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DNA重组 （DNA recombination，遗传重组，genetic recombination）是DNA分子内或分子间发生的遗传信息改变共价排布的过程，包括基因组内大片段DNA易位、基因组间大片段DNA传递甚至基因组整合，其中基因组内大片段DNA易位又称基因重排。DNA重组在各类生物都有发生。细菌及噬菌体的基因组为单倍体，其DNA可以通过多种方式进行重组。真核生物DNA重组多发生在减数分裂同源染色体交换环节。
DNA重组的方式复杂多样，目前研究比较明确的有同源重组、位点特异性重组、转座。不同方式的DNA重组具有不同的生理意义，概括如下：①参与DNA复制。②参与DNA修复（双链断裂修复）。③参与基因表达调控。④在真核细胞分裂时促进染色体分离。⑤在真核细胞减数分裂时参与染色体交换，为种群贡献遗传多样性。⑥是抗体及其他免疫分子多样性的形成基础。⑦在胚胎发育期实现程序性基因重排。⑧参与某些病毒基因组与宿主DNA整合。
细胞分裂时非同源染色体也会发生DNA重组，称为 染色体易位 （translocation），易位效应取决于易位点是否位于基因序列内。如易位形成融合基因 BCR-ABL 会导致慢性粒细胞白血病。
DNA重组的另一个含义是指一项分子生物学技术，应用于重组DNA技术、转基因技术、基因靶向、基因治疗等。
在各种DNA重组机制中，同源重组效率最高。 同源重组 （homologous recombination，HR）是指发生在两段较长的同源序列之间的交换。两段同源序列既可位于不同DNA分子中，又可位于同一DNA分子的不同位点。同源重组对序列本身没有要求，只要是同源序列即可发生同源重组。同源重组发生于DNA修复、真核生物减数分裂时同源染色体交换及姐妹染色单体的交换、细菌的转导和转化、噬菌体的整合等过程中。同源重组依赖几十种蛋白质，其中最重要的是RecA（人为Rad51）。目前有多种模型阐述同源重组机制，这里介绍一部分。
R. Holliday于1964年提出在减数分裂等过程发生同源重组时会形成一种称为Holliday连接的中间体，该机制被称为 Holliday模型 （图2-40）。
图2-40 Holliday模型
1.同源序列配对 这里同源序列是指两段不小于100bp的相同或相似序列。
2. Holliday连接形成 即两段同源序列的单股同源DNA的同一磷酸二酯键被水解（①），同源末端交换（②），连接（③），形成四股链交叉结构，被称为 Holliday连接 （Holliday结构、Holliday交叉）。
3.分支迁移 即Holliday连接发生 分支迁移 （branch migration），形成 异源双链 （heteroduplex DNA，④；⑤～⑦结构同④，只是适当变形，便于理解接下来的两种解离方式）。
4. Holliday连接解离 即两段同源序列的单股同源DNA的同一磷酸二酯键被水解，Holliday连接解离（resolution），封闭切口，形成 重组体 。水解不同位点会得到不同的重组体。
（1）两次水解的是同股DNA（⑧），形成 片段重组体 （patch recombinant）。这种重组未发生实质性交换（noncrossover，非实质性重组），依然是 A- B 、 a- b 。
（2）两次水解的是异股DNA（⑨），形成 拼接重组体 （splice recombinant）。这种重组发生实质性交换（crossover，实质性重组），产物是 A- b 、 a- B 。
大肠杆菌同源重组中的分支迁移由Holliday连接［分支迁移］复合体RuvABC中的RuvAB催化，Holliday连接的解离由RuvABC中的核酸酶RuvC（又称解离酶，resolvase）催化，DNA连接酶催化封闭切口。RuvC是同二聚体，催化切割的共有序列是A/TTT -G/C。
双链断裂 （double-strand break，DSB）在有丝分裂和减数分裂中都有发生，发生率较高。 双链断裂修复 （double-strand break repair，DSBR）有同源重组修复（homologous recombinational repair）和非同源末端连接（nonhomologous end joining，NHEJ）两种机制。同源重组修复分为四步（图2-41）。
图2-41 双链断裂同源重组修复模型
1.同源序列配对 同Holliday模型（①）。
2. 3'单链端形成 配对DNA双链之一（受体DNA，recipient DNA）的同源序列存在断裂，或被特定内切酶错位切割，由5'→3'外切酶水解5'端，形成3'单链端（相当于3'黏性末端，第十四章，330页），长达1kb（②）。有些3'单链端形成过程中5'端和3'端均发生水解，但5'端水解快于3'端。
大肠杆菌催化形成3'单链端的是核酸酶/解旋酶RecBCD（人为MRX复合体）。①RecBCD结合于双链断裂末端，RecC将双链末端分开。②RecB（ATPase，3'→5'解旋酶，双向核酸外切酶，募集RecA）结合于末端为3'端的一股，沿3'→5'方向解链（消耗ATP），解链同时水解解开的两股单链，水解自身结合股快于水解RecD结合股，移动慢。③RecD（ATPase，5'→3'解旋酶）结合于末端为5'端的一股，沿5'→3'方向解链（消耗ATP）。RecD只解链，移动快。④解链进行到与RecB结合股上的chi序列（chi sequence，GCTGGTGG）相遇，RecC与之强力结合，该股链不再降解，末端保留chi序列（大肠杆菌基因组中有1009个散在分布的chi序列，可以使相距1000bp以内的重组修复加快10～1000倍）。⑤RecD结合股降解加快。⑥最终形成3'突出末端，用以募集重组 酶RecA等，进行接下来的链侵入。
3.链侵入1 一股3'突出末端攻击另一完整DNA双链（供体DNA，donor DNA）的同源序列，形成称为取代环（D环，D-loop）的分支结构。取代环中游离3'端作为引物以供体结合股为模板启动复制，分支迁移（③）。
大肠杆菌链侵入由几十种链交换蛋白催化，关键链交换蛋白为重组酶RecA（人为 RAD51 ）。
4.链侵入2 另一股3'突出末端被取代环捕获，作为引物启动复制，分支迁移，直至形成两个切口。
5. Holliday连接形成 DNA连接酶催化封闭切口，形成双Holliday连接中间体（⑤）。
最终Holliday连接由解离酶、连接酶催化解离，两种解离方式得到两组不同的重组体（见Holliday模型）。
位点特异性重组 （site-specific recombination，位点专一［性］重组）是发生在两段特定序列（ 重组位点 ，recombination site）之间的交换。重组位点一定是两段特定序列（20～200bp），但不要求同源。各种重组位点都只被特定重组酶识别，重组酶与其识别的重组位点组成位点特异性重组系统。有的重组系统催化交换时还受一种或几种辅助蛋白（accessory protein）控制。 重组酶 （recombinase）可根据催化基团分为酪氨酸重组酶（如噬菌体整合酶家族，integrase）和丝氨酸重组酶（如位点特异性解离酶家族，resolvase）。
位点特异性重组发生于基因表达调控、胚胎发育时程序性基因重排、免疫球蛋白基因重排、某些病毒DNA和质粒整合与解离等过程中。
这里以λ噬菌体DNA整合于大肠杆菌DNA而进入溶原状态为例，介绍位点特异性重组机制（图2-42）。整合由λ噬菌体重组酶催化，发生在大肠杆菌重组位点 attB 和λ噬菌体重组位点 attP 之间。 attB 长23bp， attP 长240bp，它们有15bp同源序列。λ噬菌体重组酶又称整合酶（integrase，同四聚体），由λ噬菌体基因组编码，属于酪氨酸重组酶，是最先被鉴定的重组酶。
图2-42 λ噬菌体-大肠杆菌DNA整合机制
1.第一次切割 整合酶四聚体与重组位点 attP 、 attB 结合，其中两个亚基催化两个重组位点一股DNA特定的5'-磷酸酯键发生转酯反应，形成两个切口。切口的5'端羟基游离，3'端磷酸基与活性中心Tyr342的羟基以磷酸酯键结合（对比DNA拓扑异构酶，37页）。
2.第一次连接 两个切口的5'端交换，与对方3'端连接，形成Holliday连接。
3.第二次切割 Holliday连接变构，整合酶切断两个重组位点另一股DNA特定的5'-磷酸酯键，形成两个切口。切口的5'端羟基游离，3'端磷酸基与活性中心Tyr342的羟基以磷酸酯键结合。
4.第二次连接 两个切口的5'端交换，与对方3'端连接，Holliday连接解离。
丝氨酸重组酶催化位点特异性重组时，两个重组位点的四股DNA同时切割、交换、连接，并不形成Holliday连接。
位点特异性重组既可以发生在一个DNA分子内，也可以发生在两个DNA分子间。重组位点的序列不对称，因而有方向性，重组时两个重组位点需“同向”排列，重组结果取决于重组位点的定位和取向（图2-43）。
图2-43 位点特异性重组效应
1.插入 如果重组发生在两个DNA间且其中至少一个为共价闭合环状DNA，则重组导致 插入 （insertion，即整合），并且在两端形成 同向重复序列 （DR，①）。
2.缺失 如果DNA分子中一个片段的两端存在同向重组位点（属于同向重复序列），则重组导致该片段 缺失 （delete），并且缺失片段成环（②）。
3.倒位 如果DNA分子中一个片段的两端存在反向重组位点（属于 反向重复序列 ，IR），则重组导致该片段 倒位 （invert，③）。
某些位点特异性重组系统高度专一，只催化特定取向的重组。
染色体复制过程有时会发生位点特异性重组。例如，细菌环状染色体复制时因重组修复而形成Holliday连接，解离结果有两种可能：①形成两个子代环状染色体，为正常解离。②两个子代染色体首尾相接形成一个双染色体环，不能解离，细胞分裂停滞。此时会有一种特殊的位点特异性重组系统——XerCD系统催化其解离。
［DNA］转座 （［DNA］ transposition）是指转座子（或其拷贝）从一个位点（供体位点）转移到另一个位点（靶点）的现象。转座发生于染色体内或染色体间，供体位点和靶点序列不需要同源，因而大多数DNA转座对转座靶点的选择是随机的（如IS1），少数存在转座热点（如IS2）或具有特异性（如IS4）。这里介绍原核生物DNA转座子及其转座。
各种转座子长短不一，均含转座酶基因序列和两端的重组位点。其中转座酶基因编码 转座酶 （有时称整合酶），催化转座；重组位点是转座酶识别结合位点，反向重复排列，长9～10 2 bp，其序列通常可以只是相似，不需完全相同。细菌有两类典型的DNA转座子：插入序列和复合型转座子。
1.插入序列（insertion sequence，IS） 又称插入元件、简单转座子（simple transposon），通常以IS +数字命名，即IS1、IS2……目前已发现700多种，是结构最简单的转座子。简单转座子长度768～1531bp，只含转座酶基因序列和重组位点。
2.复合［型］转座子（composite transposon） 通常以Tn +数字命名，即Tn3、Tn5……复合型转座子长4.5～20kb，除含转座酶基因序列和重组位点外，还含有一个或一组其他基因。其他基因产物可能调控转座，或赋予宿主细胞新的表型，例如 抗性基因 赋予宿主细胞耐药性（抗药性），Tn3转座子（4957bp）含氨苄青霉素抗性基因（编码β-内酰胺酶）（图2-44）。致病菌通过转座传播抗性基因，导致抗生素疗效减弱甚至丧失。复合型转座子可以进一步分类。
图2-44 Tn3转座子
DNA转座子转座时，转座靶点处的一段序列会复制加倍，结果在插入的转座子两端形成一段同向重复序列（DR，图2-45），长度2、5、9bp，因转座酶而异，其形成源于转座酶催化转座子两端3'-羟基对转座靶点序列的错位双亲和取代反应——3'-3'转酯反应（图2-45①）。
细菌转座子有两种转座机制：简单转座和复制转座。有的转座子只采用其中一种转座机制，有的转座子两种机制都采用。
1.简单转座（simple transposition） 又称非复制型转座、剪切-粘贴转座，例如插入序列和Tn5、Tn7、Tn10的转座：①转座子由转座酶从供体位点切下，两个游离3'-羟基通过3'-3'转酯反应错位攻击转座靶点序列两个特定磷酸二酯键，插入转座靶点，并在转座子两端形成缺口。②通过DNA复制填补缺口，在转座子两端形成转座靶点同向重复序列（图2-45上）。对一个转座子而言，其同向重复序列本身不是唯一的，但长度是唯一的。
简单转座完成之后供体位点呈双链断裂状态，会通过非同源末端连接或同源重组修复，否则所属DNA会被降解。降解通常是致死性的。插入序列转座发生率为10 -7 /拷贝，即在1个世代的10 7 个细菌中有1个发生插入。
2.复制转座（replicative transposition） 又称复制型转座，例如Tn3、TnA、Mu噬菌体的转座：在供体位点与转座靶点之间形成共合体，包括以下步骤（图2-45下）。
（1）转酯：供体位点转座子两股链仅3'端被转座酶切开，形成切口，两个游离3'-羟基通过3'-3'转酯反应错位攻击转座靶点序列两个特定磷酸二酯键，与靶点DNA的5'端共价连接。
（2）复制：转座子解链，各自作为模板指导合成互补链，形成称为 共合体 （cointegrate）的中间体，即供体DNA-转座子-靶DNA-转座子-供体DNA融合，其中已有两个完整且同向重复的转座子。
（3）解离：共合体通过位点特异性重组分离，由解离酶（resolvase）催化。解离后供体位点与转座靶点各有一个转座子。
图2-45 简单转座（上）和复制转座（下）机制
真核转座子与细菌转座子结构类似，有些转座子转座机制也类似。也有些转座子有其他转座机制，涉及RNA中间体形成。这些转座子的进化过程与某些RNA病毒的进化有交集，密不可分。人类基因组序列近50%为各种转座子。
与同源重组相比，DNA转座发生率极低，一个转座子转座发生率仅为10 -4 ～10 -3 /代，但转座的生理意义十分重要，是许多生物自发突变的主要分子基础。DNA转座导致基因重排，产生以下效应。
1.转座子移至新位点，其基因活性发生变化。
2.转座位点位于编码序列中，转座子插入导致基因突变。转座子插入必需基因（essential gene，缺失会导致死亡的基因）会导致细胞死亡，因此转座个体非常少见。
3.转座位点位于调控元件内，转座子插入影响基因表达。
4.在转座位点插入转座子基因，赋予新表型，例如抗药性。
5.经过复制转座之后，转座子拷贝之间发生位点特异性重组，导致缺失、插入、倒位、易位。