Summary The type III-E CRISPR-Cas system comprises a Cas effector (gRAMP), a TPR-CHAT and several ancillary proteins. However, both the structural features of gRAMP and the immunity mechanism remain unknown for this system. Here, we report a series of structures of gRAMP-crRNA, either its alone or in complex with target RNA or TPR-CHAT (called Craspase), and Craspase complexed with cognate (CTR) or non-cognate target RNA (NTR). Importantly, the 3’ anti-tag region of NTR and CTR bind at two distinct channels in the Craspase, and CTR with a non-complementary 3’ anti-tag induces a marked conformational change of the TPR-CHAT, which allosterically activates its protease activity to cleave an ancillary protein Csx30. This cleavage then triggers an abortive infection as the antiviral strategy of the type III-E system. Together, our study provides crucial insights into both the catalytic mechanism of the gRAMP and the immunity mechanism of the type III-E CRISPR-Cas system.

Prokaryotic anti-phage immune systems use TIR (toll/interleukin-1 receptor) and cGAS (cyclic GMP-AMP synthase) enzymes to produce 199-39/199-29 glycocyclic ADPR (gcADPR) and cyclid di-/tri-nucleotides (CDNs and CTNs) signaling molecules that limit phage replication, respectively. However, how phages neutralize these common systems is largely unknown. Here, we show that Thoeris anti-defense proteins Tad1 and Tad2 both have anti-CBASS activity by simultaneously sequestering CBASS cyclic oligonucleotides. Strikingly, apart from binding Thoeris signals 199-39 and 199-29 gcADPR, Tad1 also binds numerous CBASS CDNs/CTNs with high affinity, inhibiting CBASS systems using these molecules in vivo and in vitro. The hexameric Tad1 has six binding sites for CDNs or gcADPR, which are independent from two high affinity binding sites for CTNs. Tad2 also sequesters various CDNs in addition to gcADPR molecules, inhibiting CBASS systems using these CDNs. However, the binding pockets for CDNs and gcADPR are different in Tad2, whereby a tetramer can bind two CDNs and two gcADPR molecules simultaneously. Taken together, Tad1 and Tad2 are both two-pronged inhibitors that, alongside anti-CBASS protein 2, establish a paradigm of phage proteins that flexibly sequester a remarkable breadth of cyclic nucleotides involved in TIR- and cGAS-based anti-phage immunity.