Abstract A major challenge faced by bacteria is infection by bacteriophage (phage). Abortive infection is one strategy for combating phage in which an infected cell kills itself to limit phage replication, thus protecting neighboring kin. One class of abortive infection systems is the c yclic oligonucleotide b ased a nti-phage s ignaling s ystem (CBASS) which relies on two core enzymatic activities; an oligo-nucleotide cyclase that is activated following phage infection and a cyclic-oligo-nucleotide sensitive effector whose activity kills the infected cell. However, the mechanisms behind the deployment and activation of these lethal CBASS systems prior-to and following infection have largely remained a mystery. While exploring unique genomic features of the current pandemic Vibrio cholerae biotype El Tor for clues underlying its pandemic success we found its CBASS was spuriously activated by the folate biosynthesis inhibitor sulfamethoxazole, but only after the population had reached a high-cell density. This population density dependent activity revealed that transcription of both the oligo-nucleotide cyclase, dncV , and the CBASS phospholipase effector, capV , is enhanced at high-cell density by quorum sensing. Together, these results demonstrate that the V. cholerae CBASS is deployed when the environment is densely populated and activated in response to a perturbation in folate biosynthesis. Significance To counteract infection with phage, bacteria have evolved a myriad of molecular defense systems. Some of these systems initiate a process called abortive infection, in which the infected cell kills itself to prevent phage propagation. However, such systems must be inhibited in the absence of phage infection to prevent spurious death of the host. Here we show that the c yclic oligonucleotide b ased a nti-phage s ignaling s ystem (CBASS) accomplishes this by sensing intracellular folate molecules and only expressing this system in a group. These results enhance our understanding of the evolution of the 7 th V. cholerae pandemic and more broadly how bacteria defend themselves against phage infection.

Toxin-antitoxin (TA) systems are ubiquitous two-gene loci that bacteria use to regulate cellular processes such as phage defense. Here, we demonstrate the mechanism by which a novel type III TA system, avcID , is activated and confers resistance to phage infection. The toxin of the system (AvcD) is a deoxycytidylate deaminase that converts deoxycytidines (dC) to dexoyuridines (dU), while the RNA antitoxin (AvcI) inhibits AvcD activity. We have shown that AvcD deaminated dC nucleotides upon phage infection, but the molecular mechanism that activated AvcD was unknown. Here we show that the activation of AvcD arises from phage-induced shutoff of host transcription, leading to degradation of the labile AvcI. AvcD activation and nucleotide depletion not only decreases phage replication but also increases the formation of defective phage virions. Surprisingly, infection of phages such as T7 that are not inhibited by AvcID also lead to AvcI RNA antitoxin degradation and AvcD activation, suggesting that depletion of AvcI is not sufficient to confer protection against some phage. Rather, our results support that phage with a longer lysis time like T5 are sensitive to AvcID-mediated protection while those with a shorter lysis time like T7 are resistant.Numerous diverse antiphage defense systems have been discovered in the past several years, but the mechanisms of how these systems are activated upon phage infection and why these systems protect against some phage but not others are poorly understood. The AvcID toxin-antitoxin phage defense system depletes nucleotides of the dC pool inside the host upon phage infection. We show that phage inhibition of host cell transcription activates this system by depleting the AvcI inhibitory sRNA, which inhibits production of phage and leads to the formation of defective virions. Additionally, we determined that phage lysis time is a key factor that influences sensitivity to AvcID with faster replicating phage exhibiting resistance to its effects. This study has implications for understanding the factors that influence bacterial host/phage dynamics.