Prokaryotes acquire virus resistance by integrating short fragments of viral nucleic acid into clusters of regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPRs). Here we show how virus-derived sequences contained in CRISPRs are used by CRISPR-associated (Cas) proteins from the host to mediate an antiviral response that counteracts infection. After transcription of the CRISPR, a complex of Cas proteins termed Cascade cleaves a CRISPR RNA precursor in each repeat and retains the cleavage products containing the virus-derived sequence. Assisted by the helicase Cas3, these mature CRISPR RNAs then serve as small guide RNAs that enable Cascade to interfere with virus proliferation. Our results demonstrate that the formation of mature guide RNAs by the CRISPR RNA endonuclease subunit of Cascade is a mechanistic requirement for antiviral defense.

Prokaryotic clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR)/Cas (CRISPR-associated sequences) systems provide adaptive immunity against viruses when a spacer sequence of small CRISPR RNA (crRNA) matches a protospacer sequence in the viral genome. Viruses that escape CRISPR/Cas resistance carry point mutations in protospacers, though not all protospacer mutations lead to escape. Here, we show that in the case of Escherichia coli subtype CRISPR/Cas system, the requirements for crRNA matching are strict only for a seven-nucleotide seed region of a protospacer immediately following the essential protospacer-adjacent motif. Mutations in the seed region abolish CRISPR/Cas mediated immunity by reducing the binding affinity of the crRNA-guided Cascade complex to protospacer DNA. We propose that the crRNA seed sequence plays a role in the initial scanning of invader DNA for a match, before base pairing of the full-length spacer occurs, which may enhance the protospacer locating efficiency of the E. coli Cascade complex. In agreement with this proposal, single or multiple mutations within the protospacer but outside the seed region do not lead to escape. The relaxed specificity of the CRISPR/Cas system limits escape possibilities and allows a single crRNA to effectively target numerous related viruses.

The CRISPR system is a prokaryotic immune system that depends on the Cascade protein complex and small guide RNAs (crRNAs). The Cascade complex, loaded with crRNA, is now characterized, the overall architecture of Cascade deduced, and the complex found to identify targets by formation of an R loop between the crRNA and dsDNA. The CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) immune system in prokaryotes uses small guide RNAs to neutralize invading viruses and plasmids. In Escherichia coli, immunity depends on a ribonucleoprotein complex called Cascade. Here we present the composition and low-resolution structure of Cascade and show how it recognizes double-stranded DNA (dsDNA) targets in a sequence-specific manner. Cascade is a 405-kDa complex comprising five functionally essential CRISPR-associated (Cas) proteins (CasA1B2C6D1E1) and a 61-nucleotide CRISPR RNA (crRNA) with 5′-hydroxyl and 2′,3′-cyclic phosphate termini. The crRNA guides Cascade to dsDNA target sequences by forming base pairs with the complementary DNA strand while displacing the noncomplementary strand to form an R-loop. Cascade recognizes target DNA without consuming ATP, which suggests that continuous invader DNA surveillance takes place without energy investment. The structure of Cascade shows an unusual seahorse shape that undergoes conformational changes when it binds target DNA.

The prokaryotic CRISPR/Cas immune system is based on genomic loci that contain incorporated sequence tags from viruses and plasmids. Using small guide RNA molecules, these sequences act as a memory to reject returning invaders. Both the Cascade ribonucleoprotein complex and the Cas3 nuclease/helicase are required for CRISPR interference in Escherichia coli, but it is unknown how natural target DNA molecules are recognized and neutralized by their combined action. Here we show that Cascade efficiently locates target sequences in negatively supercoiled DNA, but only if these are flanked by a protospacer-adjacent motif (PAM). PAM recognition by Cascade exclusively involves the crRNA-complementary DNA strand. After Cascade-mediated R loop formation, the Cse1 subunit recruits Cas3, which catalyzes nicking of target DNA through its HD-nuclease domain. The target is then progressively unwound and cleaved by the joint ATP-dependent helicase activity and Mg2+-dependent HD-nuclease activity of Cas3, leading to complete target DNA degradation and invader neutralization.

Abstract The activity of bacteriophages poses a major threat to bacterial survival. Upon infection, a temperate phage can either kill the host cell or be maintained as a prophage. In this state, the bacteria carrying the prophage is at risk of superinfection, where another phage injects its genetic material and competes for host cell resources. To avoid this, many phages have evolved mechanisms that alter the bacteria and make it resistant to phage superinfection. The mechanisms underlying these phentoypic conversions and the fitness consequences for the host are poorly understood, and systematic studies of superinfection exclusion mechanisms are lacking. In this study, we examined a wide range of Pseudomonas aeruginosa phages and found that they mediate superinfection exclusion through a variety of mechanisms, some of which affected the type IV pilus and O-antigen, and others that functioned inside the cell. The strongest resistance mechanism was a surface modification that we showed is cost-free for the bacterial host in a natural soil environment and in a Caenorhabditis. elegans infection model. This study represents the first systematic approach to address how a population of prophages influences phage resistance and bacterial behavior in P. aeruginosa.

Here, Argonaute from the prokaryote Thermus thermophilus is shown to use small DNA guides to interfere directly with invading foreign DNA, rather than being involved in RNA-guided RNA interference, as observed in eukaryotes. One function of RNA interference (RNAi) in eukaryotes is to protect the cell from foreign small single-stranded RNA (ssRNAs) through a process in which short RNAs encoded by the host bind homologous RNA targets and mediate their degradation. Argonaute (Ago) is a key enzyme of RNA-guided RNAi pathways in eukaryotes; many prokaryotes also possess Ago-encoding genes, but their physiological role has remained unknown. John van der Oost and colleagues now show that prokaryotic Ago — from the bacterium Thermus thermophilus — protects the cell against invasion by foreign DNA, rather than RNA. In this case, Ago is loaded with small interfering DNAs similar to those derived from plasmid DNA, which bind and cleave complementary DNAs. RNA interference is widely distributed in eukaryotes and has a variety of functions, including antiviral defence and gene regulation1,2. All RNA interference pathways use small single-stranded RNA (ssRNA) molecules that guide proteins of the Argonaute (Ago) family to complementary ssRNA targets: RNA-guided RNA interference1,2. The role of prokaryotic Ago variants has remained elusive, although bioinformatics analysis has suggested their involvement in host defence3. Here we demonstrate that Ago of the bacterium Thermus thermophilus (TtAgo) acts as a barrier for the uptake and propagation of foreign DNA. In vivo, TtAgo is loaded with 5′-phosphorylated DNA guides, 13–25 nucleotides in length, that are mostly plasmid derived and have a strong bias for a 5′-end deoxycytidine. These small interfering DNAs guide TtAgo to cleave complementary DNA strands. Hence, despite structural homology to its eukaryotic counterparts, TtAgo functions in host defence by DNA-guided DNA interference.

Abstract It is becoming increasingly clear that antibiotics can both positively and negatively impact the infectivity of bacteriophages (phage), but the underlying mechanisms often remain unclear. Here we demonstrate that antibiotics that target the protein translation machinery can fundamentally alter the outcome of bacteria-phage interactions by interfering with the production of phage-encoded counter-defence proteins. Specifically, using Pseudomonas aeruginosa PA14 and phage DMS3vir as a model, we show that bacteria with CRISPR-Cas immune systems have elevated levels of immunity against phage that encode anti-CRISPR ( acr ) genes when translation inhibitors are present in the environment. CRISPR-Cas are highly prevalent defence systems that enable bacteria to detect and destroy phage genomes in a sequence-specific manner. In response, many phages encode acr genes that are expressed immediately following infection to inhibit key steps of the CRISPR-Cas immune response. Our data show that while phage carrying acr genes can amplify efficiently on bacteria with CRISPR-Cas immune systems in the absence of antibiotics, the presence of antibiotics that act on protein translation prevents phage amplification, while protecting bacteria from lysis. These results help to understand how antibiotics-phage synergy and antagonism depend on the molecular interactions that define phage infectivity and host immunity.

Abstract Phage therapy can be used in combination with antibiotics to combat infections with bacterial pathogens 1–3 . However, bacteria can rapidly evolve phage resistance via receptor mutation, or using their CRISPR-Cas adaptive immune systems 4 , which insert short phage-derived sequences into CRISPR loci in the bacterial genome 5 to guide sequence-specific cleavage of cognate sequences 6 . Unlike CRISPR-Cas immunity, mutation of the phage receptor leads to attenuated virulence when the opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa is infected with its phage DMS3vir 7 , which underscores the need to predict how phage resistance evolves under clinically relevant conditions. Here, using eight antibiotics with various modes of action, we show that bacteriostatic antibiotics (which inhibit cell growth without killing) specifically promote evolution of CRISPR-Cas immunity in P. aeruginosa by slowing down phage development and providing more time for cells to acquire phage-derived sequences and mount an immune response. Our data show that some antimicrobial treatments can contribute to the evolution of phage-resistant pathogens with high virulence.

Abstract CRISPR-Cas adaptive immune systems enable bacteria and archaea to efficiently respond to viral pathogens by creating a genomic record of previous encounters. These systems are broadly distributed across prokaryotic taxa, yet are surprisingly absent in a majority of organisms, suggesting that the benefits of adaptive immunity frequently do not outweigh the costs. Here, combining experiments and models, we show that a delayed immune response which allows viruses to transiently redirect cellular resources to reproduction, which we call “immune lag”, is extremely costly during viral outbreaks, even to completely immune hosts. Critically, the costs of lag are only revealed by examining the early, transient dynamics of a host-virus system occurring immediately after viral challenge. Lag is a basic parameter of microbial defense, relevant to all intracellular, post-infection antiviral defense systems, that has to-date been largely ignored by theoretical and experimental treatments of host-phage systems.

Abstract CRISPR-Cas are adaptive immune systems that protect their hosts against viruses and other parasitic mobile genetic elements. Consequently, selection from viruses and other genetic parasites is often assumed to drive the acquisition and maintenance of these immune systems in nature, but this remains untested. Here, we analyse the abundance of CRISPR arrays in natural environments using metagenomic datasets from 332 terrestrial, aquatic and host-associated ecosystems. For each metagenome we quantified viral abundance and levels of viral community diversity to test whether these variables can explain variation in CRISPR-Cas abundance across ecosystems. We find a strong positive correlation between CRISPR-Cas abundance and viral abundance. In addition, when controlling for differences in viral abundance, we found that the CRISPR-Cas systems are more abundant when viral diversity is low. We also found differences in relative CRISPR-Cas abundance among environments, with environmental classification explaining ∼24% of variation in CRISPR-Cas abundance. However, the correlations with viral abundance and diversity are broadly consistent across diverse natural environments. These results indicate that viral abundance and diversity are major ecological factors that drive the selection and maintenance of CRISPR-Cas in microbial ecosystems. Significance statement Numerous studies demonstrate that CRISPR-Cas immune systems can provide defence against bacteriophage and archaeal viruses, yet little is known about the ecological conditions where CRISPR-Cas immunity is favoured. Moreover, our knowledge is largely confined to laboratory studies and it is unknown if viruses are a key selective driver of CRISPR-Cas in nature. Using metagenomic data from diverse environments we find that both viral abundance and the abundance of CRISPR-Cas immune systems correlate positively across most environments. Furthermore, CRISPR-Cas systems are more prevalent when viral diversity is low. These results extend previous theoretical work by demonstrating that viruses are a key driver of selection of CRISPR-Cas immune systems across many natural ecosystems.