Бактерии и археи, как и эукариоты, восприимчивы к вирусным инфекциям, поэтому они разработали уникальную адаптивную иммунную систему для самозащиты. Короткие палиндромные повторы, расположенные группами, регулярно перемежающиеся спейсерами, (CRISPR) и CRISPR-связанные белки (CRISPR-Cas) присутствуют у более чем 45% известных бактерий и 90% известных архей.
Система CRISPR-Cas хранит копию чужеродной ДНК в геноме хозяина и использует ее для идентификации чужеродной ДНК при повторном заражении. CRISPR-Cas состоит из трех этапов для атаки на повторно заражающий вирус. На стадии приобретения протоспейсерная область вирусной ДНК расщепляется системами CRISPR. Специфическая область протоспейсера идентифицируется для расщепления с помощью смежного мотива протоспейсера (PAM), присутствующего в целевой вирусной ДНК. Затем отщепленную последовательность протоспейсера включают в бактериальный локус CRISPR. На стадии экспрессии гены CRISPR и CAS транскрибируются с образованием пре-CRISPR РНК (crРНК) и Cas-мРНК. Затем пре-crРНК процессируется для получения зрелой crРНК. На стадии интерференции crРНК и транслированный белок Cas образуют рибонуклеопротеидный комплекс, который нацелен на вирусную ДНК и расщепляет ее специфично относительно последовательности.
Системы CRISPR-Cas можно разделить на три различных типа, которые характеризуются типами белков Cas. В системах типа I Cas3 обладает геликазной, а также нуклеазной активностью. Множество дополнительных белков Cas создают двунитевой разрыв в вирусной ДНК. В системах типа II нуклеаза Cas9 действует самостоятельно, расщепляя ДНК. Помимо crРНК, системы типа II также содержат трансактивирующую CRISPR РНК (tracrРНК), которая необходима для созревания crРНК. В системах типа III Cas10 выполняет неизвестную функцию, но, как и в системе типа I, для расщепления ДНК требуется несколько белков. Система типа III также может нацеливаться на РНК для расщепления. Типы I и III обнаружены как у бактерий, так и у архей, в то время как на сегодняшний день тип II обнаружен только у бактерий. По сравнению с обычными методами редактирования генома, такими как рестрикционные ферменты, система CRISPR-Cas проще в использовании, она может воздействовать на несколько генов в одном эксперименте; поэтому она превратилась в мощный инструмент генной инженерии и широко используется для модификации генома как прокариотических, так и эукариотических организмов.
