Targeting proteins to specific subcellular destinations is essential in prokaryotes, eukaryotes, and the viruses that infect them. Chimalliviridae phages encapsulate their genomes in a nucleus-like replication compartment composed of the protein chimallin (ChmA) that excludes ribosomes and decouples transcription from translation. These phages selectively partition proteins between the phage nucleus and the bacterial cytoplasm. Currently, the genes and signals that govern selective protein import into the phage nucleus are unknown. Here we identify two components of this novel protein import pathway: a species-specific surface-exposed region of a phage intranuclear protein required for nuclear entry and a conserved protein, PicA, that facilitates cargo protein trafficking across the phage nuclear shell. We also identify a defective cargo protein that is targeted to PicA on the nuclear periphery but fails to enter the nucleus, providing insight into the mechanism of nuclear protein trafficking. Using CRISPRi-ART protein expression knockdown of PicA, we show that PicA is essential early in the chimallivirus replication cycle. Together our results allow us to propose a multistep model for the Protein Import Chimallivirus (PIC) pathway, where proteins are targeted to PicA by amino acids on their surface, and then licensed by PicA for nuclear entry. The divergence in the selectivity of this pathway between closely-related chimalliviruses implicates its role as a key player in the evolutionary arms race between competing phages and their hosts.

Eukaryotic viruses assemble compartments required for genome replication, but no such organelles are known to be essential for prokaryotic viruses. Bacteriophages of the family Chimalliviridae sequester their genomes within a phagegenerated organelle, the phage nucleus, which is enclosed by a lattice of viral protein ChmA. Using the dRfxCas13d-based knockdown system CRISPRi-ART, we show that ChmA is essential for the E. coli phage Goslar life cycle. Without ChmA, infections are arrested at an early stage in which the injected phage genome is enclosed in a membrane-bound vesicle capable of gene expression but not DNA replication. Not only do we demonstrate that the phage nucleus is essential for genome replication, but we also show that the Chimalliviridae early phage infection (EPI) vesicle is a transcriptionally active, phage-generated organelle.

ESKAPE pathogens cause most hospital-acquired infections globally and often carry antibiotic resistance. Many of them have been the target of bacteriophage therapies. Enterobacter is an ESKAPE pathogen but is less frequently a target for phage therapy due to a relative lack of available phages. We isolated eight jumbo phages with genomes ranging from 223 to 366 kbp targeting Enterobacter spp. and found that they belonged to separate phage clades. Six of them formed nucleus-like structures confirmed by DAPI-staining, and were phylogenetically related to Chimalliviridae. Two jumbo phages did not form nucleus-like structures and did not cluster with Chimalliviridae. Although these jumbo phages were found on Enterobacter, many were closely related to phages with non-Enterobacter hosts. To test whether these phages may have had expanded host ranges, we examined 14 pathogenic Gammaproteobacteria and found that these phages were capable of creating plaques on 8 of them. These species included Escherichia coli, Klebsiella aerogenes, Serratia marcescens, Salmonella spp., Shigella spp., Providencia spp., Citrobacter spp., and Cronobacter sakazakii. We verified that there was phage amplification in these microbes rather than lysis from without by performing qPCR to confirm DNA replication in each species. Phages typically have narrow host ranges, a benefit for microbiome-sparing compared to antibiotics. However, the broad host ranges of these Gammaproteobacteria jumbo phages suggests that not all phages have the same risk/benefit ratios. While this broad range could aid their development as antibiotic alternatives, further study is needed to assess potential microbiome disruption.