KS
Kousik Sundararajan
Author with expertise in Bacterial Physiology and Genetics
Achievements
Open Access Advocate
Cited Author
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
10
(60% Open Access)
Cited by:
26
h-index:
11
/
i10-index:
11
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
115

DiMeLo-seq: a long-read, single-molecule method for mapping protein-DNA interactions genome-wide

Nicolas Altemose et al.Jul 7, 2021
Abstract Molecular studies of genome regulation often rely on the ability to map where specific proteins interact with genomic DNA. Existing techniques for mapping protein-DNA interactions genome-wide rely on DNA amplification methods followed by sequencing with short reads, which dissociates joint binding information at neighboring sites, removes endogenous DNA methylation information, and precludes the ability to reliably map interactions in repetitive regions of the genome. To address these limitations, we created a new protein-DNA mapping method, called D irected M ethylation with L ong-read seq uencing (DiMeLo-seq), which methylates DNA near each target protein’s DNA binding site in situ , then leverages the ability to distinguish methylated and unmethylated bases on long, native DNA molecules using long-read, single-molecule sequencing technologies. We demonstrate the optimization and utility of this method by mapping the interaction sites of a variety of different proteins and histone modifications across the human genome, achieving a single-molecule binding site resolution of less than 200 bp. Furthermore, we mapped the positions of the centromeric histone H3 variant CENP-A in repetitive regions that are unmappable with short reads, while simultaneously analyzing endogenous CpG methylation and joint binding events on single molecules. DiMeLo-seq is a versatile method that can provide multimodal and truly genome-wide information for investigating protein-DNA interactions.
115
Citation13
0
Save
0

Identification and characterization of centromeric sequences in Xenopus laevis

Owen Smith et al.Jun 24, 2020
Abstract Centromeres play an essential function in cell division by specifying the site of kinetochore formation on each chromosome for mitotic spindle attachment. Centromeres are defined epigenetically by the histone H3 variant CEntromere Protein A (CENP-A). CENP-A nucleosomes maintain the centromere by designating the site for new CENP-A assembly after dilution by replication. Vertebrate centromeres assemble on tandem arrays of repetitive sequences but the function of repeat DNA in centromere formation has been challenging to dissect due to the difficulty in manipulating centromeres in cells. Xenopus laevis egg extracts assemble centromeres in vitro , providing a system for studying centromeric DNA functions. However, centromeric sequences in X. laevis have not been extensively characterized. In this study we combine CENP-A ChIP-seq with a k-mer based analysis approach to identify the X. laevis centromere repeat sequences. By in situ hybridization we show that X. laevis centromeres contain diverse repeat sequences and we map the centromere position on each X. laevis chromosome using the distribution of centromere enriched k-mers. Our identification of X. laevis centromere sequences enables previously unapproachable centromere genomic studies. Our approach should be broadly applicable for the analysis of centromere and other repetitive sequences in any organism.
0
Citation4
0
Save
30

Mapping protein-DNA interactions with DiMeLo-seq

Annie Maslan et al.Jul 5, 2022
Abstract We recently developed Di rected Me thylation with Lo ng-read seq uencing (DiMeLo-seq) to map protein-DNA interactions genome wide. DiMeLo-seq is capable of mapping multiple interaction sites on single DNA molecules, profiling protein binding in the context of endogenous DNA methylation, identifying haplotype specific protein-DNA interactions, and mapping protein-DNA interactions in repetitive regions of the genome that are difficult to study with short-read methods. With DiMeLo-seq, adenines in the vicinity of a protein of interest are methylated in situ by tethering the Hia5 methyltransferase to an antibody using protein A. Protein-DNA interactions are then detected by direct readout of adenine methylation with long-read, single-molecule, DNA sequencing platforms such as Nanopore sequencing. Here, we present a detailed protocol and practical guidance for performing DiMeLo-seq. This protocol can be run on nuclei from fresh, lightly fixed, or frozen cells. The protocol requires 1-2 days for performing in situ targeted methylation, 1-5 days for library preparation depending on desired fragment length, and 1-3 days for Nanopore sequencing depending on desired sequencing depth. The protocol requires basic molecular biology skills and equipment, as well as access to a Nanopore sequencer. We also provide a Python package, dimelo , for analysis of DiMeLo-seq data. Key papers Altemose, N., Maslan, A., Smith, O.K., Sundararajan, K., Brown, R.R., Mishra, R., Detweiler, A.M., Neff, N., Miga, K.H., Straight, A.F. and Streets, A., 2022. DiMeLo-seq: a long-read, single-molecule method for mapping protein–DNA interactions genome wide. Nature Methods , pp.1-13. ( https://doi.org/10.1038/s41592-022-01475-6 )
30
Citation1
0
Save
1

EstG is a novel esterase required for cell envelope integrity

Allison Daitch et al.Apr 12, 2022
Abstract Proper regulation of the bacterial cell envelope is critical for cell survival. Identification and characterization of enzymes that maintain cell envelope homeostasis is crucial, as they can be targets for effective antibiotics. In this study, we have identified a novel enzyme, called EstG, whose activity protects cells from a variety of lethal assaults in the ⍺-proteobacterium Caulobacter crescentus . Despite homology to transpeptidase family cell wall enzymes and an ability to protect against cell wall-targeting antibiotics, EstG does not demonstrate biochemical activity towards cell wall substrates. Instead, EstG is genetically connected to the periplasmic enzymes OpgH and BglX, responsible for synthesis and hydrolysis of osmoregulated periplasmic glucans (OPGs), respectively. The crystal structure of EstG revealed similarities to esterases and transesterases, and we demonstrated esterase activity of EstG in vitro . Using biochemical fractionation, we identified a cyclic hexamer of glucose as a likely substrate of EstG. This molecule is the first OPG described in Caulobacter and establishes a novel class of OPGs, the regulation and modification of which is important for stress survival and adaptation to fluctuating environments. Our data indicate that EstG, BglX, and OpgH comprise a previously unknown OPG pathway in Caulobacter . Ultimately, we propose that EstG is a novel enzyme that, instead of acting on the cell wall, acts on cyclic OPGs to provide resistance to a variety of cellular stresses.
1
Citation1
0
Save
0

Species- and C-terminal linker-dependent variations in the dynamic behavior of FtsZ on membranes in vitro

Kousik Sundararajan et al.Mar 8, 2018
Bacterial cell division requires the assembly of FtsZ protofilaments into a dynamic structure called the "Z-ring". The Z-ring recruits the division machinery and directs local cell wall remodeling for constriction. The organization and dynamics of protofilaments within the Z-ring coordinate local cell wall synthesis during cell constriction, but their regulation is largely unknown. The disordered C-terminal linker (CTL) region of Caulobacter crescentus FtsZ (CcFtsZ) regulates polymer structure and turnover in solution in vitro, and regulates Z-ring structure and activity of cell wall enzymes in vivo. To investigate the contributions of the CTL to the polymerization properties of FtsZ on its physiological platform, the cell membrane, we reconstituted CcFtsZ polymerization on supported lipid bilayers (SLB) and visualized polymer dynamics and structure using total internal reflection fluorescence microscopy. Unlike E. coli FtsZ protofilaments that organized into large, bundled patterns, CcFtsZ protofilaments assembled into small, dynamic clusters on SLBs. Moreover, CcFtsZ lacking its CTL formed large networks of straight filament bundles that underwent slower turnover than the dynamic clusters of wildtype FtsZ. Our in vitro characterization provides novel insights into species- and CTL-dependent differences between FtsZ assembly properties that are relevant to Z-ring assembly and function on membranes in vivo.
0

Determinants of FtsZ C-terminal linker-dependent regulation of cell wall metabolism in Caulobacter crescentus

Kousik Sundararajan et al.May 8, 2019
Bacterial cell division requires assembly of a multi-protein machinery or "divisome" that remodels the cell envelope to cause constriction. The cytoskeletal protein FtsZ forms a ring-like scaffold for the divisome at the incipient division site. FtsZ has three major regions - a conserved, polymerizing GTPase domain; a C-terminal conserved (CTC) peptide required for binding membrane-anchoring proteins; and a C-terminal linker (CTL) of poor length and sequence conservation. We previously demonstrated that, in Caulobacter crescentus, the CTL regulates FtsZ polymerization in vitro and cell wall metabolism in vivo. To understand the mechanism of CTL-dependent regulation of cell wall metabolism, here we investigated the impact of the CTL on Z-ring structure in cells and employed genetics to identify molecular determinants of the dominant lethal effects of ∆CTL. Deleting the CTL specifically resulted in formation of dense, asymmetric, non-ring FtsZ assemblies in vivo. Moreover, we observed that production of an FtsZ variant with the GTPase domain of Escherichia coli FtsZ fused to the CTC of C. crescentus FtsZ phenocopied the effects of C. crescentus ∆CTL, suggesting the CTC mediates signaling to cell wall metabolism. Finally, whereas overproduction of ZapA, FzlC, or FtsEX had slight protective effects against ∆CTL, depletion of FtsA partially suppressed the effects of ∆CTL. From these results, we propose that the cell wall misregulation downstream of ∆CTL results from its aberrant assembly properties and is propagated through the interaction between the CTC of FtsZ and FtsA. Our study provides mechanistic insights into CTL-dependent regulation of cell wall enzymes downstream of FtsZ.
0

The intrinsically disordered C-terminal linker of FtsZ regulates protofilament dynamics and superstructure in vitro

Kousik Sundararajan et al.Aug 1, 2017
The bacterial tubulin FtsZ polymerizes to form a discontinuous cytokinetic ring that drives bacterial cell division by directing local cell wall synthesis. FtsZ comprises a polymerizing GTPase domain, an intrinsically disordered C-terminal linker (CTL) and a C-terminal conserved α-helix (CTC). FtsZ protofilaments align circumferentially in the cell, with the CTC mediating attachment to membrane-associated division proteins. The dynamic turnover and treadmilling of clusters of FtsZ protofilaments guides cell wall synthesis and constriction. The nature and regulation of the interactions that result in the assembly of protofilaments into dynamic clusters is unknown. Here, we describe a role for the CTL of Caulobacter crescentus FtsZ as an intrinsic regulator of lateral interactions between protofilaments in vitro. FtsZ lacking its CTL (∆CTL) shows dramatically increased propensity to form long multifilament bundles compared to wildtype (WT). ∆CTL has reduced GTP hydrolysis rate compared to WT. However, reducing protofilament turnover in WT is not sufficient to induce bundling. Surprisingly, binding of the membrane-anchoring protein FzlC disrupts ∆CTL bundling in a CTC-dependent manner. Moreover, the CTL affects the ability of FtsZ curving protein FzlA to promote formation of helical bundles. We conclude that the CTL of FtsZ influences polymer structure and dynamics both through intrinsic effects on lateral interactions and turnover and by influencing extrinsic regulation of FtsZ by binding partners. Our characterization of CTL function provides a biochemical handle for understanding the relationship between Z-ring structure and function in bacterial cytokinesis.