The arms race between bacteria and phages led to the development of sophisticated antiphage defense systems, including CRISPR-Cas and restriction-modification systems. Evidence suggests that known and unknown defense systems are located in “defense islands” in microbial genomes. Here, we comprehensively characterized the bacterial defensive arsenal by examining gene families that are clustered next to known defense genes in prokaryotic genomes. Candidate defense systems were systematically engineered and validated in model bacteria for their antiphage activities. We report nine previously unknown antiphage systems and one antiplasmid system that are widespread in microbes and strongly protect against foreign invaders. These include systems that adopted components of the bacterial flagella and condensin complexes. Our data also suggest a common, ancient ancestry of innate immunity components shared between animals, plants, and bacteria.

Abstract Bacterial anti-phage defense systems are frequently clustered in microbial genomes, forming defense islands. This genomic property enabled the recent discovery of multiple defense systems based on their genomic co-localization with known systems, but the full arsenal of anti-phage mechanisms in bacteria is still unknown. In this study we report the discovery of 21 new defense systems that protect bacteria from phages, based on computational genomic analyses and phage infection experiments. We find multiple systems with protein domains known to be involved in eukaryotic anti-viral immunity, including ISG15-like proteins, dynamin-like proteins, and SEFIR domains, and show that these domains participate in bacterial defense against phages. Additional systems include protein domains predicted to manipulate DNA and RNA molecules, as well as multiple toxin-antitoxin systems shown here to function in anti-phage defense. The systems we discovered are widely distributed in bacterial and archaeal genomes, and in some bacteria form a considerable fraction of the immune arsenal. Our data substantially expand the known inventory of defense systems utilized by bacteria to counteract phage infection.

Argonaute (Ago) proteins are found in all three domains of life. The so-called long Agos are composed of four major domains (N, PAZ, MID, and PIWI) and contribute to RNA silencing in eukaryotes (eAgos) or defence against invading mobile genetic elements in prokaryotes (pAgos). The majority (~60%) of pAgos identified bioinformatically are shorter (comprised of only MID and PIWI domains) and are typically associated with Sir2, Mrr or TIR domain-containing proteins. The cellular function and mechanism of short pAgos remain enigmatic. Here, we show that Geobacter sulfurreducens short pAgo and the NAD + -bound Sir2-protein form a stable heterodimeric complex. The GsSir2/Ago complex presumably recognizes invading plasmid or phage DNA and activates the Sir2 subunit, which triggers endogenous NAD + depletion and cell death, and prevents the propagation of invading DNA. We reconstituted NAD + depletion activity in vitro and showed that activated GsSir2/Ago complex functions as a NADase that hydrolyses NAD + to ADPR. Thus, short Sir2-associated pAgos provide defence against phages and plasmids and underscores the diversity of mechanisms of prokaryotic Agos.

Antagonistic interactions with viruses are an important driver of the ecology and evolution of bacteria, and associating genetic signatures to these interactions is of fundamental importance to predict viral infection success. Recent studies have highlighted that bacteria possess a large, rapidly changing arsenal of defense genes and that viruses can neutralize at least some of these genes with matching anti-defenses. However, a broadly applicable approach for discovering the genetic underpinnings of such interactions is missing since typically used methods such as comparative genomics are limited by the rampant horizontal gene transfer and poor annotation of viral and bacterial genes. Here we show that genes that allow the viruses to overcome bacterial defenses can be systematically identified using an interpretable machine-learning approach even when using diverse bacteria-virus infection data. To verify the predictions, we experimentally characterized eight previously unknown anti-defense proteins in viruses specific for Vibrio bacteria and showed that they counteract a wide range of bacterial immune systems, including AbiH, AbiU, Septu, DRT, CBASS, and Retron. The power of our computational approach is highlighted by the identification of anti-defense proteins that inhibit non-homologous defense systems, which we verify for Retron and AbiH. We suggest that the computational prediction based on experimental interactions offers a promising avenue to unravel the genetic mechanisms of co-evolution between bacteria and their viruses.

Abstract Extreme Antarctic conditions provide one of the closest analogues of extraterrestrial environments. Since air and snow samples, especially from polar regions, yield DNA amounts in the lower picogram range, binning of prokaryotic genomes is challenging and renders studying the dispersal of biological entities across these environments difficult. Here, we hypothesized that dispersal of host-associated bacteriophages (adsorbed, replicating or prophages) across the Antarctic continent can be tracked via their genetic signatures aiding our understanding of virus and host dispersal across long distances. Phage genome fragments (PGFs) reconstructed from surface snow metagenomes of three Antarctic stations were assigned to four host genomes, mainly Betaproteobacteria including Ralstonia spp. We reconstructed the complete genome of a temperate phage with near-complete alignment to a prophage in the reference genome of Ralstonia pickettii 12D. PGFs from different stations were related to each other at the genus level and matched similar hosts. Metagenomic read mapping and nucleotide polymorphism analysis revealed a wide dispersal of highly identical PGFs, 13 of which were detected in seawater from the Western Antarctic Peninsula in distance of 5538 km to the snow sampling stations. Our results suggest that host-associated phages, especially of Ralstonia sp., disperse over long distances despite harsh conditions of the Antarctic continent. Given that 14 phages associated with two R. pickettii draft genomes isolated from space equipment were identified, we conclude that Ralstonia phages are ideal mobile genetic elements to track dispersal and contamination in ecosystems relevant for Astrobiology. Importance Host-associated phages of the bacterium Ralstonia identified in snow samples can be used to track microbial dispersal over thousands of kilometers across the Antarctic continent, which functions as an extraterrestrial analogue because of its harsh environmental conditions. Due to presence of these bacteria carrying genome-integrated prophages on space-related equipment, and the here demonstrated potential for dispersal of host-associated phages, our work has implications for Planetary Protection, a discipline in Astrobiology interested in preventing contamination of celestial bodies with alien biomolecules or forms of life.