CRISPR steht für „clustered regularly interspaced short palindromic repeats“ und sind DNA-Sequenzen in Prokaryoten (Bakterien und Archaeen), die als adaptives Immunsystem gegen Viren wirken. Es handelt sich um eine Abfolge von wiederholdenden Palindromen und ein Array von DNA-Sequenzen aus Viren („Spacers“, zu Deutsch Distanzstück). Die Palindrome bilden sogenannte „direct repeats“.
Nach Infektionen von Bakterien und Archaeen mit Viren können Mikroorganismen eine Art Gedächtnis gegen virale Infektionen entwickeln. Dies geschieht auf der molekularen Ebene mithilfe von Nukleasen sowie von Interaktionen zwischen Nukleinsäuren (Bildung von DNA:RNA-Hybriden), die die DNA von Eindringlingen spezifisch erkennen und abbauen.
Mit dem CRISPR-System sind Proteine bzw. Gene assoziiert, die mit Cas bezeichnet werden (für „CRISPR associated“). Cas-Proteine besitzen sowohl Helikase- als auch Nuklease-Aktivität.
Nach Virusinfektion, können überlebende Prokaryoten die virale DNA im eigenen Erbgut als „Spacer“ bauen. Die Palindrome sind notwendig, um mithilfe von Cas1- und Cas2-Proteinen die DNA des Virus hinzuzufügen. Dadurch entstehen ein neuer „Spacer“ sowie ein weiteres Palindrom-Repeat.
Die CRISPR-DNA wird transkribiert (als pre-crRNA) und durch nachfolgende Modifikation (posttranskriptionelle Modifikation) entstehen RNA-Moleküle (crRNA), die teilweise zur viralen DNA komplementär sind und auch an bestimmten Cas-Proteinen binden. Die Erkennung der Target-DNA durch die crRNA führt dazu, dass Cas-Proteine die „richtige“ Stelle finden und schneiden. Es entsteht somit ein Doppelstrangbruch in der DNA (Eng.: „double strand break“).
Die drei Phasen des Prozesses sind somit in Akquisition von fremder DNA (als neuer „Spacer“ in der CRISPR-DNA), Bearbeitung der crRNA und Interferenz (spezifischer Angriff der Target-DNA) aufgeteilt.
Das Bakterium bzw. das Archaeon muss in der Lage sein, sein eigenes Erbgut von dem des Viruses zu unterscheiden, um einen unerwünschten Abbau der eigenen DNA zu vermeiden. Dies geschieht anhand von Erkennungssequenzen, die nur in der Target-DNA sind. Ohne Erkennungssequenz kann der Cas9-RNA-Komplex zwar an der viralen DNA binden, sie allerdings nicht schneiden.
Es gibt drei unterschiedliche CRISPR-Systeme, die aufgrund von den beteiligten Cas-Proteinen sowie von Erkennungsmerkmalen auf der Target-DNA klassifiziert sind. Das Typ II CRISPR/Cas-System ist besonders interessant, weil nur ein einziges Protein gebraucht wird (Cas9), um die Target-DNA zu schneiden.
Zwei Studien zeigten 2012, wie das CRISPR/Cas9-System vom Modellorganismus Streptococcus pyogenes umprogrammiert werden kann, um an jeder beliebigen DNA-Stelle zu binden und sie zu schneiden. Daher findet es eine breite Anwendung in der Biotechnologie und in dem Genome Editing.
Als CRISPR Locus bezeichnet man die CRISPR-DNA und die cas-Gene sowie die tracrRNA. Diese DNA-Abschnitte befinden sich unweit voneinander. Da die pre-crRNA (und auch die tracrRNA) ihre Funktion ausübt ohne als Protein translatiert zu werden, wird sie auch als nicht-kodierende RNA bezeichnet.
In der Fachliteratur wird die CRISPR-DNA gelegentlich CRISPR Array genannt.
CRISPR-DNA kann je nach Spezies, oder sogar innerhalb derselben Spezies, stark variieren. Die Palindrome oder „Repeats“ sind zwischen 24 und 47 Basenpaare lang, während die „Spacers“ zwischen 26 und 72 Basenpaare lang sind. Eine CRISPR-DNA kann zwei bis ca. 250 Palindrome enthalten. Mit der CRISPR-DNA sind sechs bis 20 cas Gene assoziiert. Ein Prokaroyt kann auch mehrere unterschiedliche CRISPR Loci enthalten.