ABSTRACT During infection, the giant phiKZ phage forms a specialized structure at the center of the host cell called the phage nucleus. This structure is crucial for safeguarding viral DNA against bacterial nucleases and for segregating the transcriptional activities of late genes. Here, we describe a morphological entity, the early phage infection (EPI) vesicle, which appears to be responsible for earlier gene segregation at the beginning of the infection process. Using cryo-electron microscopy, electron tomography (ET), and fluorescence microscopy with membrane-specific dyes, we demonstrated that the EPI vesicle is enclosed in a lipid bilayer originating, apparently, from the inner membrane of the bacterial cell. Our investigations further disclose that the phiKZ EPI vesicle contains both viral DNA and viral RNA polymerase (vRNAP). We have observed that the EPI vesicle migrates from the cell pole to the center of the bacterial cell together with ChmA, the primary protein of the phage nucleus. The phage DNA is transported into the phage nucleus after phage maturation, but the EPI vesicle remains outside. We hypothesized that the EPI vesicle acts as a membrane transport agent, efficiently delivering phage DNA to the phage nucleus while protecting it from the nucleases of the bacterium. IMPORTANCE Our study shed light on the processes of phage phiKZ early infection stage, expanding our understanding of possible strategies for the development of phage infection. We show that phiKZ virion content during injection is packed inside special membrane structures called early phage infection (EPI) membrane vesicles originating from the bacterial inner cell membrane. We demonstrated the EPI vesicle fulfilled the role of the safety transport unit for the phage genome to the phage nucleus, where the phage DNA would be replicated and protected from bacterial immune systems

During infection, the giant phiKZ phage forms a specialized structure at the center of the host cell called the phage nucleus. This structure is crucial for safeguarding viral DNA against bacterial nucleases and for segregating the transcriptional activities of late genes. Here, we describe a morphological entity, the early phage infection vesicle (EPI vesicle), which appears to be responsible for earlier gene segregation at the beginning of the infection process. Using cryo-electron microscopy, electron tomography, and fluorescence microscopy with membrane-specific dyes, we found that the EPI vesicle is enclosed in a lipid bilayer originating, apparently, from the inner membrane of the bacterial cell. Our investigations further disclose that the phiKZ EPI vesicle contains both viral DNA and viral RNA polymerase (vRNAP). We have observed that the EPI vesicle migrates from the cell pole to the center, displaying co-localization with ChmA, the primary protein of the phage nucleus. While phage DNA is transported into the phage nucleus after phage maturation, the EPI vesicle remains outside. We hypothesized that the EPI vesicle acts as a membrane transport agent, efficiently delivering phage DNA to the phage nucleus while protecting it from the nucleases of the bacterium.

A nucleus-like structure composed of phage-encoded proteins and containing replicating viral DNA is formed in Pseudomonas aeruginosa cells infected by jumbo bacteriophage phiKZ. The PhiKZ genes are transcribed independently from host RNA polymerase (RNAP) by two RNAPs encoded by the phage. The virion RNAP (vRNAP) transcribes early viral genes and must be injected into the cell with phage DNA. The non-virion RNAP (nvRNAP) is composed of early genes products and transcribes late viral genes. In this work, the dynamics of phage RNAPs localization during phage phiKZ infection was studied. We provide direct evidence of PhiKZ vRNAP injection in infected cells and show that it is excluded from the phage nucleus. The nvRNAP is synthesized shortly after the onset of infection and localizes in the nucleus. We propose that spatial separation of two phage RNAPs allows coordinated expression of phage genes belonging to different temporal classes.