基因调控通过转录因子、染色质修饰和非编码 RNA 的联合作用来控制基因表达的时间、地点和程度。表观遗传学是指在 DNA 序列不发生变化的情况下发生的基因表达的可遗传变化。
原核基因调控
细菌基因通常被组织成操纵子，即转录为单个多顺反子 mRNA 的基因簇。乳糖操纵子是典型的例子，含有乳糖代谢基因。它由两个调节系统控制：Lac 阻遏物，在缺乏乳糖的情况下阻断转录；以及分解代谢物抑制，在缺乏葡萄糖时需要 cAMP 和 CAP 才能完全激活。启动子和结构基因之间的操纵子序列结合阻遏物，提供负调节。 This simple on-off switch allows bacteria to respond rapidly to environmental changes.
真核转录因子
真核基因调控涉及结合特定 DNA 序列的转录因子的复杂相互作用。一般转录因子在核心启动子处与RNA聚合酶II组装，形成基础转录复合物。特定的转录因子结合通常远离启动子的增强子或沉默子序列，并通过介体和共激活蛋白与基础复合物相互作用。
转录因子含有 DNA 结合结构域，例如螺旋-转角-螺旋、锌指、亮氨酸拉链或基本螺旋-环-螺旋基序。它们还包含招募共激活剂和染色质修饰酶的激活域。组合控制（多个转录因子必须协同结合）允许有限数量的调节蛋白表达复杂的基因模式。
染色质和基因调控
在真核生物中，DNA 被包装到染色质中，这限制了调控序列的进入。染色质重塑复合物（例如 SWI/SNF）利用 ATP 水解来滑动、驱逐或重组核小体，从而使 DNA 易于接近。 Histone-modifying enzymes alter chromatin structure through covalent modifications.组蛋白乙酰转移酶乙酰化组蛋白尾部的赖氨酸残基，中和其正电荷并放松组蛋白-DNA 相互作用。 Histone deacetylases reverse this modification, promoting chromatin compaction.
组蛋白密码假说提出，组蛋白修饰的特定模式决定染色质状态和基因活性。组蛋白 H3 赖氨酸 4 的三甲基化标记活性启动子，而 H3 赖氨酸 9 或 H3 赖氨酸 27 的三甲基化标记抑制染色质。 Phosphorylation, ubiquitination, and SUMOylation of histones provide additional regulatory layers.
DNA 甲基化
DNA 甲基化发生在 CpG 二核苷酸中胞嘧啶的 5 位，由 DNA 甲基转移酶催化。甲基化模式可以使用甲基化敏感的限制性内切酶通过 Southern blot 进行分析。 CpG islands near gene promoters are usually unmethylated in active genes.启动子 CpG 岛的甲基化与转录沉默相关，对于基因组印记和 X 染色体失活很重要。 DNA methylation patterns are established during development and maintained through cell division by the maintenance methyltransferase DNMT1. Aberrant DNA methylation is common in cancer, where tumor suppressor gene promoters become hypermethylated.
表观遗传
Epigenetic modifications can be inherited through cell divisions.在 DNA 复制过程中，组蛋白修饰在新核小体上重新建立，并且 DNA 甲基化模式由维持性甲基转移酶复制。一些表观遗传标记甚至可以代代相传。亲本印记导致某些基因仅从母本或父本等位基因表达，印记在配子发生期间建立并在受精后维持。 Disorders such as Prader-Willi and Angelman syndromes involve imprinted regions on chromosome 15.
非编码 RNA 的调控
Small RNAs regulate gene expression at multiple levels. MicroRNAs inhibit translation or promote degradation of target mRNAs. Piwi 相互作用的 RNA 沉默种系中的转座元件。 Long non-coding RNAs recruit chromatin-modifying complexes to specific genomic loci. The lncRNA XIST spreads along the X chromosome, recruiting polycomb repressive complexes to silence one X chromosome during female development.
信号集成
Gene expression integrates signals from multiple pathways. Response elements in gene promoters bind transcription factors activated by specific signaling cascades. CREB 蛋白对 cAMP 水平做出反应，糖皮质激素受体对激素结合做出反应，NF-kappaB 对炎症信号做出反应。信号整合使基因能够对复杂的环境和发育线索做出适当的反应，确保基因表达的精确的空间和时间模式。 CRISPR-Cas9 technology enables targeted modification of genes to study their regulation and function.
