Les bactéries et les archées sont sensibles aux infections virales tout comme les eucaryotes ; par conséquent, elles ont développé un système immunitaire adaptatif unique pour se protéger. Des répétitions palindromiques courtes régulièrement espacées en cluster et des protéines associées à CRISPR (CRISPR-Cas) sont présentes dans plus plus de 45 % des bactéries connues et 90 % des archées connues.

Le système CRISPR-Cas stocke une copie de l'ADN étranger dans le génome de l'hôte et l'utilise pour identifier l'ADN étranger lors de la réinfection. CRISPR-Cas a trois étapes différentes pour attaquer un virus réinfectant. Au stade de l'acquisition, la région protospacer de l'ADN viral est clivée par les systèmes CRISPR. La région spécifique du protospacer est identifiée pour le clivage à l'aide d'un motif adjacent au protospacer (PAM) présent dans l'ADN viral cible. La séquence de protospacer clivée est ensuite incorporée dans le locus bactérien CRISPR. Au stade de l'expression, les gènes CRISPR et CAS sont transcrits pour produire l'ARN pré-CRISPR (crRNA) et l'ARNm Cas. Le pré-crRNA est ensuite traité pour produire un crRNA mature. Au stade de l'interférence, l'ARNr et la protéine Cas traduite forment un complexe ribonucléoprotéique qui cible et clive l'ADN viral d'une manière spécifique à la séquence.

Les systèmes CRISPR-Cas peuvent être divisés en trois types distincts caractérisés par leurs types de protéines Cas. Dans les systèmes de type I, Cas3 a une activité hélicase ainsi qu'une activité nucléase. Plusieurs protéines Cas supplémentaires créent une cassure double brin dans l'ADN viral. Dans les systèmes de type II, la nucléase Cas9 agit seule pour cliver l'ADN. En plus de l'ARNcr, les systèmes de type II ont également de l'ARN CRISPR trans-activant (tracrRNA) qui est requis pour la maturation de l'ARNcr. Dans les systèmes de type III, Cas10 a une fonction inconnue, mais comme le système de type I, il a besoin de plusieurs protéines pour le clivage de l'ADN. Le système de type III peut également cibler l'ARN pour le clivage. Les types I et III se trouvent à la fois chez les bactéries et les archées, tandis qu'à ce jour, le type II n'a été trouvé que chez les bactéries. Comparé aux techniques conventionnelles d'édition du génome telles que les enzymes de restriction, le système CRISPR-Cas est plus simple à utiliser et peut cibler plusieurs gènes dans la même expérience. par conséquent, il est devenu un puissant outil de génie génétique et est largement utilisé pour modifier le génome des organismes procaryotes et eucaryotes.