ABSTRACT Prokaryotic CRISPR-Cas systems are highly vulnerable to phage-encoded anti-CRISPR (Acr) factors. How CRISPR-Cas systems protect themselves remains unclear. Here, we uncovered a broad-spectrum anti-anti-CRISPR strategy involving a phage-derived toxic protein. Transcription of this toxin is normally reppressed by the CRISPR-Cas effector, but is activated to halt cell division when the effector is inhibited by any anti-CRISPR proteins or RNAs. We showed that this abortive infection-like effect efficiently expels Acr elements from bacterial population. Furthermore, we exploited this anti-anti-CRISPR mechanism to develop a screening method for specific Acr candidates for a CRISPR-Cas system, and successfully identified two distinct Acr proteins that enhance the binding of CRISPR effector to non-target DNA. Our data highlight the broad-spectrum role of CRISPR-repressed toxins in counteracting various types of Acr factors, which illuminates that the regulatory function of CRISPR-Cas confers host cells herd immunity against Acr-encoding genetic invaders, no matter they are CRISPR-targeted or not.

Determining details of spatially extended neurons is a challenge that needs to be overcome. The oriens-lacunosum/moleculare (OLM) interneuron has been implicated as a critical controller of hippocampal memory making it essential to understand how its biophysical properties contribute to function. We previously used computational models to show that OLM cells exhibit theta spiking resonance frequencies that depend on their dendrites having hyperpolarization-activated cation channels (h-channels). However, whether OLM cells have dendritic h-channels is unknown. We performed a set of whole-cell recordings of OLM cells from mouse hippocampus and constructed multi-compartment models using morphological and electrophysiological parameters extracted from the same cell. The models matched experiments only when dendritic h-channels were present. Immunohistochemical localization of the HCN2 subunit confirmed dendritic expression. These models can be used to obtain insight into hippocampal function. Our work shows that a tight integration of model and experiment tackles the challenge of characterizing spatially extended neurons.

ABSTRACT CRISPR RNAs (crRNAs) and Cas proteins together provide prokaryotes with adaptive immunity against genetic invaders. How Cas expression is fine-tuned to avoid energy burden while satisfying the dynamic need of crRNAs remains poorly understood. Here we experimentally demonstrated widespread degenerated mini-CRISPRs encode CreR ( C as- re gulating) R NAs to mediate autorepression of type I-B, I-E and V-A Cas proteins, based on their partial complementarity to cas promoters. This autorepression decreases energy burden and autoimmune risks, thus mitigating the fitness cost on host cell, and remarkably, senses and responds to alterations in the volume of canonical crRNAs, which compete with CreR for Cas proteins. Moreover, CreR-guided Cas autorepression can be subverted by diverse anti-CRISPR (Acr) proteins that destruct Cas proteins, which in turn replenishes the weapon depot. Our data unveil a general degenerated crRNA-guided autorepression paradigm for diverse Cas effectors, which highlights the intricate (self-)regulation of CRISPR-Cas and its transcriptional counterstrategy against Acr attack.

Abstract Navigating within our neighborhood, learning a set of concepts, or memorizing a story, requires remembering the relationship between individual items that are presented sequentially. Theta activity in the mammalian hippocampus has been related to the encoding and recall of relational structures embedding episodic memories. However, how theta oscillations are involved in retrieving temporal order information in opposing directionality (forward vs backward) has not been characterized. Here, using intracranial recordings from 10 human epileptic patients of both genders with hippocampal electrodes, we tested the patients with a temporal order memory task in which they learned the spatial relationship among individual items arranged along a circular track and were tested on both forward-cued and backward-cued retrieval conditions. We found that sustained high-power oscillatory events in the hippocampal theta (2-8 Hz) band, as quantified by P episode rate, were higher for the backward conditions during the later stage but not in the earlier stage. The theta P episode results are consistent with the behavioral memory performance. In contrast, we observed a stronger effect of forward than backward retrieval for the gamma (30-70 Hz) P episode rate irrespective of stages. Our results revealed differential roles of theta vs. gamma oscillations in the retrieval of temporal order and how theta oscillations are specifically implicated in the learning process for efficient retrieval of temporal order memories under opposing directionality. Significance statement While the hippocampus is critical to link events into unitary episodes, the effect of repeated experiences, or learning, on these processes is not entirely clear. We discovered that hippocampal theta oscillation in humans is modulated by repeated experiences, which in turn increases the efficacy of backward-cued memory retrieval of temporal order. This study revealed an important physiological signature characterizing the role of experiences and learning in bidirectional temporal memory retrieval. Journal section Behavioral/Cognitive