Svaka ćelija u organizmu ima isti, kompletan genom - ali jetrina ćelija se ne ponaša kao neuron, i nijedna ćelija ne pravi svih 20.000-plus proteina koje njena DNK teoretski može kodirati, u svakom trenutku, u istoj količini. Razlog je regulacija genske ekspresije: sistem kontrola koji određuje koji geni se transkribuju i prevode, kada, i koliko. Bilo bi energetski i prostorno rasipno kad bi ćelija stalno eksprimirala svaki gen - DNK bi morala ostati stalno odmotana da bi to bilo moguće, a ćelija bi morala biti ogromna. Regulacija umjesto toga uključuje gene samo onda kad su njihovi proteini stvarno potrebni.

Prokarioti - regulacija samo na transkripcionom nivou. Kod bakterija DNK slobodno pliva u citoplazmi, bez jedra koje bi razdvajalo transkripciju od translacije - čim mRNK nastane, odmah se prevodi. Zato je kod prokariota jedina praktična kontrolna tačka sama transkripcija: ako se transkripcija zaustavi, sve dalje se automatski zaustavlja. Geni koji zajedno služe istoj funkciji (npr. razgradnji istog šećera) organizovani su u operon - blok gena koji dijele jedan promoter i jedan operator, DNK sekvencu na koju se vezuje regulatorni protein. Postoje tri tipa takvih regulatornih molekula: represori (proteini koji suzbijaju transkripciju), aktivatori (proteini koji je pojačavaju) i induktori (male molekule koje, zavisno od situacije, mogu učiniti oboje).

Klasičan primjer represorske regulacije je trp operon kod E. coli, koji sadrži pet gena za sintezu aminokiseline triptofana. Kad je triptofan već dovoljno prisutan u ćeliji, dva njegova molekula se vezuju za trp represor i mijenjaju mu oblik tako da se on veže za operator, fizički blokirajući RNK polimerazu - operon se isključuje. Kad triptofana nema dovoljno, represor ostaje neaktivan, ne vezuje se, i operon radi. Pošto je ovdje protein taj koji AKTIVNO gasi transkripciju, ovo je primjer negativne regulacije.

Suprotan, aktivatorski primjer je katabolitni aktivator protein (CAP), koji uključuje gene za obradu alternativnih šećera kad glukoze nema dovoljno. Kad nivo glukoze padne, u ćeliji se nakuplja ciklični AMP (cAMP), koji se vezuje za CAP; taj kompleks se onda vezuje uzvodno od RNK polimeraze i pojačava njeno vezivanje za promoter.

Treći primjer, induktorski lac operon (geni za razgradnju laktoze), pokazuje da regulacija može zavisiti od dva nezavisna signala istovremeno: operon se puno transkribuje samo kad je glukoza odsutna (CAP aktivan) I laktoza prisutna (represor neaktivan). Ako je laktoza prisutna ali je i glukoza i dalje prisutna, transkripcija je samo djelimična (bazalna, bez dodatnog CAP pojačanja); ako nema ni glukoze ni laktoze, transkripcije nema uopšte, jer represor i dalje blokira operator. Ova "logika I" ima jasan energetski smisao: nema potrebe praviti enzime za laktozu ako glukoza (jednostavniji izvor energije) već postoji, niti ako laktoze uopšte nema u okolini.

Eukarioti - regulacija na pet nivoa. Kod eukariota jedro fizički razdvaja transkripciju (unutra) od translacije (u citoplazmi), pa regulacija može djelovati na svakom koraku između njih: epigenetskom (prije nego što transkripcija uopšte počne), transkripcionom, posttranskripcionom, translacionom i posttranslacionom.

Epigenetska regulacija kontroliše fizički pristup DNK. Prvi nivo pakovanja je namotavanje DNK oko histonskih proteina u strukture zvane nukleozomi; kad su nukleozomi zbijeni blizu jedan drugom, transkripcioni faktori se ne mogu vezati za DNK, a kad su razmaknuti, DNK je izložena i dostupna. Ovo pakovanje kontrolišu hemijske oznake dodate na histone i na samu DNK - nisu trajne, mogu se dodavati i uklanjati po potrebi, i ne mijenjaju nukleotidnu sekvencu (za razliku od mutacije). DNK je negativno naelektrisana, pa naboj histona određuje koliko čvrsto se DNK oko njih namotava: nemodifikovani histoni imaju velik pozitivan naboj koji čvrsto drži DNK, a dodavanje acetilne grupe (acetilacija) taj naboj smanjuje i olabavljuje pakovanje. DNK metilacija djeluje u istom pravcu - u regijama bogatim citozin-gvanin parovima (CpG ostrva), koje se često nalaze u promotorima, dodavanje metil grupe na citozin mijenja kako DNK interaguje sa histonima. Regije koje su istovremeno visoko metilisane i imaju deacetilisane histone su čvrsto namotane i transkripciono neaktivne. Ova dva stanja pakovanja imaju i svoja imena: gusto pakovan, uglavnom neaktivan hromatin zove se heterohromatin (tipično u regijama centromere i telomera), a rjeđe pakovan, transkripciono dostupan hromatin zove se euhromatin.

Transkripciona regulacija djeluje preko proteina koji određuju HOĆE li i KOLIKO će se neki gen transkribovati, čim je DNK već dostupna. RNK polimeraza kod eukariota ne može sama pronaći promoter - prvi transkripcioni faktor koji se veže za TATA box je TFIID, koji zatim regrutuje ostale (TFIIB, TFIIE, TFIIF, TFIIH) i tek nakon toga RNK polimeraza može da se veže. Dodatnu, finiju kontrolu daju pojačivači (enhanceri) - kratke DNK sekvence koje mogu biti hiljadama nukleotida udaljene od gena kojem pomažu, uzvodno, unutar kodirajuće regije ili nizvodno od njega. Pošto je DNK trodimenzionalna, a ne prava linija, protein koji savija DNK može fizički dovesti pojačivač u kontakt sa promotorom, gdje aktivatori vezani za pojačivač djeluju preko medijator proteina na samu transkripcionu mašineriju. Dva gena mogu dijeliti isti promoter, ali imati različite pojačivače - i time različitu, gen-specifičnu regulaciju. Isto tako postoje i transkripcioni represori, proteini koji se vezuju za promotor ili pojačivač i blokiraju vezivanje aktivatora.

Posttranskripciona regulacija djeluje nakon što je mRNK već napravljena, a prije nego što se prevede. Jedan mehanizam je alternativni splicing: zavisno od toga koje kombinacije introna (i ponekad egzona) se uklone iz istog transkripta, jedan gen može dati više različitih proteinskih produkata - prema jednoj procjeni čak 70% ljudskih gena se eksprimira na ovaj način. Drugi mehanizam je stabilnost same mRNK molekule - brzina kojom se razgrađuje direktno određuje koliko dugo ostaje dostupna za translaciju, a time i koliko proteina može nastati. Na tu stabilnost utiču RNK-vezujući proteini (RBP) koji se vezuju za netranslirane regije (UTR) na 5' i 3' kraju mRNK, i mikroRNK (miRNK) - kratke RNK molekule od 21 do 24 nukleotida koje se, zajedno sa proteinskim kompleksom RISC, vezuju za ciljnu mRNK i brzo je razgrađuju.

Translaciona regulacija najčešće djeluje preko kontrole samog inicijacionog kompleksa. Kod eukariota, protein eIF-2 mora biti vezan za GTP da bi pokrenuo sklapanje inicijacionog kompleksa i translaciju; ako je eIF-2 fosforilisan, mijenja oblik i više ne može vezati GTP, pa translacija ne može ni početi. Konačno, posttranslaciona regulacija djeluje na već gotov protein: hemijske grupe (metil, fosfatna, acetilna, ubikvitin) se dodaju ili uklanjaju i time mijenjaju aktivnost proteina, njegovu lokaciju u ćeliji, ili koliko dugo postoji. Dodavanje ubikvitina posebno djeluje kao signal za razgradnju - obilježen protein se prenosi na proteazom, gdje se razgrađuje, čime se efektivno skraćuje njegov životni vijek.