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.

Abstract Characterizing protein-protein interaction on a single molecular level is a challenge, experimentally as well as the interpretation of the data. For example, Gram-negative bacteria contain protein complexes spanning the outer and inner cell wall being able to efflux effectively cell toxic substances. Within the search for antibiotics with novel modes of action, inhibition of the efflux pump assembly is an interesting possible target. Recent seminal work revealed the high-resolution structure of the tripartic composition TolC-AcrA-AcrB. Here, we reconstitute a single TolC homotrimer into a planar lipid membrane and follow the assembly of AcrA using the modulation of the ion current through TolC during binding. In particular, the presence of AcrA increases the average ionic current through TolC and, moreover, reduces the ion-current fluctuations caused by flickering of TolC. Here, we demonstrate that statistical properties of ion-current fluctuations (the power spectral density) provide a complementary measure of the interaction of the TolC-AcrA complex with potential inhibitors. Both characteristics, the average current and the current noise, taken into consideration together, provide more robust information.