaneously detect SNPs, CNVs, SVs, ecDNA and HSRs in a single tube. This method has been successfully applied in both cancer cell lines and clinical tumour samples and revealed that focal amplification in tumour tissue is substantially heterogeneous. Notably, we delineated the architecture of focal amplification and the ecDNA network by MGA-Seq, which facilitated the exploration of the regulation of gene expression in ecDNA. This method could be extensively applied for diagnosis and may greatly facilitate the investigation of the genomic mechanism for genetic diseases.