Abstract The type VI secretion system (T6SS) is a double-tubular toxin-injection nanomachine widely found in gram-negative human and plant pathogens. The current model depicts that the T6SS spear-like Hcp tube is powered by the contraction of an outer sheath to drill through the envelope of a neighboring cell, achieving cytosol to cytosol delivery. However, gram-positive bacteria seem to be impenetrable to such T6SS action. Here we report that a plant pathogen Acidovorax citrulli (AC) deploys a highly potent T6SS to kill a range of bacteria including Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa , Bacillus subtilis , and Mycobacterium smegmatis as well as fungal species including Candida albicans and Pichia pastoris . Using bioinformatic and biochemical assays, we identified a group of T6SS effectors and characterized one effector RhsB that is critical for interspecies interaction. We report that RhsB contains a conserved YD-repeat domain and a C-terminal nuclease domain. Toxicity of RhsB was neutralized by its downstream immunity proteins through direct interaction. RhsB was cleaved at the C-terminal end and a catalytic mutation within the internal aspartic protease abolished such cleavage. Collectively, the T6SS of AC displays potent activities to penetrate the cell envelope barriers of gram-positive and fungal species, highlighting the greatly expanded capabilities of T6SS in modulating microbiome compositions in complex environments.

Abstract To recognize and manipulate a specific microbe of a crowded community is a highly challenging task in synthetic biology. Here, we introduce a highly-selective protein delivery platform, termed DUEC, which responds to direct contact of attacking cells by engineering the tit-for-tat/dueling response of H1-T6SS (type VI secretion system) in Pseudomonas aeruginosa . Using a Cre-recombinase-dependent reporter, we screened H1-T6SS secreted substrates and developed Tse6 N as the most effective secretion tag for Cre delivery. DUEC cells can discriminately deliver the Tse6 N -Cre cargo into the cytosol of T6SS + but not T6SS − Vibrio cholerae cells in a mixed population. These data demonstrate that the DUEC cell is not only a prototypical physical-contact sensor and delivery platform but also may be coupled with recombination-based circuits with the potential for complex tasks in mixed microbial communities.

Abstract Pseudomonas aeruginosa is an important human pathogen that can cause severe wound and lung infections. It employs the type VI secretion system (H1-T6SS) as a molecular weapon to carry out a unique dueling response to deliver toxic effectors to neighboring sister cells or other microbes after sensing an external attack. However, the underlying mechanism for such dueling is not fully understood. Here, we examined the role of all H1-T6SS effectors and VgrG proteins in assembly and signal sensing by ectopic expression, combinatorial deletion and point mutations, and imaging analyses. Expression of effectors targeting the cell wall and membrane resulted in increased H1-T6SS assembly. Deletion of individual effector and vgrG genes had minor- to-moderate effects on H1-T6SS assembly and dueling activities. The dueling response was detectable in the P. aeruginosa mutant lacking all H1-T6SS effector activities. In addition, double deletions of vgrG1a with either vgrG1b or vgrG1c and double deletions of effector genes tse5 and tse6 severely reduced T6SS assembly and dueling activities, suggesting their critical role in T6SS assembly. Collectively, these data highlight the diverse roles of effectors in not only dictating antibacterial functions but also their differential contributions to the assembly of the complex H1-T6SS apparatus.

Abstract Vibrio cholerae , the etiological pathogen of cholera, relies on its type VI secretion system (T6SS) as an effective weapon to survive in highly competitive communities. The anti-bacterial and anti-eukaryotic functions of T6SS depend on its secreted effectors that target multiple essential cellular processes. However, the mechanisms that account for effector diversity and different effectiveness during interspecies competition remain elusive. Here, we report that environmental cations and temperature play a key role in dictating effector-mediated competition of Vibrio cholerae . We found that V. cholerae could employ its cell-wall-targeting effector TseH to outcompete the otherwise resistant Escherichia coli and the V. cholerae immunity deletion mutant ΔtsiH when Ca 2+ and Mg 2+ were supplemented. The E. coli Δ phoQ mutant was more sensitive to TseH-mediated killing during competition, suggesting the metal-sensing PhoPQ two-component system is protective to E. coli from TseH activity. Using transcriptome analysis, we found multiple stress response systems, including acid stress response, oxidative stress response, and osmotic stress response, were activated in E. coli expressing TseH in comparison with E. coli expressing the inactive mutant TseH H64A . The membrane-targeting lipase effector TseL also exhibited reduced killing against E. coli when divalent cations were removed. In addition, competition analysis of E. coli with V. cholerae single-effector active strains reveals a temperature-dependent susceptibility of E. coli to effectors, VasX, VgrG3, and TseL. These findings suggest that abiotic factors, that V. cholerae frequently encounters in natural habitats, play a crucial role in dictating the competitive fitness conferred by the type VI secretion system in complex multispecies communities.

Abstract The type VI secretion system (T6SS) is one of the most powerful nanomachines employed by Gram-negative pathogens for penetrating diverse cell envelopes, including bacteria and fungi, to deliver potent effectors into target cells. While the membrane-anchored contractile tubular structure of the T6SS is well characterized, the assembly process remains poorly understood. The prevailing model suggests that the assembly of T6SS initiates from its outer-membrane component. Here, we report a distinct model that the cytoplasmic protein Fha initiates T6SS assembly in Acidovorax citrulli , an important plant pathogen. Fha dictates the formation of the inner-membrane complex and the baseplate, and directly interacts with these key components. Importantly, imaging and biochemical assays reveal that Fha undergoes liquid-liquid phase separation (LLPS), forming condensates that selectively recruit essential T6SS proteins, which are otherwise dispersed in cells. Fha also exhibited conserved functions in human pathogens Vibrio cholerae and Pseudomonas aeruginosa . These findings unveil an inside-first LLPS-driven model for T6SS assembly and suggest LLPS might be broadly involved in mediating the assembly of bacterial macromolecular complexes and facilitating interspecies interactions and pathogenesis. Significance statement The T6SS plays a pivotal role in interspecies competition and host-microbe interactions by delivering toxins to various prokaryotes and eukaryotes. Its crucial function relies on a membrane-anchored macromolecular structure comprising at least 13 conserved components. However, the mechanisms governing the efficient assembly of its diverse cytosolic and membrane-bound components remain elusive. Here, we identify Fha, a conserved cytosolic protein, as a key initiator of T6SS assembly. Fha recruits multiple structural and effector components, forming LLPS condensates. Fha homologs of plant and human pathogens exhibit conserved functions. Our findings not only unveil an inside-first assembly model for the T6SS, initiating from inner-membrane and baseplate components, but also suggest LLPS may have a broader impact on bacterial physiology beyond intracellular activities.