Abstract Dozens of new antiviral systems have been recently characterized in bacteria. Some of these systems are present in eukaryotes and appear to have originated in prokaryotes, but little is known about these defense mechanisms in archaea. Here, we explore the diversity and distribution of defense systems in archaea and identify 2610 complete systems in Asgardarchaeota , a group of archaea related to eukaryotes. The Asgard defense systems comprise 89 unique systems, including argonaute, NLR, Mokosh, viperin, Lassamu, and CBASS. Asgard viperin and argonaute proteins have structural homology to eukaryotic proteins, and phylogenetic analyses suggest that eukaryotic viperin proteins were derived from Asgard viperins. We show that Asgard viperins display anti-phage activity when heterologously expressed in bacteria. Eukaryotic and bacterial argonaute proteins appear to have originated in Asgardarchaeota , and Asgard argonaute proteins have argonaute-PIWI domains, key components of eukaryotic RNA interference systems. Our results support that Asgardarchaeota played important roles in the origin of antiviral defense systems in eukaryotes.

Immune systems are integral to survival against viral infection. Recently, dozens of new anti-viral systems have been characterized in bacteria 1 . Some of these systems are present in eukaryotes and appear to have originated in prokaryotes. However, little is known about these defense mechanisms in archaea. Here, we identified 2,610 complete defense systems in archaea related to eukaryotes, the Asgardarchaeota 2 . These comprise 89 unique systems, including argonaute, NLR, mokosh, viperin, lassamu, and CBASS. Asgard viperin (asVip) and argonaute (asAgo) proteins are present at high frequencies compared to bacteria and have structural homology to eukaryotes. Phylogenetic analyses revealed asVips are ancestral eukaryotic proteins. Heterologous expression of asVips in bacteria, including the lineage closest to eukaryotes, Hodarchaeales, showed robust anti-phage activity. Eukaryotic-and bacterial-argonaute proteins appear to have originated in the Asgardarchaeota, and have ancient structural characteristics. AsAgos appear to have argonaute-PIWI domains which are key components of the RNA interference (RNAi) in eukaryotes. Characterization of hundreds of new defense systems in the Asgardarchaeota revealed these archaea played important roles in the innovation of viral protection in eukaryotes. Given their relationship to eukaryotes, these defense systems may have applications in biomedicine and biotechnology.

Retrons are promising gene editing tools because they can produce multi-copy single-stranded DNA in cells via self-primed reverse transcription. However, their potential for inserting genetic cargos in eukaryotes remains largely unexplored. Here we report the discovery and engineering of highly efficient retron-based gene editors for mammalian cells and vertebrates. Through bioinformatic analysis of metagenomic data and functional screening, we identified novel retron reverse transcriptases (RTs) that are highly active in mammalian cells. Rational design further improved the editing efficiency to levels comparable with conventional single-stranded oligodeoxynucleotide donors but from a genetically encoded cassette. Small molecule inhibitors of non-homologous end joining factors and Cas9-DNA repair protein fusions further increase homology-directed repair. Retron editors also exhibited robust activity with Cas12a nuclease and Cas9 nickase, expanding the genomic target scope and bypassing the need for a DNA double-stranded break. Using a rationally engineered retron editor, we incorporate a split GFP epitope tag for live cell imaging. Finally, we develop an all-RNA delivery strategy to enable DNA-free gene editing in cells and vertebrate embryos. This work establishes retron editors as a versatile and efficient tool for precise gene editing, offering new opportunities for biotechnology and biomedical research.