Une exigence essentielle de la réplication de l'ADN est de maintenir l'intégrité du matériel génétique. Pour cette raison, les cassures du double brin sont réparées de préférence par recombinaison homologue. Et c'est généralement réalisé après la synthèse de l'ADN quand les deux molécules d'ADN filles sont à proximité et l'une peut servir de modèle pour la réparation de l'autre.

Chez les eucaryotes, un complexe protéique appelé MRN, composé de nucléases spécialisées, dégrade les extrémités endommagées de l'ADN tandis que les extrémités sont attachées l'une à l'autre. L'ADN est laissé avec des débordements sur un simple brin de trois à quatre nucléotides avec une extrémité 3 prime OH.Cette section simple brin est stabilisée par les protéines RPA jusqu'à ce que RAD51, homologue de la protéine procaryote RECA soit activé par l'ATP et se lie à l'ADN formant un filament. Dans le filament, l'ADN existe sous forme de triplets de nucléotides où le squelette de l'ADN est déroulé entre des triplets adjacents.

Ce filament de protéine d'ADN se lie à un ADN duplex d'une chromatide sœur en étirant l'ADN modèle intact et en le déstabilisant, de sorte que les deux brins puissent être facilement dissociés et que le brin cassé puisse tenter de se lier au modèle dans un processus connu sous le nom d'invasion de brin. Le brin envahissant recherche des séquences homologues intactes dans l'ADN génomique en essayant de former des paires de bases dans un bloc de trois nucléotides. Si les paires de base ne correspondent pas, l'ADN envahissant se dissocie et recherche d'autres régions homologues.

Si un triplet du brin envahissant correspond au modèle, alors les trois nucléotides suivants sont échantillonnés. Si une séquence correspond à une étendue d'au moins cinq triplets, une structure de boucle de déplacement ou boucle D est formée avec l'ADN polymérase en utilisant le brin envahi comme modèle. Par la suite, une hélicase déplace le brin envahissant maintenant étendu, qui se couple avec le brin endommagé sans revêtement.

Ensuite, le deuxième brin endommagé s'hybride au brin complémentaire de l'ADN matrice pour une autre série de synthèse d'ADN. Enfin, les brins sœurs se dissocient. Et une ligase d'ADN scelle les entailles, en rétablissant les hélices réparées et en assurant la réparation précise du chromosome intact.