В основной реакции гомологичной рекомбинации (ГР) участвуют две хроматиды, которые содержат последовательности ДНК, которые имеют значительные области идентичности. Одна из этих последовательностей использует цепь другой в качестве матрицы для синтеза ДНК в реакции, катализируемой ферментами. Конечный продукт представляет собой новое слияние двух субстратов. Для обеспечения точной рекомбинации последовательностей ГР ограничивается фазами S и G2 клеточного цикла. На этих этапах ДНК уже реплицирована, и вероятность идентичной или сходной последовательность ДНК в сестринской хроматиде высока. Таким образом, выбор времени репарации предотвращает рекомбинацию между неидентичными последовательностями. Это критическая особенность ГР, особенно во время рекомбинации родительских последовательностей ДНК у потомства, где неправильная ГР может привести к потере всего гена и окружающей хромосомной области.
Точная репарация, обеспечиваемая ГР, была применена в методах редактирования генов. ГР – это самый ранний метод, который использовался для редактирования геномов в живых клетках. Система CRISPR-Cas9 используется для создания целенаправленных двухцепочечных разрывов для исправления болезнетворных мутаций в геноме. Выделенные фрагменты поглощаются клетками, где они могут рекомбинировать с клеточной ДНК и заменять целевую область генома. Механизмы ГР регулируют восстановление разрывов и их точную рекомбинацию с клеточным геномом. Чтобы помочь белкам ГР точно локализоваться на двухцепочечных разрывах, белки Cas9 сливаются с эффекторными белками ГР, которые могут привлекать белки репарации на поврежденные участки. Исследования показали, что слияние Cas9 с белками, такими как CtIP, Rad52 и Mre11, может увеличивать события ГР в клетке в два раза, препятствуя при этом негомологичному соединению концов. Такое применение ГР в редактировании генома может произвести революцию в генной терапии и обеспечить лечение генетических заболеваний, которые в настоящее время считаются неизлечимыми.
