Bakteriler ve archaea, ökaryotlar gibi viral enfeksiyonlara karşı hassastır; bu nedenle, kendilerini korumak için benzersiz bir adaptif bağışıklık sistemi geliştirmişlerdir. Kümelenmiş düzenli olarak yerleştirilmiş kısa palindromik tekrarlar ve CRISPR ile ilişkili proteinler (CRISPR-Cas), bilinen bakterilerin %45'inden ve bilinen archaea'nın %90'ından fazlasında bulunur.
CRISPR-Cas sistemi, yabancı DNA'nın bir kopyasını konakçı genomda saklar ve yeniden enfekte olduğunda yabancı DNA'yı tanımlamak için kullanır. CRISPR-Cas'ın yeniden enfekte bir virüse saldırmak için üç farklı aşaması vardır. Edinme aşamasında, viral DNA'nın protospacer bölgesi CRISPR sistemleri tarafından bölünür. Spesifik protospacer bölgesi, hedef viral DNA'da bulunan bir protospacer bitişik motifi (PAM) yardımıyla bölünme için tanımlanır. Bölünmüş protospacer dizisi daha sonra bakteriyel CRISPR lokusuna dahil edilir. Ekspresyon aşamasında, CRISPR ve CAS genleri, CRISPR öncesi RNA (crRNA), Cas mRNA'yı üretmek için kopyalanır. Ön crRNA daha sonra olgun crRNA üretmek için işlenir. Girişim aşamasında, crRNA ve çevrilmiş Cas proteini, viral DNA'yı sekansa özgü bir şekilde hedefleyen ve parçalayan bir ribonükleoprotein kompleksi oluşturur.
CRISPR-Cas sistemleri, Cas protein tipleri ile karakterize edilen üç farklı tipe ayrılabilir. Tip I sistemlerde Cas3, nükleaz aktivitesinin yanı sıra helikaza da sahiptir. Birden fazla ek Cas proteini, viral DNA'da çift sarmallı bir kırılma oluşturur. Tip II sistemlerde, nükleaz Cas9 DNA'yı parçalamak için tek başına hareket eder. crRNA'ya ek olarak, tip II sistemler ayrıca crRNA'nın olgunlaşması için gerekli olan trans-aktive edici CRISPR RNA'ya (tracrRNA) sahiptir. Tip III sistemlerde, Cas10 bilinmeyen bir işlevi vardır, ama tip I sistemi gibi, DNA bölünmesi için birden fazla protein ihtiyacı vardır. Tip III sistemi ayrıca bölünme için RNA'yı da hedefleyebilir. Tip I ve tip III hem bakterilerde hem de archaea'da bulunurken, bugüne kadar Tip II sadece bakterilerde bulunmuştur. Kısıtlama enzimleri gibi geleneksel genom düzenleme teknikleriyle karşılaştırıldığında, CRISPR-Cas sisteminin kullanımı daha basittir, aynı deneyde birden fazla geni hedefleyebilir. Bu nedenle, güçlü bir genetik mühendisliği aracı olarak ortaya çıkmıştır ve hem prokaryotik hem de ökaryotik organizmaların genomunu değiştirmek için yaygın olarak kullanılmaktadır.
