CRISPR-Cas9を用いたゲノム編集では、非相同末端結合（non-homologous end joining: NHEJ）、比較的短い相同配列を介したマイクロホモロジー媒介末端結合（microhomology-mediated end joining: MMEJ）、および相同組み換え修復（homology-directed repair: HDR）などの細胞内DNA二本鎖切断（DSB）修復経路を利用し、標的遺伝子座を改変する：

• NHEJは、一般に小さな挿入/欠失変異（indel）を準ランダム(semirandom) に生じさせる。
• MMEJは、DSB部位を挟む小さな相同配列を利用することで、大小さまざまな配列特異的なインデルを生じさせる。
• HDRは、DSB部位と再結合する相同DNA修復テンプレートを利用し、精密編集と呼ばれる特定の変異を作り出す。

　これらの修復経路は、多面的な制御によってDSBの修復を競い合うが、NHEJが支配的である。これらの修復経路とそれらが作り出す変異の相対頻度は、標的となる遺伝子座の配列と細胞の状態から予測可能な分布に従う。

　CRISPR-Cas9によるゲノム編集における課題の一つが、特定の修復経路の相対頻度を制御する手段を開発することであり、特に、HDRによる精密編集やMMEJによる特定のインデルがNHEJより高頻度に進行させることを目的としている。これまでに、精密編集の効率を上げるために、テンプレートの設計、テンプレートの安定化、テンプレートの標的部位への局在化、低分子によるNHEJ阻害、細胞同期との同期、精密HDRやMMEJを抑制する因子の制御など、さまざまなアプローチが試みられている。これらの戦略は有用ではあるが、細胞状態の操作や外来因子の導入が必要であり、ゲノム編集を実際に利用するには、少なからず、実現不可能な場合がある。

　それが誘導するDSBからの修復経路が特定経路に偏よるCas9ヌクレアーゼが望まれるところであったが、修復経路への関与を変更するための設計戦略が確立されていない。これまでのところ、Cas9は、オンターゲット対オフターゲットのDNA切断特異性の向上または認識するPAM配列の改変のために広範囲な変異導入が設計されてきた。Cas9ヌクレアーゼ設計のためのこれら2つのパラメータ空間は十分に探索されており、興味深いことに、これらのCas9変異体の一部は、そのメカニズムは不明であるが、DSB修復に利用される経路の頻度が、野生型からわずかに異なっている。これらの修復バイアスを駆動する明確なメカニズムがないため、Cas9ヌクレアーゼを設計して修復結果を特異的に変えることができるかどうかは不明であった。

　一方で、DNA切断後の構造が修復機構に影響を与える事象は確立されている。すなわち、Cas9ヌクレアーゼによって生じる末端が平滑な (blunt cut) DSBからはNHEJ過程によるインデルが優先的に生じるが、Cas9ニッカーゼでオフセット・ニックを生成して大きな5'オーバーハングを伴うDSBは、ゲノムのコンテクスト依存で、DNA切除、MMEJ、HDRを促進する。

　興味深いことに、天然および人工のCas9変異体は、切断後にわずかに異なるDSB構造を生成し、鈍い切断から、時には1bpのオーバーハングを持つ末端 (staggered ends/突出末端/粘着末端) を生成することもある。