SUMMARY Regulatory systems that maintain prophage quiescence integrate phage and host gene expression with environmental conditions 1,2 . In the opportunistic bacterial pathogen Pseudomonas aeruginosa , Pf filamentous bacteriophages play critical roles in biofilm formation and virulence 3-5 , but mechanisms governing Pf prophage activation in biofilms are largely unknown. Here, we report a new type of prophage regulatory module in a widely-distributed P. aeruginosa lineage that not only controls virion production of co-resident Pf prophages, but also mediates defense against diverse lytic phages. By comparing two lineages of the prototype P. aeruginosa strain PAO1 that harbor different Pf prophages, we identified a prophage-encoded kinase-kinase-phosphatase (KKP) system that controls Pf production in biofilms. KKP components exhibit dynamic stoichiometry, where high kinase levels in planktonic conditions maintain phosphorylation of the host H-NS protein MvaU, repressing prophage activation. During biofilm formation, phosphatase expression is heightened, leading to MvaU dephosphorylation and alleviating repression of prophage gene expression. KKP clusters are present in hundreds of diverse temperate prophages and other mobile elements across Gram-negative bacteria. Characterization of KKP modules from different species revealed that, in addition to regulating Pf phage lysogeny, KKP functions as a tripartite toxin-antitoxin system that mediates host defense from predatory lytic phages. KKP represents a new phosphorylation-based mechanism for prophage regulation and for phage defense. The dual function of this module raises the question of whether other newly described phage defense systems 6-9 also regulate intrinsic prophage biology in diverse hosts.

Although toxin/antitoxin (TA) systems are ubiquitous, beyond phage inhibition and mobile element stabilization, their role in host metabolism is obscure. One of the best-characterized TA systems is MqsR/MqsA of Escherichia coli, which has been linked previously to protecting this gastrointestinal species during the stress it encounters from the bile salt deoxycholate as it colonizes humans. However, some recent whole-population studies have challenged the role of toxins such as MqsR in bacterial physiology, since the mqsRA locus is induced over a hundred-fold during stress, but a phenotype was not found upon its deletion. Here, we investigate further the role MqsR/MqsA by utilizing single cells and demonstrate that upon oxidative stress, the TA system MqsR/MqsA has a heterogeneous effect on the transcriptome of single cells. Furthermore, we discovered that MqsR activation leads to induction of the poorly-characterized yfjXY ypjJ yfjZF operon of cryptic prophage CP4-57. Moreover, deletion of yfjY makes the cells sensitive to H2O2, acid, and heat stress, and this phenotype was complemented. Hence, we recommend yfjY be renamed to lfgB (less fatality gene B). Critically, MqsA represses lfgB by binding the operon promoter, and LfgB is a protease that degrades MqsA to derepress rpoS and facilitate the stress response. Therefore, the MqsR/MqsA TA system facilitates the stress response through cryptic phage protease LfgB.