CRISPR/Cas系统是一种原核生物的免疫系统，用来抵抗外源遗传物质的入侵，比如噬菌体病毒和外源质粒。同时，它为细菌提供了获得性免疫：这与哺乳动物的二次免疫类似，当细菌遭受病毒或者外源质粒入侵时，会产生相应的“记忆”，从而可以抵抗它们的再次入侵。CRISPR/Cas系统可以识别出外源DNA，并将它们切断，沉默外源基因的表达。这与真核生物中RNA干扰（RNAi) 的原理是相似的。正是由于这种精确的靶向功能，      CRISPR/Cas系统被开发成一种高效的基因编辑工具。在自然界中，CRISPR/Cas系统拥有多种类别，其中CRISPR/Cas9系统是研究最深入，应用最成熟的一种类别。

CRISPR/Cas9是继锌指核酸内切酶（ZFN）”、“类转录激活因子效应物核酸酶（TALEN）”之后出现的第三代“基因组定点编辑技术”。凭借着成本低廉，操作方便，效率高等优点，CRISPR/Cas9迅速风靡全球的实验室，成为了生物科研的有力帮手。

CRISPR由一系列短的高度保守的正向重复序列（repeat）与长度相似的间隔序列（spacer）间隔排列组成。Cas基因是一类基因家族，编码的蛋白质具有与核酸结合的功能以及与核酸酶、聚合酶、解旋酶等结合的活性。根据Cas 基因的不同，将CRISPR-Cas9系统分为Ⅰ－Ⅲ 3种类型。在Ⅰ型 与Ⅲ型CRISPR-Cas9系统中，pre-crRNA 初级转录本被CRISPR相关RNA 酶切割成重复序列，释放小的成熟crRNA。成熟crRNA再与相关蛋白质结合形成RNA-蛋白质复合体指导内切核酸酶对外源DNA 序列的识别与降解。Ⅱ型CRISPR-Cas9系统是目前最常用于人工基因组编辑的CRISPR-Cas9系统。根据Cas蛋白的类型不同分为3个亚类：Ⅱ-Ａ型含有Cas1、Cas2、Cas9 和Csn2蛋白质；Ⅱ-Ｂ型含有Cas1、Cas2、Cas4 和Csx12 样Cas9 4种蛋白质；Ⅱ-Ｃ型则有Cas1、Cas2 及Cas9３种蛋白质。其中，Ⅱ 型CRISPR-Cas9 系统最早在改造后用于小鼠和灵长类基因组编辑，是目前研究最为充分的系统。它只需要单独的Cas9蛋白即可在gRNA（guide RNA）的引导下完成对DNA的定点切割。Cas9 蛋白行使功能需CRISPR转录而来的crRNA 与反式激活的及与CRISPR重复区互补的tracrRNA（trans-activiting crRNA，tracrRNA）形成的复合物参与。

为了操作简便，研究者将crRNA和tracrRNA 融合进同一条单链中，设计出单链引导RNA（single guide RNA，sgRNA）。在sgRNA的指导下，Cas9定位于特定DNA序列上，进行DNA双链切割，实现基因组的定向编辑。对靶序列有效的切割还需靶序列相邻的原型间隔序列毗邻基序，即PAM（protospacer-associated motif）的参与。PAM提供两个冗余的检查点，确保Cas9不会错误地破坏它自身的基因组DNA。CRISPR-Cas9基因组编辑技术的基本原理为将tracrRNA：crRNA设计为sgRNA，sgRNA包含位于５′端的靶DNA的互补序列，以及位于３′端的tracrRNA：crRNA的类似序列，crRNA 或sgRNA包含一个20nt指导序列可以直接匹配的靶位点，利用靶DNA的互补序列来定位需编辑的位点，利用tracrRNA：crRNA的类似序列与Cas9结合，实现目标基因定向基因组改造。

图1. CRISPR-Cas9基因组编辑技术的基本原理

1. 效率高：可精确编辑基因组，编辑效率高；

2. 周期短：构建和使用极为方便，极大降低了实验难度，缩短实验周期；

3. 广谱性：无基因、细胞及物种限制；

4. 多重编辑能力：可实现多个靶位点同时进行基因打靶；

5. 功能丰富：可实现敲除、插入、抑制、激活等多种目的基因.