基因调控通过转录因子、染色质修饰和非编码RNA的联合作用控制基因表达的时间、地点和水平。表观遗传学指不涉及DNA序列改变的基因表达的可遗传变化。

原核基因调控

细菌基因通常组织成操纵子，即作为单个多顺反子mRNA转录的基因簇。乳糖操纵子是经典例子，包含乳糖代谢基因。它受两个调控系统控制：Lac阻遏物（在无乳糖时阻断转录）和分解代谢物阻遏（需要在无葡萄糖时通过cAMP和CAP进行完全激活）。启动子和结构基因之间的操纵基因序列结合阻遏物，提供负调控。这种简单的开关使细菌能够快速响应环境变化。

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。通用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。特异性转录因子结合增强子或沉默子序列（通常远离启动子），并通过中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，如螺旋-转角-螺旋、锌指、亮氨酸拉链或碱性螺旋-环-螺旋基序。它们还含有招募共激活因子和染色质修饰酶的激活结构域。组合控制（多个转录因子必须协同结合）允许从有限数量的调节蛋白实现复杂的基因表达模式。

染色质与基因调控

在真核生物中，DNA包装成染色质，限制了调控序列的可及性。染色质重塑复合物如SWI/SNF利用ATP水解来滑动、驱逐或重构核小体，使DNA可及。组蛋白修饰酶通过共价修饰改变染色质结构。组蛋白乙酰转移酶乙酰化组蛋白尾部赖氨酸残基，中和其正电荷并松散组蛋白-DNA相互作用。组蛋白去乙酰化酶逆转这一修饰，促进染色质压缩。

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性染色质。组蛋白的磷酸化、泛素化和SUMO化提供额外的调控层。

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。甲基化模式可通过使用甲基化敏感性限制性内切酶的Southern印迹进行分析。基因启动子附近的CpG岛在活性基因中通常未甲基化。启动子CpG岛的甲基化与转录沉默相关，对基因组印记和X染色体失活很重要。DNA甲基化模式在发育过程中建立，并通过维持性甲基转移酶DNMT1在细胞分裂中维持。异常的DNA甲基化在癌症中常见，其中肿瘤抑制基因启动子变得高度甲基化。

表观遗传继承

表观遗传修饰可以通过细胞分裂继承。在DNA复制过程中，组蛋白修饰在新核小体上重建，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跨代传递。亲本印记导致某些基因仅从母系或父系等位基因表达，印记在配子发生过程中建立并在受精后维持。普拉德-威利综合征和安吉曼综合征等疾病涉及15号染色体上的印记区域。

非编码RNA的调控

小RNA在多个水平调节基因表达。微小RNA抑制靶mRNA的翻译或促进其降解。Piwi相互作用RNA在生殖系中沉默转座元件。长链非编码RNA将染色质修饰复合物招募到特定基因组位点。lncRNA XIST沿X染色体扩散，招募多梳抑制复合物以在雌性发育过程中沉默一条X染色体。

信号整合

基因表达整合来自多个途径的信号。基因启动子中的响应元件结合由特定信号级联激活的转录因子。CREB蛋白响应cAMP水平，糖皮质激素受体响应激素结合，NF-κB响应炎症信号。信号整合使基因能够对复杂的环境和发育信号作出适当响应，确保精确的时空基因表达模式。CRISPR-Cas9技术能够对基因进行靶向修饰以研究其调控和功能。