Abstract Histones are a principal constituent of chromatin in eukaryotes and fundamental to our understanding of eukaryotic gene regulation. In archaea, histones are phylogenetically widespread, often highly abundant, but not universal: several archaeal lineages have lost histone genes from their coding repertoire. What prompted or facilitated these losses and how archaea without histones organize their chromatin remains largely unknown. Here, we use micrococcal nuclease digestion followed by high-throughput sequencing (MNase-Seq) to elucidate primary chromatin architecture in an archaeon without histones, the acido-thermophilic archaeon Thermoplasma acidophilum . We confirm and extend prior results showing that T. acidophilum harbours a HU family protein, HTa, that is highly expressed and protects a sizeable fraction of the genome from MNase digestion. Charting HTa-based chromatin architecture across the growth cycle and comparing it to that of three histone-encoding archaea ( Methanothermus fervidus, Thermococcus kodakarensis and Haloferax volcanii ), we then present evidence that HTa is an archaeal histone analog. HTa-protected fragments are GC-rich, display histone-like mono- and dinucleotide patterns around a conspicuous dyad, exhibit relatively invariant positioning throughout the growth cycle, and show archaeal histone-like oligomerization dynamics. Our results suggest that HTa, a DNA-binding protein of bacterial origin, has converged onto an architectural role filled by histones in other archaea.

Nucleosomes restrict DNA accessibility throughout eukaryotic genomes, with repercussions for replication, transcription, and other DNA-templated processes. How this globally restrictive organization emerged from a presumably more open ancestral state remains poorly understood. Here, to better understand the challenges associated with establishing globally restrictive chromatin, we express histones in a naïve bacterial system that has not evolved to deal with nucleosomal structures: Escherichia coli . We find that histone proteins from the archaeon Methanothermus fervidus assemble on the E. coli chromosome in vivo and protect DNA from micrococcal nuclease digestion, allowing us to map binding footprints genome-wide. We provide evidence that nucleosome occupancy along the E. coli genome tracks intrinsic sequence preferences but is disturbed by ongoing transcription and replication. Notably, we show that higher nucleosome occupancy at promoters and across gene bodies is associated with lower transcript levels, consistent with local repressive effects. Surprisingly, however, this sudden enforced chromatinization has only mild repercussions for growth, suggesting that histones can become established as ubiquitous chromatin proteins without interfering critically with key DNA-templated processes. Our results have implications for the evolvability of transcriptional ground states and highlight chromatinization by archaeal histones as a potential avenue for controlling genome accessibility in synthetic prokaryotic systems.