У эукариот регуляция сложнее и многоуровневая: гены разбросаны, а не собраны в опероны; ДНК упакована в хроматин, и его плотность влияет на доступность генов; для транскрипции нужны многочисленные факторы транскрипции; действуют удалённые регуляторные участки (энхансеры и сайленсеры) и эпигенетические метки.

Экспрессия гена — это его «прочтение»: синтез РНК и белка по гену. Регуляция экспрессии — управление тем, какие гены, когда и насколько сильно работают. Это нужно, потому что в каждой клетке есть все гены, но одновременно требуется лишь их часть.

После синтеза мРНК регуляция продолжается: альтернативный сплайсинг определяет, какой вариант белка получится; микроРНК связываются с мРНК и подавляют её трансляцию или ускоряют распад; стабильность мРНК и эффективность её трансляции тоже регулируются.

Эпигенетическая регуляция — управление работой генов без изменения последовательности ДНК, за счёт «меток» на ДНК и гистонах. Метилирование ДНК обычно выключает гены; модификации гистонов (ацетилирование, метилирование) делают хроматин рыхлым (гены активны) или плотным (гены молчат). Эти метки могут наследоваться при делении клеток.

Регуляция экспрессии генов делает возможной специализацию клеток (все клетки тела имеют одинаковую ДНК, но работают разные гены — так возникают нейрон, мышца, клетка печени), ответ на изменения среды и развитие организма. Её нарушения ведут к раку и многим болезням.

У бактерий гены одного пути часто объединены в оперон — группу генов под одним промотором. Классический пример — lac-оперон (гены усвоения лактозы). Когда лактозы нет, белок-репрессор садится на оператор и выключает гены; появляется лактоза — она снимает репрессор, и гены включаются (индукция).

Факторы транскрипции — белки, которые связываются с регуляторными участками ДНК и включают или выключают конкретные гены. Гормоны часто действуют именно через них: стероидные и тиреоидные гормоны сами входят в клетку и активируют ядерные рецепторы (факторы транскрипции), а пептидные — через сигнальные каскады, которые активируют факторы транскрипции.

Экспрессию можно регулировать на нескольких этапах: главный — транскрипция (какие гены переписываются в РНК); кроме того — процессинг и сплайсинг мРНК, стабильность и трансляция мРНК, а также стабильность и активность самого белка. Больше всего решается на этапе транскрипции.

Репрессия — выключение генов, когда их продукт уже не нужен. Пример — trp-оперон (синтез триптофана): когда триптофана много, он сам (как корепрессор) активирует репрессор, и гены синтеза триптофана выключаются. Регуляторные белки бывают репрессоры (выключают) и активаторы (включают); малые молекулы — индукторы (снимают репрессию) и корепрессоры (усиливают репрессию).