CRISPR-Cas 系统是原核生物的一种应对病毒（如噬菌体）入侵的免疫系统，其结构包括：规律成簇的间隔短回文重复序列CRISPR（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats），前导序列Leader，Cas基因序列Cas gene，以及反式激活CRISPR RNA（trans-activating CRISPR RNA，tracrRNA） 序列。该系统主要分为 Type Ⅰ、Type Ⅱ、Type Ⅲ 3种不同类型，其中Type Ⅱ系统只有一种核酸酶参与，即Cas9。CRISPR-Cas9在细菌中起到的作用就是识别入侵的病毒，将其基因组片段录入自己的基因组，当病毒再次入侵时候，切割其DNA或RNA进而消除感染。
CRISPR-Cas9系统在编辑基因的时候，需要2个组成部分：Cas9核酸酶和sgRNA（single guide RNA，引导RNA）。Cas9和sgRNA会形成一个Cas9核糖核蛋（ribonucleoprotein，RNP）。这个RNP能结合到基因组的靶序列上。基因组的靶序列如果要被切割，需要满足两个条件：第一，sgRNA与基因组上有17-21个碱基的同源区，也被称为前间隔序列protospacer。第二，靶序列附近有前间隔序列邻近基序PAM（protospacer adjacent motif），需要注意的是，在设计sgRNA时，PAM并不是sgRNA的一部分。在满足上述两个条件后，在tracrRNA引导下，sgRNA与基因组的靶序列结合，进而RNP在PAM上游4到5个碱基的位置切割靶序列，形成一个DNA双链损伤（DSB）。
在经过CRISPR-Cas9系统切割并产生DNA双链损伤后，哺乳动物细胞会启动两种常见的DNA修复机制对断裂进行修复，即非同源末端连接机制NHEJ和同源定向修复机制HDR。利用NHEJ机制的易错性和HDR的同源重组特性，从而实现对靶基因的敲除、敲入、定点突变以及定点修复等目的。
CRISPR-Cas9基因编辑技术现已风靡全球，没有哪种技术的普及与进展速度能与其比肩。2020年诺贝尔化学奖授予了法国女科学家埃玛纽埃勒·沙尔庞捷和美国女科学家珍妮弗·杜德纳，以表彰她们在基因组编辑方法研究领域做出的贡献。CRISPR-Cas9基因编辑技术的应用包括但不限于：
1、用于基因敲除（沉默）或敲入（点突变、标签等）；
2、通过单碱基突变等用于基因修复（如白内障）；
3、阻止靶基因mRNA转录以进行基因表达调控；
4、适合构建抗性基因文库，进行大规模文库筛选；
5、在活细胞中监测染色体的构象变化或基因分布等。
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