تعد البكتيريا والعتائق عرضة للعدوى الفيروسية تمامًا مثل حقيقيات النوى ؛ لذلك ، فقد طوروا نظامًا مناعيًا تكيفيًا فريدًا لحماية أنفسهم. تتكرر التكرارات القصيرة المتناظرة العنقودية المتباعدة بانتظام والبروتينات المرتبطة بـ CRISPR (CRISPR-Cas) في المزيد أكثر من 45٪ من البكتيريا المعروفة و 90٪ من العتائق المعروفة.

يخزن نظام CRISPR-Cas نسخة من الحمض النووي الغريب في جينوم المضيف ويستخدمها لتحديد الحمض النووي الغريب عند الإصابة مرة أخرى. يحتوي CRISPR-Cas على ثلاث مراحل مختلفة لمهاجمة فيروس إعادة العدوى. في مرحلة الاكتساب ، يتم شق منطقة البروتوسفاسر للحمض النووي الفيروسي بواسطة أنظمة كريسبر. تم تحديد منطقة البروتوسفاسر المحددة للانقسام بمساعدة شكل مجاور بروتوسفاسر (PAM) موجود في الحمض النووي الفيروسي المستهدف. ثم يتم دمج تسلسل بروتوسفاسر المشقوق في موضع كريسبر البكتيري. في مرحلة التعبير ، يتم نسخ جينات CRISPR و CAS لإنتاج ما قبل CRISPR RNA (crRNA) و Cas mRNA. ثم تتم معالجة pre-crRNA لإنتاج crRNA ناضج. في مرحلة التداخل ، يشكل الرنا الريباسي وبروتين كاس المترجم مركبًا بروتينيًا ريبونيًا يستهدف ويشق الحمض النووي الفيروسي بطريقة محددة التسلسل.

يمكن تقسيم أنظمة CRISPR-Cas إلى ثلاثة أنواع متميزة تتميز بأنواع بروتين Cas الخاصة بها. في أنظمة النوع الأول ، يحتوي Cas3 على هليكاز بالإضافة إلى نشاط نوكلياز. تؤدي العديد من بروتينات Cas الإضافية إلى حدوث انقطاع مزدوج في الحمض النووي الفيروسي. في أنظمة النوع الثاني ، يعمل نوكلياز Cas9 بمفرده لشق الحمض النووي. بالإضافة إلى crRNA ، تحتوي أنظمة النوع الثاني أيضًا على CRISPR RNA المتحول (tracrRNA) المطلوب لنضج crRNA. & # 160 ؛ في أنظمة النوع الثالث ، يحتوي Cas10 على وظيفة غير معروفة ، ولكن مثل نظام النوع الأول ، فإنه يحتاج إلى بروتينات متعددة لانقسام الحمض النووي. يمكن أن يستهدف نظام النوع الثالث أيضًا الحمض النووي الريبي من أجل الانقسام. تم العثور على النوع الأول والنوع الثالث في كل من البكتيريا والعتائق ، بينما لم يتم العثور على النوع الثاني حتى الآن إلا في البكتيريا. مقارنة بتقنيات تحرير الجينوم التقليدية مثل إنزيمات التقييد ، فإن نظام CRISPR-Cas أسهل في الاستخدام ويمكنه استهداف جينات متعددة في نفس التجربة ؛ لذلك ، فقد برز كأداة هندسية جينية قوية ويستخدم على نطاق واسع لتعديل جينوم كل من الكائنات بدائية النواة والكائنات حقيقية النواة.