ABSTRACT DNA-binding proteins with roles in chromatin architecture and transcriptional regulation are present in all three domains of life. Histones package DNA and regulate gene expression in eukaryotes, and find their evolutionary origin in the domain of life Archaea. Previously characterised archaeal histones have a somewhat conserved functional role in nucleosome formation and DNA packaging. However, previous research has indicated that the histone-like proteins of high salt-adapted archaea, or halophiles, appear to function differently. The sole histone protein encoded by the model halophilic species Halobacterium salinarum is non-essential, is involved in direct and indirect transcriptional regulation, and does not appear to package DNA. Here we use protein-DNA binding assays, computational analysis, and quantitative phenotyping to compare DNA binding patterns across halophilic histone proteins, bacterial and archaeal TFs, NAPs, and eukaryotic histones. Like TFs, halophilic histones bind the genome too sparsely to compact the genome. However, unlike TFs, binding occurs in both coding and intergenic regions. Unlike histones, halophilic histone occupancy is not depleted at the start sites of genes, and halophilic genomes lack the dinucleotide periodicity known to facilitate histone binding. We detect unique sequence preferences for histone binding in halophiles. Together these data suggest that the non-essentiality and genome-wide binding features of halophilic histone-like proteins are conserved across halophiles; they bind DNA in ways resembling both TFs and chromatin proteins, but do not appear to play a role in forming chromatin. IMPORTANCE Most cells in eukaryotic species – from yeast to humans– possess histone proteins that pack and unpack DNA in response to environmental cues. These essential proteins regulate the genes necessary for important cellular processes, including development and stress protection. The domain of life Archaea represent the evolutionary progenitors of eukaryotes. The universal conservation of the primary sequences of histone proteins across archaeal lineages suggests that eukaryotic histones originated in the Archaea. However, archaeal histones lack N-terminal tails and, in some species, package DNA in a continuous helix with no linker DNA between nucleosomes. We recently discovered that histones in hypersaline adapted archaeal species do not package DNA, and can act like transcription factors (TFs) to regulate stress response gene expression. Here we compare hypersaline histone function to a variety of DNA binding proteins across the tree of life, revealing a mosaic of functions for hypersaline-adapted histones.

ABSTRACT Maintaining intracellular iron concentration within the homeostatic range is vital to meet cellular metabolic needs and reduce oxidative stress. Previous research revealed that the haloarchaeon Halobacterium salinarum encodes four diphtheria toxin repressor (DtxR) family transcription factors (TFs) that together regulate the iron response through an interconnected transcriptional regulatory network (TRN). However, the metal specificity of DtxR TFs and the conservation of the TRN remained poorly understood. Here we identified and characterized the TRN of Haloferax volcanii for comparison. Genetic analysis demonstrated that Hfx. volcanii relies on three DtxR transcriptional regulators (Idr, SirR, and TroR), with TroR as the primary regulator of iron homeostasis. Bioinformatics and molecular approaches revealed that TroR binds a conserved cis -regulatory motif located ∼100 nt upstream of the start codon of iron-related target genes. Transcriptomics analysis demonstrated that, under conditions of iron sufficiency, TroR repressed iron uptake and induced iron storage mechanisms. TroR repressed the expression of one other DtxR TF, Idr. This reduced DtxR TRN complexity relative to that of Hbt. salinarum appeared correlated with natural variations in iron availability. Based on these data, we hypothesize that increasing TRN complexity appears selected for under variable environmental conditions such as iron availability.

Transcriptome-wide time series expression profiling is used to characterize the cellular response to environmental perturbations. The first step to analyzing transcriptional response data is often to cluster genes with similar responses. Here, we present a nonparametric model-based method, Dirichlet process Gaussian process mixture model (DPGP), which jointly models cluster number with a Dirichlet process and temporal dependencies with Gaussian processes. We demonstrate the accuracy of DPGP in comparison with state-of-the-art approaches using hundreds of simulated data sets. To further test our method, we apply DPGP to published microarray data from a microbial model organism exposed to stress and to novel RNA-seq data from a human cell line exposed to the glucocorticoid dexamethasone. We validate our clusters by examining local transcription factor binding and histone modifications. Our results demonstrate that jointly modeling cluster number and temporal dependencies can reveal novel regulatory mechanisms. DPGP software is freely available online at https://github.com/PrincetonUniversity/DP_GP_cluster.

Substantive changes in gene expression, metabolism, and the proteome are manifested in overall changes in microbial population growth. Quantifying how microbes grow is therefore fundamental to areas such as genetics, bioengineering, and food safety. Traditional parametric growth curve models capture the population growth behavior through a set of summarizing parameters. However, estimation of these parameters from data is confounded by random effects such as experimental variability, batch effects or differences in experimental material. A systematic statistical method to identify and correct for such confounding effects in population growth data is not currently available. Further, our previous work has demonstrated that parametric models are insufficient to explain and predict microbial response under non-standard growth conditions. Here we develop a hierarchical Bayesian non-parametric model of population growth that identifies the latent growth behavior and response to perturbation, while simultaneously correcting for random effects in the data. This model enables more accurate estimates of the biological effect of interest, while better accounting for the uncertainty due to technical variation. Additionally, modeling hierarchical variation provides estimates of the relative impact of various confounding effects on measured population growth.

Abstract Because archaea are the evolutionary ancestors of eukaryotes, archaeal molecular biology has been a topic of intense recent research. The hypersaline adapted archaeal species Halobacterium salinarum and Haloferax volcanii serve as important model organisms because facile tools enable genetic manipulation. As a result, the number of strains in circulation among the haloarchaeal research community has increased over the last few decades. However, the degree of genetic divergence and effects on genetic integrity during inter-lab transfers remain unclear. To address this question, we performed whole genome re-sequencing on a cross-section of wild-type, parental, and knockout strains in both model species. Integrating these data with existing repositories of re-sequencing data, we identify mutations that have arisen in a collection of 60 strains, sampled from 2 species across 8 different labs. Independent of sequencing, we construct strain lineages, identifying branch points and significant genetic effects in strain history. Combining this with our sequencing data, we identify small clusters of mutations that definitively separate lab strains. Additionally, an analysis of gene knockout strains suggests that roughly 1 in 3 strains currently in use harbors second-site mutations of potential phenotypic impact. Overall, we find that divergence among lab strains is thus far minimal, though as the archaeal research community continues to grow, careful strain provenance and genomic re-sequencing are required to keep inter-lab divergence to a minimum, prevent the compounding of mutations into fully independent lineages, and maintain the current high degree of reproducible research between lab groups in the haloarchaeal research community. Data Summary Novel sequencing data for this project was submitted to the National Center for Biotechnology Information (NCBI) Sequence Read Archive (SRA) and can be found under bioproject accession PRJNA1120443. SRA accessions for previously published sequencing data are available in supplementary table 1. R code for performing analysis and generating figures is available at https://github.com/andrew-soborowski/halophile_genome_resequencing . Impact Statement Archaea are important due to their shared evolutionary history with eukaryotes. As the archaeal research community grows, keeping track of the genetic integrity of archaeal strains of interest is necessary. In particular, routine genetic manipulations and the common practice of sharing strains between labs allow mutations to arise in lab stocks. If these mutations affect cellular processes, they may jeopardize the reproducibility of work between research groups and confound the results of future studies. In this work, we examine DNA sequences from 60 strains across two species of archaea. We identify shared and unique mutations occurring between and within strains. Independently, we trace the lineage of each strain, identifying which genetic manipulations lead to observed off-target mutations. While overall divergence across labs is minimal so far, our work highlights the need for labs to continue proper strain husbandry.

Abstract Oxidative stress causes cellular damage including DNA mutations, protein dysfunction and loss of membrane integrity. Here we discovered TrmB (transcription regulator of mal operon) family proteins (Pfam PF01978) composed of a single winged-helix DNA binding domain (InterPro IPR002831) can function as thiol-based transcriptional regulators of oxidative stress responses. Using the archaeon Haloferax volcanii as a model system, we demonstrate that the TrmB-like OxsR is important for recovery of cells from hypochlorite stress. OxsR is shown to bind specific regions of genomic DNA, particularly during hypochlorite stress. OxsR-bound intergenic regions were found proximal to oxidative stress operons including genes associated with thiol relay and low molecular weight thiol biosynthesis. Further analysis of a subset of these sites, revealed OxsR to function during hypochlorite stress as a transcriptional activator and repressor. OxsR was shown to require a conserved cysteine (C24) for function and to use a CG-rich motif upstream of conserved BRE/TATA box promoter elements for transcriptional activation. Protein modeling suggested the C24 is located at a homodimer interface formed by antiparallel α helices, and that oxidation of this cysteine would result in the formation of an intersubunit disulfide bond. This covalent linkage may promote stabilization of an OxsR homodimer with the enhanced DNA binding properties observed in the presence of hypochlorite stress. The phylogenetic distribution TrmB family proteins, like OxsR, that have a single winged-helix DNA binding domain and conserved cysteine residue suggests this type of redox signaling mechanism is widespread in Archaea. Importance TrmB-like proteins, while not yet correlated with redox stress, are found in bacteria and widespread in archaea. Here we expand annotation of a large group of TrmB-like single winged-helix DNA binding domain proteins from diverse archaea to function as thiol-based transcriptional regulators of oxidative stress response. Using Haloferax volcanii as a model, we reveal the TrmB-like OxsR functions during hypochlorite stress as a transcriptional activator and repressor of an extensive gene co-expression network associated with thiol relay and other related activities. A conserved cysteine residue of OxxR serves as the thiol-based sensor for this function and likely forms an intersubunit disulfide bond during hypochlorite stress that stabilizes a homodimeric configuration with enhanced DNA binding properties. A CG-rich DNA motif in the promoter region of a subset of sites identified to be OxsR-bound is required for regulation; however, not all sites have this motif suggesting added complexity to the regulatory network.

ABSTRACT Despite intense recent research interest in archaea, the scientific community has experienced a bottleneck in the study of genome-scale gene expression experiments by RNA-seq due to the lack of commercial and specifically designed rRNA depletion kits. The high ratio rRNA:mRNA (80-90%: ∼10%) in prokaryotes hampers global transcriptomic analysis. Insufficient ribodepletion results in low sequence coverage of mRNA and therefore requires a substantially higher number of replicate samples and/or sequencing reads to achieve statistically reliable conclusions regarding the significance of differential gene expression between case and control samples. Here we show that after the discontinuation of the previous version of RiboZero (Illumina) that was useful to partially deplete rRNA from halophilic archaea, archaeal transcriptomics studies have experienced a standstill. To overcome this limitation, here we analyze the efficiency for four different hybridization-based kits from three different commercial suppliers, each with two sets of sequence-specific probes to remove rRNA from four different species of halophilic archaea. We conclude that the key for transcriptomic success with the currently available tools is the probe-specificity for the rRNA sequence hybridization. With this paper we provide insights to the archaeal community for selecting certain reagents and strategies over others depending on the archaeal species of interest. These methods yield improved RNA-seq sensitivity and enhanced detection of low abundance transcripts.

Abstract Precise control of the cell cycle is central to the physiology of all cells. In prior work we demonstrated that archaeal cells maintain a constant size; however, the regulatory mechanisms underlying the cell cycle remain unexplored in this domain of life. Here we use genetics, functional genomics, and quantitative imaging to identify and characterize the novel CdrSL gene regulatory network in a model species of archaea. We demonstrate the central role of these ribbon-helix-helix family transcription factors in the regulation of cell division through specific transcriptional control of the gene encoding FtsZ2, a putative tubulin homolog. Using time lapse fluorescence microscopy in live cells cultivated in microfluidics devices, we further demonstrate that FtsZ2 is required for cell division but not elongation. The cdrS-ftsZ2 locus is highly conserved throughout the archaeal domain, and the central function of CdrS in regulating cell division is conserved across hypersaline adapted archaea. We propose that the CdrSL-FtsZ2 transcriptional network coordinates cell division timing with cell growth in archaea. Importance Healthy cell growth and division are critical for individual organism survival and species long-term viability. However, it remains unknown how cells of the domain Archaea maintain a healthy cell cycle. Understanding archaeal cell cycle is of paramount evolutionary importance given that an archaeal cell was the host of the endosymbiotic event that gave rise to eukaryotes. Here we identify and characterize novel molecular players needed for regulating cell division in archaea. These molecules dictate the timing of cell septation, but are dispensable for growth between divisions. Timing is accomplished through transcriptional control of the cell division ring. Our results shed light on mechanisms underlying the archaeal cell cycle, which has thus far remained elusive.

Abstract Timely regulation of carbon metabolic pathways is essential for cellular processes and to prevent futile cycling of intracellular metabolites. In Halobacterium salinarum , a hypersaline adapted archaeon, a sugar-sensing TrmB family protein controls gluconeogenesis and other biosynthetic pathways. Notably, Hbt. salinarum does not utilize carbohydrates for energy, uncommon among Haloarchaea. We characterized a TrmB-family transcriptional regulator in a saccharolytic generalist, Haloarcula hispanica , to investigate whether the targets and function of TrmB, or its regulon, is conserved in related species with distinct metabolic capabilities. In Har. hispanica , TrmB binds to 15 sites across the genome and induces the expression of genes primarily involved in gluconeogenesis and tryptophan biosynthesis. An important regulatory control point in Hbt. salinarum , activation of ppsA and repression of pykA , is absent in Har. hispanica . Contrary to its role in Hbt. salinarum and saccharolytic hyperthermophiles, TrmB does not act as a global regulator: it does not directly repress the expression of glycolytic enzymes, peripheral pathways such as cofactor biosynthesis, or catabolism of other carbon sources in Har. hispanica . Cumulatively, these findings suggest re-wiring of the TrmB regulon alongside metabolic network evolution in Haloarchaea.

Across the domains of life, actin homologs are integral components of many essential processes such as DNA segregation, cell division, and cell shape determination. Archaea genomes, like those of bacteria and eukaryotes, also encode actin homologs, but much less is known about these proteins’ in vivo dynamics and cellular functions. We identified and characterized the function and dynamics of Salactin, an actin homolog in the hypersaline archaeon Halobacterium salinarum. Despite Salactin’s homology to bacterial MreB proteins, we find it does not function as a MreB ortholog in H. salinarum. Rather, live-cell imaging revealed that Salactin forms dynamically unstable filaments that grow and shrink out of the cell poles. Like other dynamically unstable polymers, Salactin monomers add at the growing filament end and its ATP-bound critical concentration is substantially lower than the ADP-bound form. When H. salinarum’s chromosomal copy number becomes limiting under low phosphate growth conditions, cells lacking Salactin show perturbed DNA distributions. Taken together, we propose that Salactin is part of a previously unknown chromosomal segregation apparatus required during low-ploidy conditions.