同源重组是一种生物学过程，遗传信息在含有相同或高度相似序列的脱氧核糖核酸分子之间发生交换或复制。它是DNA修复的重要机制，尤其在双链断裂的修复中发挥关键作用，也是减数分裂期间大部分遗传交换的基础。同源重组并非简单地将断裂末端连接起来，而是利用相匹配的DNA序列来指导修复或重排。其产物可能涉及染色体片段的相互交换、局部遗传信息的复制，或不伴随交叉互换的受损DNA恢复。(ncbi.nlm.nih.gov)
生物学功能与模板
当DNA分子的两条链均发生断裂，或DNA复制过程中出现问题时，同源重组有助于维持基因组的完整性。与受损序列相匹配且未受损的序列可提供损伤部位可能缺失的信息。重组还参与单链缺口的修复，以及某些阻碍复制的损伤的处理。这些功能将染色体的维护与遗传信息的准确传递联系起来。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
在正在分裂的真核生物细胞中，首选的修复模板通常是姐妹染色单体，即染色体复制后形成的副本。因此，同源重组修复与细胞周期中DNA复制后的阶段密切相关。然而，在减数分裂期间，重组会以同源染色体为对象，使来自母方和父方的染色体副本之间能够发生交换。因此，模板不必与受损分子完全相同。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
分子机制
同源重组常以DNA双链断裂为起点。断裂末端经过称为末端切除的处理，末端为5′端的DNA链被降解，从而暴露出带有3′端的单链尾。重组蛋白质在这些单链尾上组装，并促进在完整的DNA双链中寻找匹配序列。序列比对依赖于互补碱基配对，而非将整条染色体作为一个整体加以识别。(ncbi.nlm.nih.gov)
在细菌中，主要的链交换蛋白是RecA。在真核生物中，与其相关的RAD51蛋白承担核心的链交换功能。这些蛋白在单链DNA上形成核蛋白丝。在人类中，BRCA2有助于调控RAD51的活性及其向受损DNA的募集。在大肠杆菌（Escherichia coli）中，RecBCD复合物先处理双链断裂，随后才发生由RecA介导的配对。(medlineplus.gov)
在链侵入过程中，一条单链尾与模板双链中的互补链配对，将另一条链置换出来，形成置换环，即D环。随后，侵入链的3′端可由DNA聚合酶延伸，复制完整模板。后续步骤将另一断裂末端纳入修复，恢复连续的DNA分子，但具体的中间体取决于所采用的途径。(ncbi.nlm.nih.gov)
途径与遗传结果
同源重组是一组相互关联的途径，而不是一套必须依次发生的固定反应。在双链断裂修复模型中，两个断裂末端均参与反应时，可形成两个霍利迪连接，即连接参与重组的DNA分子的四分支结构。对这些连接的处理可使分子分离。酶促切割可产生交叉互换或非交叉互换产物，而双霍利迪连接的解离则产生非交叉互换产物。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
在合成依赖性链退火途径中，新延伸的侵入链脱离模板，并与另一个断裂末端退火。这条途径通常实现不伴随交叉互换的修复，且不形成稳定的双霍利迪连接。因此，成功的同源修复不一定会交换修复位点两侧的染色体区域。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
另一种结果是基因转换，即序列信息的非互惠转移。当修复合成复制了携带不同等位基因的模板，或DNA错配修复纠正了重组过程中形成的异源双链DNA内的序列差异时，都可能发生基因转换。基因转换既可伴随交叉互换事件，也可伴随非交叉互换事件；它并不等同于相互交换。(ncbi.nlm.nih.gov)
减数分裂与细菌的遗传交换
在减数分裂期间，重组通常由Spo11酶造成的程序性断裂启动。以同源染色体为模板进行修复时，部分事件会形成染色体交叉互换。这些交换与姐妹染色单体之间的黏连共同维持同源染色体之间的连接，直至它们在减数第一次分裂时分离。这些交换还会产生新的遗传等位基因组合，从而促进遗传多样性。断裂和交叉互换受到调控，在染色体上的分布并不均匀。(ncbi.nlm.nih.gov)
细菌重组兼具染色体修复和遗传交换的功能。通过水平基因转移获得的DNA，如果含有足够相似的序列，就可以整合到受体染色体中。对序列相似性的要求，使这一机制区别于那些主要通过识别短而特异的位点来插入DNA的过程。(ncbi.nlm.nih.gov)
准确性与其他修复途径
使用正确模板时，同源重组可以准确恢复缺失的信息，但这一过程本身并非绝无差错。位于不恰当位置的相似序列之间发生重组，可能造成缺失、重复或其他重排。因此，对模板选择和中间体处理的调控对于基因组稳定性十分重要。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
这条途径不同于非同源末端连接，后者不需要较长的同源模板就能重新连接DNA末端。这两种途径的相对使用程度取决于生物种类、细胞类型、细胞周期阶段和损伤性质。将任何一种途径一概描述为准确无误或必然致突变，都不够恰当。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
研究应用
通过引入两侧带有匹配序列的DNA，同源重组可以实现对基因的定向替换或修饰。它在小鼠胚胎干细胞中的应用，为构建基因打靶小鼠和基因敲除小鼠奠定了基础。这些进展获得了2007年诺贝尔生理学或医学奖的认可。(nobelprize.org)
在基因组编辑中，Cas9核酸酶等靶向核酸酶可在预期修改位置附近造成断裂，从而促进以模板为指导的修饰。引入的供体序列可提供用于替换的信息。然而，最终的编辑结果取决于细胞的修复过程：仅有核酸酶切割，并不能保证发生同源重组，也不能保证供体序列被精确整合。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)