ABSTRACT Bacteria and archaea typically have multiple defence systems that protect them against viral predation. Recently, many new defence systems have been discovered, yet the full scope of the prokaryotic pan-immune system remains to be determined. In this study, we observed that many multi-gene defence systems have additional genes nested or ‘embedded’ within them. Based on this observation, we present a new approach to predict new defence systems, where defence function of uncharacterised genes is inferred based on their genetic embedding in known defence systems. Applying this ‘guilt-by-embedding’ method, we identified and confirmed anti-phage function for seven defence systems and predicted 145 additional candidates. Our findings expand the known immune repertoire of prokaryotes, provide a wealth of new systems for future functional studies, and demonstrate a simple, efficient approach to identify new antiviral defences.

Drug-resistant strains of Mycobacterium tuberculosis are a major global health problem. Resistance to the front-line antibiotic isoniazid is often associated with mutations in the katG encoded bifunctional catalase-peroxidase. We hypothesised that perturbed KatG activity would generate collateral vulnerabilities in INH-resistant katG mutants, providing new pathways to combat isoniazid resistance. Here, we used whole genome CRISPRi screens, transcriptomics, and metabolomics to generate a genome-wide map of cellular vulnerabilities in a M. tuberculosis katG mutant. We discovered that metabolic and transcriptional remodelling compensates for the loss of KatG but in doing so generates vulnerabilities in ribosome biogenesis, and nucleotide and amino acid metabolism. These vulnerabilities were more sensitive to inhibition in an isoniazid-resistant katG mutant under in vitro and host-relevant conditions and translated to clinical populations. These findings provide an experimental framework for developing novel strategies to combat antimicrobial resistance in M. tuberculosis and other bacterial pathogens.

CRISPR-Cas systems provide bacteria with adaptive immunity against bacteriophages. However, DNA modification, the production of anti-CRISPR proteins and potentially other strategies enable phages to evade CRISPR-Cas. Here we discovered a Serratia jumbophage that evaded type I CRISPR-Cas systems, but was sensitive to type III immunity. Jumbophage infection resulted in a nucleus-like structure enclosed by a proteinaceous phage shell - a phenomenon only reported recently for distantly related Pseudomonas phages. All three native CRISPR-Cas complexes in Serratia - type I-E, I-F and III-A - were spatially excluded from the phage nucleus and phage DNA was not targeted. However, the type III-A system still arrested jumbophage infection by targeting phage RNA in the cytoplasm in a process requiring Cas7, Cas10 and an accessory nuclease. Type III, but not type I, systems frequently targeted nucleus-forming jumbophages that were identified in global viral sequence datasets. These findings explain why many bacteria harbour both RNA- and DNA-targeting CRISPR-Cas systems. Together, our results indicate that jumbophage nucleus-like compartments serve as a barrier to DNA-targeting, but not RNA-targeting defences, and that this phenomenon is widespread amongst jumbophages.