Abstract Vortex-like arrays of cytoskeletal filaments that drive cytoplasmic streaming and nucleus rotation have been identified in eukaryotes, but similar structures have not been described in prokaryotes. The only known example of a rotating intracellular body in prokaryotic cells occurs when nucleus-forming jumbo phages infect Pseudomonas . During infection, a bipolar spindle of PhuZ filaments drives intracellular rotation of the phage nucleus, a key aspect of the replication cycle. Here we show the E. coli jumbo phage Goslar assembles a phage nucleus surrounded by an array of PhuZ filaments resembling a vortex instead of a bipolar spindle. Expression of mutant PhuZ strongly reduces Goslar phage nucleus rotation, demonstrating that the PhuZ cytoskeletal vortex is necessary for rotating the phage nucleus. While vortex-like cytoskeletal arrays are important in eukaryotes, this work identifies the first known example of a coherent assembly of filaments into a vortex-like structure driving intracellular rotation within the prokaryotic cytoplasm.

We recently discovered that some bacteriophages establish a nucleus-like replication compartment (phage nucleus), but the core genes that define nucleus-based phage replication and their phylogenetic distribution were unknown. By studying phages that encode the major phage nucleus protein chimallin, including previously sequenced yet uncharacterized phages, we discovered that chimallin-encoding phages share a set of 72 highly conserved genes encoded within seven distinct gene blocks. Of these, 21 core genes are unique to this group, and all but one of these unique genes encode proteins of unknown function. We propose that phages with this core genome comprise a novel viral family we term Chimalliviridae. Fluorescence microscopy and cryo-electron tomography studies of Erwinia phage vB_EamM_RAY confirm that many of the key steps of nucleus-based replication encoded in the core genome are conserved among diverse chimalliviruses, and reveal that non-core components can confer intriguing variations on this replication mechanism. For instance, unlike previously studied nucleus-forming phages, RAY doesn't degrade the host genome, and its PhuZ homolog appears to form a five-stranded filament with a lumen. This work expands our understanding of phage nucleus and PhuZ spindle diversity and function, providing a roadmap for identifying key mechanisms underlying nucleus-based phage replication.

Abstract Mobile introns containing homing endonucleases are widespread in nature and have long been assumed to be selfish elements that provide no benefit to the host organism. These genetic elements are common in viruses, but whether they confer a selective advantage is unclear. Here we studied a mobile intron in bacteriophage ΦPA3 and found its homing endonuclease gp210 contributes to viral competition by interfering with the virogenesis of co-infecting phage ΦKZ. We show that gp210 targets a specific sequence in its competitor ΦKZ, preventing the assembly of progeny viruses. This work reports the first demonstration of how a mobile intron can be deployed to engage in interference competition and provide a reproductive advantage. Given the ubiquity of introns, this selective advantage likely has widespread evolutionary implications in nature.

Large-genome bacteriophages (jumbo phages) of the Chimalliviridae family assemble a nucleus-like compartment bounded by a protein shell that protects the replicating phage genome from host-encoded restriction enzymes and CRISPR/Cas nucleases. While the nuclear shell provides broad protection against host nucleases, it necessitates transport of mRNA out of the nucleus-like compartment for translation by host ribosomes, and transport of specific proteins into the nucleus-like compartment to support DNA replication and mRNA transcription. Here we identify a conserved phage nuclear shell-associated protein that we term Chimallin C (ChmC), which adopts a nucleic acid-binding fold, binds RNA with high affinity in vitro, and binds phage mRNAs in infected cells. ChmC also forms phase-separated condensates with RNA in vitro. Targeted knockdown of ChmC using mRNA-targeting dCas13d halts infections at an early stage. Taken together, our data suggest that the conserved ChmC protein acts as a chaperone for phage mRNAs, potentially stabilizing these mRNAs and driving their translocation through the nuclear shell to promote translation and infection progression.

Alternative Lengthening of Telomeres (ALT) is a telomere maintenance mechanism mediated by break-induced replication (BIR), evident in approximately 15% of human cancers. A characteristic feature of ALT cancers is the presence of C-circles, circular single-stranded telomeric DNAs composed of C-rich sequences. Despite the fact that extrachromosomal C-rich single-stranded DNAs (ssDNAs), unique to ALT cells, are considered potential precursors of C-circles, their generation process remains undefined. Here, we introduce a highly sensitive method to detect single stranded telomeric DNA, called 4SET (Strand-Specific Southern-blot for Single-stranded Extrachromosomal Telomeres) assay. Utilizing 4SET, we are able to capture C-rich single stranded DNAs that are near 200 to 1500 nucleotides in size. Both linear C-rich ssDNAs and C-circles are abundant in the fractions of cytoplasm and nucleoplasm, which supports the idea that linear C-rich ssDNA accumulation may indeed precede C-circle formation. We also found that C-rich ssDNAs originate during Okazaki fragment processing during lagging strand DNA synthesis. The generation of C-rich ssDNA requires CST-PP (CTC1/STN1/TEN1-PRIMASE-Polymerase alpha) complex-mediated priming of the C-strand DNA synthesis and subsequent excessive strand displacement of the C-rich strand mediated by the DNA Polymerase delta and the BLM helicase. Our work proposes a new model for the generation of C-rich ssDNAs and C-circles during ALT-mediated telomere elongation.

Abstract Centrosomes are microtubule-organizing centers that duplicate exactly once to organize the bipolar mitotic spindle required for error-free mitosis. Prior work indicated that Drosophila centrocortin ( cen ) is required for normal centrosome separation, although a role in centriole duplication was not closely examined. Through time-lapse recordings of rapid syncytial divisions, we monitored centriole duplication and the kinetics of centrosome separation in control versus cen null embryos. Our data suggest that although cen is dispensable for centriole duplication, it contributes to centrosome separation.