CRISPR-Cas 系統是原核生物的一種應對病毒（如噬菌體）入侵的免疫系統，其結構包括：規律成簇的間隔短回文重復序列CRISPR（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats），前導序列Leader，Cas基因序列Cas gene，以及反式激活CRISPR RNA（trans-activating CRISPR RNA，tracrRNA） 序列。該系統主要分為 Type Ⅰ、Type Ⅱ、Type Ⅲ 3種不同類型，其中Type Ⅱ系統只有一種核酸酶參與，即Cas9。CRISPR-Cas9在細菌中起到的作用就是識別入侵的病毒，將其基因組片段錄入自己的基因組，當病毒再次入侵時候，切割其DNA或RNA進而消除感染。
CRISPR-Cas9系統在編輯基因的時候，需要2個組成部分：Cas9核酸酶和sgRNA（single guide RNA，引導RNA）。Cas9和sgRNA會形成一個Cas9核糖核蛋（ribonucleoprotein，RNP）。這個RNP能結合到基因組的靶序列上。基因組的靶序列如果要被切割，需要滿足兩個條件：第一，sgRNA與基因組上有17-21個堿基的同源區，也被稱為前間隔序列protospacer。第二，靶序列附近有前間隔序列鄰近基序PAM（protospacer adjacent motif），需要注意的是，在設計sgRNA時，PAM并不是sgRNA的一部分。在滿足上述兩個條件后，在tracrRNA引導下，sgRNA與基因組的靶序列結合，進而RNP在PAM上游4到5個堿基的位置切割靶序列，形成一個DNA雙鏈損傷（DSB）。
在經過CRISPR-Cas9系統切割并產生DNA雙鏈損傷后，哺乳動物細胞會啟動兩種常見的DNA修復機制對斷裂進行修復，即非同源末端連接機制NHEJ和同源定向修復機制HDR。利用NHEJ機制的易錯性和HDR的同源重組特性，從而實現對靶基因的敲除、敲入、定點突變以及定點修復等目的。
CRISPR-Cas9基因編輯技術現已風靡全球，沒有哪種技術的普及與進展速度能與其比肩。2020年諾貝爾化學獎授予了法國女科學家埃瑪紐埃勒·沙爾龐捷和美國女科學家珍妮弗·杜德納，以表彰她們在基因組編輯方法研究領域做出的貢獻。CRISPR-Cas9基因編輯技術的應用包括但不限于：
1、用于基因敲除（沉默）或敲入（點突變、標簽等）；
2、通過單堿基突變等用于基因修復（如白內障）；
3、阻止靶基因mRNA轉錄以進行基因表達調控；
4、適合構建抗性基因文庫，進行大規模文庫篩選；
5、在活細胞中監測染色體的構象變化或基因分布等。
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