Wenn beide DNA-Stränge beschädigt sind, gibt es keine intakte Schablone mehr für eine genaue Reparatur, aber wenn sie nicht repariert wird, kann dieses Szenario zum Zelltod führen.

Es gibt zwei Mechanismen, um Doppelstrangbrüche zu reparieren. Die erste Art, die nicht-homologe Endverbindung, ermöglicht das Verbinden von Enden, auch wenn keine Sequenzähnlichkeit zwischen ihnen besteht - und findet vor der DNA-Duplikation statt, wenn die DNA schnell repariert werden muss.

In Säugetierzellen erfolgt dies durch das DNA-endbindende heterodimere Protein Ku, das mit den katalytischen Untereinheiten der DNA-abhängigen Proteinkinase einen Komplex bildet.

Dieser Komplex hält die gebrochenen Chromosomenenden an Ort und Stelle, während eine DNA-Polymerase Nukleotide einfügt, um die Lücke zwischen diesen Enden zu überbrücken. Als nächstes bildet die DNA-Ligase IV mit ihrem Cofaktor XRCC und einem anderen Protein namens XLF einen Komplex, verbindet und versiegelt diese Enden.

Schnelle Lösungen wie diese können zu Mutationen an der Reparaturstelle oder genomischen Umlagerungen wie Deletionen, Translokationen von genetischem Material und Fusionen führen, die zu Chromosomen mit zwei Zentromeren oder ganz fehlenden Zentromeren führen können.

Mutationen sind weit verbreitet, und menschliche Körperzellen können bis zu 2000 davon tolerieren. Genomische Umlagerungen sind dagegen selten – aber in Krebszellen zu finden.

Die meisten DNA-Doppelstrangbrüche führen zu einzelsträngigen Überhängen, und die zweite Reparaturart, die homologe Rekombination, behebt diese Brüche. Diese Form der Rekombination ist viel genauer als die nicht-homologe Endverknüpfung und erfordert DNA von einem Schwesterchromatid als Matrize – daher tritt sie typischerweise nach der Genduplikation während der Zellteilung auf.