CRISPR-Cas 系統是原核生物的一種應答病毒（如噬菌體）入侵的免疫系統，其布局包含：紀律成簇的距離短回文反復序列CRISPR（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats），前導序列Leader，Cas基因序列Cas gene，和反式激活CRISPR RNA（trans-activating CRISPR RNA，tracrRNA） 序列。該系統首要分為 Type Ⅰ、Type Ⅱ、Type Ⅲ 3種差別范例，此中Type Ⅱ系統只要一種核酸酶到場，即Cas9。CRISPR-Cas9在細菌中起到的感化便是辨認入侵的病毒，將其基因組片斷錄入自身的基因組，當病毒再次入侵時辰，切割其DNA或RNA進而消弭傳染。
CRISPR-Cas9系統在編輯基因的時辰，須要2個構成局部：Cas9核酸酶和sgRNA（single guide RNA，指導RNA）。Cas9和sgRNA會構成一個Cas9核糖核蛋（ribonucleoprotein，RNP）。這個RNP能連系到基因組的靶序列上。基因組的靶序列若是要被切割，須要知足兩個前提：第一，sgRNA與基因組上有17-21個堿基的同源區，也被稱為前距離序列protospacer。第二，靶序列四周有前距離序列臨近基序PAM（protospacer adjacent motif），須要注重的是，在假想sgRNA時，PAM并不是sgRNA的一局部。在知足上述兩個前提后，在tracrRNA指導下，sgRNA與基因組的靶序列連系，進而RNP在PAM下游4到5個堿基的地位切割靶序列，構成一個DNA雙鏈毀傷（DSB）。
在顛末CRISPR-Cas9系統切割并發生DNA雙鏈毀傷后，哺乳植物細胞會啟動兩種罕見的DNA修復機制對斷裂停止修復，即非同源結尾毗連機制NHEJ和同源定向修復機制HDR。操縱NHEJ機制的易錯性和HDR的同源重組特征，從而完成對靶基因的敲除、敲入、定點漸變和定點修復等目標。
CRISPR-Cas9基因編輯手藝現已風行環球，不哪一種手藝的提高與停頓速率能與其比肩。2020年諾貝爾化學獎授與了法國女迷信家埃瑪紐埃勒·沙爾龐捷和美國女迷信家珍妮弗·杜德納，以懲處她們在基因組編輯體例研討范疇做出的進獻。CRISPR-Cas9基因編輯手藝的利用包含但不限于：
1、用于基因敲除（緘默）或敲入（點漸變、標簽等）；
2、經由過程單堿基漸變等用于基因修復（如白內障）；
3、禁止靶基因mRNA轉錄以停止基因抒發調控；
4、合適構建抗性基因文庫，停止大規模文庫挑選；
5、在活細胞中監測染色體的構象變更或基因散布等。
