Toxin-antitoxins (TAs) are prokaryotic two-gene systems composed of a toxin neutralized by an antitoxin. Toxin-antitoxin-chaperone (TAC) systems additionally include a SecB-like chaperone that stabilizes the antitoxin by recognizing its chaperone addiction (ChAD) element. TACs mediate antiphage defense, but the mechanisms of viral sensing and restriction are unexplored. We identify two Escherichia coli antiphage TAC systems containing host inhibition of growth (HigBA) and CmdTA TA modules, HigBAC and CmdTAC. HigBAC is triggered through recognition of the gpV major tail protein of phage λ. Chaperone HigC recognizes gpV and ChAD via analogous aromatic molecular patterns, with gpV outcompeting ChAD to trigger toxicity. For CmdTAC, the CmdT ADP-ribosyltransferase toxin modifies mRNA to halt protein synthesis and limit phage propagation. Finally, we establish the modularity of TACs by creating a hybrid broad-spectrum antiphage system combining the CmdTA TA warhead with a HigC chaperone phage sensor. Collectively, these findings reveal the potential of TAC systems in broad-spectrum antiphage defense.

Viruses compete with each other for limited cellular resources, and some deliver defense mechanisms that protect the host from competing genetic parasites1. PARIS is a defense system, often encoded in viral genomes, that is composed of a 55 kDa ABC ATPase (AriA) and a 35 kDa TOPRIM nuclease (AriB)2. However, the mechanism by which AriA and AriB function in phage defense is unknown. Here we show that AriA and AriB assemble into a 425 kDa supramolecular immune complex. We use cryo-EM to determine the structure of this complex which explains how six molecules of AriA assemble into a propeller-shaped scaffold that coordinates three subunits of AriB. ATP-dependent detection of foreign proteins triggers the release of AriB, which assembles into a homodimeric nuclease that blocks infection by cleaving host tRNALys. Phage T5 subverts PARIS immunity through expression of a tRNALys variant that is not cleaved by PARIS, and thereby restores viral infection. Collectively, these data explain how AriA functions as an ATP-dependent sensor that detects viral proteins and activates the AriB toxin. PARIS is one of an emerging set of immune systems that form macromolecular complexes for the recognition of foreign proteins, rather than foreign nucleic acids3.

Toxin-antitoxin (TA) systems are a large group of small genetic modules found in prokaryotes and their mobile genetic elements. Type II TAs are encoded as bicistronic (two-gene) operons that encode two proteins: a toxin and neutralising antitoxin. Using our tool NetFlax (standing for Network-FlaGs for toxins and antitoxins) we have performed a large-scale bioinformatic analysis of proteinaceous TAs, revealing interconnected clusters constituting a core network of TA-like gene pairs. To understand the structural basis of toxin neutralisation by antitoxins, we have predicted the structures of 3,419 complexes with AlphaFold2. Together with mutagenesis and functional assays, our structural predictions provide insights into the neutralising mechanism of the hyperpromiscuous Panacea antitoxin domain. In antitoxins composed of standalone Panacea, the domain mediates direct toxin neutralisation, while in multidomain antitoxins the neutralisation is mediated by other domains, such as PAD1, Phd-C and ZFD. We hypothesise that Panacea acts as a sensor that regulates TA activation. We have experimentally validated 16 new NetFlax TA systems. We used functional domain annotations and with metabolic labelling assays to predict their potential mechanisms of toxicity (such as disruption of membrane integrity, inhibition of cell division and abrogation of protein synthesis) as well as biological functions (such as antiphage defence). The interactive version of the NetFlax TA network that includes structural predictions can be accessed at http://netflax.webflags.se/.

Viruses compete with each other for limited cellular resources, and some viruses deliver defense mechanisms that protect the host from competing genetic parasites. PARIS is a defense system, often encoded in viral genomes, that is composed of a 53 kDa ABC ATPase (AriA) and a 35 kDa TOPRIM nuclease (AriB). Here we show that AriA and AriB assemble into a 425 kDa supramolecular immune complex. We use cryo-EM to determine the structure of this complex which explains how six molecules of AriA assemble into a propeller-shaped scaffold that coordinates three subunits of AriB. ATP-dependent detection of foreign proteins triggers the release of AriB, which assembles into a homodimeric nuclease that blocks infection by cleaving the host tRNALys. Phage T5 subverts PARIS immunity through expression of a tRNALys variant that prevent PARIS-mediated cleavage, and thereby restores viral infection. Collectively, these data explain how AriA functions as an ATP-dependent sensor that detects viral proteins and activates the AriB toxin. PARIS is one of an emerging set of immune systems that form macromolecular complexes for the recognition of foreign proteins, rather than foreign nucleic acids.

Summary Toxin-antitoxins (TAs) are prokaryotic two-gene systems comprised of a toxin neutralised by an antitoxin. Toxin-antitoxin-chaperone (TAC) systems additionally include a SecB-like chaperone that stabilises the antitoxin by recognising its chaperone addiction (ChAD) element. TACs have been shown to mediate antiphage defence, but the mechanisms of viral sensing and restriction are unexplored. We identify and characterise two Escherichia coli antiphage TAC systems containing HigBA and CmdTA TA units, HigBAC and CmdTAC. The HigBAC is triggered through recognition of the gpV major tail protein of phage λ. Both the ChAD and gpV are recognised by the HigC chaperone through analogous aromatic molecular patterns, explaining the mechanism of activation. We show that the CmdT ADP-ribosyltransferase toxin modifies mRNA to shut down protein synthesis. We establish the modularity of TACs by creating a hybrid broad-spectrum antiphage system combining the CmdTA TA warhead with the HigC chaperone phage sensor. Highlights E. coli HigBAC and CmdTAC are translation-targeting phage immunity TAC systems HigC chaperone recognises phage λ major tail protein to trigger HigBAC toxicity CmdT ADP-ribosyltransferase toxin abrogates translation through modification of mRNA HigC combined with CmdTA yields hybrid broad-spectrum antiphage defence system