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.

Abstract The filamentous ‘Pf’ bacteriophages of Pseudomonas aeruginosa play roles in biofilm formation and virulence, but mechanisms governing Pf prophage activation in biofilms are unclear. Here, we identify a prophage regulatory module, KKP (kinase-kinase-phosphatase), that controls virion production of co-resident Pf prophages and mediates host defense against diverse lytic phages. KKP consists of Ser/Thr kinases PfkA and PfkB, and phosphatase PfpC. The kinases have multiple host targets, one of which is MvaU, a host nucleoid-binding protein and known prophage-silencing factor. Characterization of KKP deletion and overexpression strains with transcriptional, protein-level and prophage-based approaches indicates that shifts in the balance between kinase and phosphatase activities regulate phage production by controlling MvaU phosphorylation. In addition, KKP acts as a tripartite toxin-antitoxin system that provides defense against some lytic phages. A conserved lytic phage replication protein inhibits the KKP phosphatase PfpC, stimulating toxic kinase activity and blocking lytic phage production. Thus, KKP represents a phosphorylation-based mechanism for prophage regulation and antiphage defense. The conservation of KKP gene clusters in >1000 diverse temperate prophages suggests that integrated control of temperate and lytic phage infection by KKP-like regulatory modules may play a widespread role in shaping host cell physiology.