Compact defense system in bacteriophages The CRISPR-Cas system, naturally found in many prokaryotes, is widely used for genome editing. CRISPR arrays in the bacterial genome, derived from the genome of invading viruses, are used to generate a CRISPR RNA that guides the Cas enzyme to destroy repeat viral invaders. Recently, an unexpectedly compact CRISPR-Cas system was identified in huge bacteriophages. Pausch et al . show that even though this system lacks commonly found accessory proteins, it is functional. In addition to a CRISPR array, the only component of the system is an enzyme called CasF, which uses the same active site to process transcripts of the CRISPR arrays into CRISPR RNA and to destroy foreign nucleic acids. This system, which is active in human and plant cells, provides a hypercompact addition to the genome-editing toolbox. Science this issue p. 333

Adaptive immunity of prokaryotes is mediated by CRISPR-Cas systems that employ a large variety of Cas protein effectors to identify and destroy foreign genetic material. The different targeting mechanisms of Cas proteins rely on the proper protection of the host genome sequence while allowing for efficient detection of target sequences, termed protospacers. A short DNA sequence, the protospacer-adjacent motif (PAM), is frequently used to mark proper target sites. Cas proteins have evolved a multitude of PAM-interacting domains, which enables them to cope with viral anti-CRISPR measures that alter the sequence or accessibility of PAM elements. In this review, we summarize known PAM recognition strategies for all CRISPR-Cas types. Available structures of target bound Cas protein effector complexes highlight the diversity of mechanisms and domain architectures that are employed to guarantee target specificity.

Abstract CRISPR-Cas systems have been developed as important tools for plant genome engineering. Here, we demonstrate that the hypercompact CasΦ nuclease is able to generate stably inherited gene edits in Arabidopsis , and that CasΦ guide RNAs can be expressed with either the Pol-III U6 promoter or a Pol-II promoter together with ribozyme mediated RNA processing. Using the Arabidopsis fwa epiallele we show that CasΦ displays higher editing efficiency when the target locus is not DNA methylated, suggesting that CasΦ is sensitive to chromatin environment. Importantly, two CasΦ protein variants, vCasΦ and nCasΦ, both showed much higher editing efficiency relative to the wildtype CasΦ enzyme, and yielded more offspring plants with inherited edits. Extensive genomic analysis of gene edited plants showed no off-target editing, suggesting that CasΦ is highly specific. The hypercompact size, T-rich minimal PAM and wide range of working temperatures make CasΦ an excellent supplement to existing plant genome editing systems. Significance Statement Plant genome engineering with CRISPR-Cas systems is frequently used in both research and agriculture. Here, we demonstrate that the hypercompact CasΦ-2 nuclease is able to generate heritable gene edits in Arabidopsis . Two CasΦ protein variants vCasΦ and nCasΦ increased the editing efficiency in plants. CasΦ also has a wide range of working temperatures and the editing by CasΦ is highly specific. We also observed that editing by CasΦ is sensitive to chromatin environment. The hypercompact size, T-rich minimal PAM and wide range of working temperatures make CasΦ an excellent supplement to existing plant genome editing systems.

Selection for a certain trait in microbes depends on the genetic background of the strain and the selection pressure of the environmental conditions acting on the cells. In contrast to the sessile state in the biofilm, various bacterial cells employ flagellum-dependent motility under planktonic conditions suggesting that the two phenotypes are mutually exclusive. However, flagellum dependent motility facilitates the prompt establishment of floating biofilms on the air-medium interface, called pellicles. Previously, pellicles of B. subtilis were shown to be preferably established by motile cells, causing a reduced fitness of non-motile derivatives in the presence of the wild type strain. Here, we show that lack of fully assembled flagella promotes the evolution of matrix overproducers that can be distinguished by the characteristic wrinkled colony morphotype. The wrinkly phenotype is associated with amino acid substitutions in the master repressor of biofilm-related genes, SinR. By analyzing one of the mutations, we show that it alters the tetramerization and DNA binding properties of SinR, allowing an increased expression of the operon responsible for exopolysaccharide production. Finally, we demonstrate that the wrinkly phenotype is advantageous when cells lack flagella, but not in the wild type background.

ABSTRACT Type IV-A CRISPR-Cas systems are primarily encoded on plasmids and form multi-subunit ribonucleoprotein complexes with unknown biological functions. In contrast to other CRISPR-Cas types, they lack the archetypical CRISPR acquisition module and encode a DinG helicase instead of a nuclease component. Type IV-A3 systems are carried by large conjugative plasmids that often harbor multiple antibiotic-resistance genes. Although their CRISPR array contents suggest a role in inter-plasmid conflicts, this function and the underlying mechanisms have remained unexplored. Here, we demonstrate that a plasmid-encoded type IV-A3 CRISPR-Cas system co-opts the type I-E adaptation machinery from its clinical Klebsiella pneumoniae host to update its CRISPR array. Furthermore, we demonstrate that robust interference of conjugative plasmids and phages is elicited through CRISPR RNA-dependent transcriptional repression. By targeting plasmid core functions, type IV-A3 can prevent the uptake of incoming plasmids, limit their horizontal transfer, and destabilize co-residing plasmids, altogether supporting type IV-A3’s involvement in plasmid competition. Collectively, our findings shed light on the molecular mechanisms and ecological function of type IV-A3 systems and have broad implications for understanding and countering the spread of antibiotic resistance in clinically relevant strains.

Emerging data have highlighted a correlation between microbiome composition and cancer immunotherapy outcome. While commensal bacteria and their metabolites are known to modulate the host environment, contradictory effects and a lack of mechanistic understanding are impeding the translation of microbiome-based therapies into the clinic. In this study, we demonstrate that abundance of the commensal metabolite pentanoate is predictive for survival of chimeric antigen receptor (CAR) T cell patients. Its implementation in the CAR T cell manufacturing workflow overcomes solid tumor microenvironments in immunocompetent cancer models by hijacking the epigenetic-metabolic crosstalk, reducing exhaustion and promoting naive-like differentiation. While synergy of clinically relevant drugs mimicked the phenotype of pentanoate-engineered CAR T cells in vitro, in vivo challenge showed inferior tumor control. Metabolic tracing of 13C-pentanoate revealed citrate generation in the TCA cycle via the acetyl- and succinyl-CoA entry points as a unique feature of the C5 aliphatic chain. Inhibition of the ATP-citrate lyase, which links metabolic output and histone acetylation, led to accumulation of pentanoate-derived citrate from the succinyl-CoA route and decreased functionality of SCFA-engineered CAR T cells. Our data demonstrate that microbial metabolites are incorporated as epigenetic imprints and implementation into CAR T cell production might serve as embodiment of the microbiome-host axis benefits for clinical applications.