RecA蛋白在同源重组过程中扮演关键角色，通过催化碱基配对，形成杂种分子。它具有识别单链DNA的能力，并能将其与同源双螺旋中的互补顺序“退火”，同时将另一条链排挤出去，形成所谓的D环。
RecBC酶则是由recB和recC基因编码的，拥有DNA解旋和核酸酶活性。这种酶的独特之处在于，它仅能在含有游离双螺旋端的DNA分子上启动其解旋作用。
Holliday模型描述了同源重组的分子机制。首先，同源非姊妹染色单体的DNA分子在晚偶线期和早粗线期染色体配对时联会在一起。接着，内切核酸酶识别DNA分子上的相应断裂点，切断磷酸二酯键，使两个同源非姊妹染色体DNA分子各有一条链断裂。
随后，断裂游离端的氢键断裂，离开互补单链，单链交换为重接做准备。内切酶进一步作用，两断链游离端的氢键断裂，离开互补单链，准备进行单链交换重接。
在连接酶的作用下，断裂以交替方式与另一断裂点相互连接，形成一个交联桥，这称为Holliday中间体。在重组接点处，单链可以从一条双螺旋进入另一条双螺旋，重组接点像拉链一样滑动，即重组接点可沿着两条双链移动。
随后，交联桥旋转180°形成“十”字形。接下来，在交联部分断开以消除交联体，回复两个线性DNA分子，形成Holliday结构的异构体。最后，Holliday中间体沿左右或上下方向拆分。如果左右切断，即上连、下连，则产生的两个异源双链的两侧基因为AB和ab，保持亲代类型；如果上下切断，即左连、右连，则两侧基因为Ab和ab两个重组类型。
