Всі клітини будь-якого, організму, які б функції вони не виконували, мають повний набір властивих даному організму генів. Разом з тим добре відомо, що у будь-якого організму клітини різних тканин і органів відрізняються по набору наявних в них білків. Навіть в одній клітці на різних стадіях її розвитку синтезуються і функціонують різні білки. Отже, маючи повну генетичною інформацією, кожна клітина на певному етапі розвитку використовує лише ту її частину, яка необхідна в даний момент, транскрибируются тільки ті гени, продукти яких потрібні клітці в даний момент для відправлення її функцій. Отже, клітина повинна мати у своєму розпорядженні механізмами, що визначають, які гени і в якій послідовності повинні транскрибуватися. Найбільш повно регуляція генної активності вивчена на прикладах адаптивного синтезу ферментів у мікроорганізмів. Розглянемо деякі з них.
Залежно від умов кількість певного ферменту в бактеріальної клітці може істотно змінюватися. Деякі ферменти, необхідні бактерії для засвоєння певних поживних речовин, активно синтезуються в клітці тільки тоді, коли ці речовини присутні в культурному середовищі, і синтез їх припиняється, якщо будь-яким чином вони видаляються з середовища. Такий тип регуляції
синтезу ферменту називається індукцією, а речовина, що викликає цей синтез, - індуктором. Один з найбільш наочних прикладів даного типу регуляції - лактозна оперон кишкової палички - група генів, що контролює синтез ферментів, які здійснюють катаболізм молочного цукру - лактози. Буквально через кілька хвилин після додавання в живильне середовище для кишкової палички лактози бактерії починають виробляти три ферменту: галактозідпермеазу, бета-галактозидазу і галактозідтрансацетілазу. Як тільки ресурси лактози в середовищі вичерпуються, синтез ферментів відразу ж припиняється.
Наведений приклад стане більш зрозумілим при розгляді схеми роботи лактозного оперона (рис. 81), вивчення якого дозволило французьким вченим Ф. Жакобу і Ж. Моно розробити власне концепцію Оперон і з'ясувати основні принципи регуляції транскрипції у прокаріотів. Починається оперон з ділянки A. призначеного для приєднання якогось білка-активатора, в свою чергу необхідного для приєднання до наступного за ділянкою А промотору (П) РНК-полімерази. За промотором, послідовність нуклеотидів якого впізнається РНК-полімерази, слід оператор (О), який грає важливу роль в транскрипції генів оперона, так як з ним зв'язується регуляторний білок-репрессор. За оператором слідують структурні гени для трьох згаданих раніше ферментів. Закінчується оперон термінатором, який припиняє просування РНК-полімерази і транскрипцію оперона. Регуляторний білок-репрессор.
У незначній кількості синтезується в клітці постійно, так що в цитоплазмі одночасно присутні не більше 10 його молекул. Цей білок має спорідненості з послідовності нуклеотидів в області оператора, і таким же спорідненістю до лактози. За відсутності лактози білок-репрёссор зв'язується з операційним ділянкою та перешкоджає просуванню по ДНК РНК-полімерази: не синтезується мРНК, не синтезуються і ферменти. Після додавання в середовище лактози білок-репрессор зв'язується з нею швидше, ніж з операційним ділянкою: останній залишається вільним і не перешкоджає просуванню РНК-полімерази. Йде транскрипція і трансляція. Синтезуються ферменти здійснюють транспорт в клітину і розщеплення лактози. Після того як вся лактоза буде витрачена, нічим стане зв'язувати білок-реп ресор і він знову зв'яжеться з оператором, припинивши транскрипцію оперона. Таким чином, індукція оперона викликається тим, що регуляторний білок не прикріплюється до оператора. Такий тип індукції називається негативним.
Інший відомий тип індукції - позитивна індукція. Вона властива іншому оперення кишкової палички, що кодує ферменти катаболізму іншого цукру - Арабіноза. Цей оперон структурно дуже схожий на попередній. Різниця в регуляції полягає в тому, що додана в середу арабиноза взаємодіє з білком-репрессором і, звільняючи операторний ділянку, одночасно перетворює білок-репрессор в білок-активатор, що сприяє приєднанню РНК-полімерази до промотор. У цих умовах транскрипція має місце. Як тільки запаси Арабіноза в середовищі вичерпуються, що синтезується білок-реп ресор знову зв'язується з оператором, вимикаючи транскрипцію.
Крім індукції, відомі також два типи (негативний і позитивний) регуляції за принципом репресії. Якщо при негативної індукції ефектор (індуктор) перешкоджає приєднанню білка-репрессора до оператора, то при негативній репресії, навпаки, ефектор надає регуляторному білку здатність приєднуватися до оператора. Якщо в першому випадку з'єднання ефектора з білком-регулятором дозволяло транскрипцію, то в другому воно забороняє її. Прикладом негативної репресії може служити добре вивчений триптофанового оперон кишкової палички. До його складу входять п'ять структурних генів, які забезпечують синтез амінокислоти триптофану, оператор і два промотора. Білок-регулятор синтезується поза триптофанового оперона. Поки клітина встигає витрачати весь синтезується триптофан, оперон працює, синтез триптофану триває. Якщо ж в клітці з'являється надлишок триптофану, він з'єднується з регуляторним білком і змінює його таким чином, що цей білок набуває спорідненість з оператором. Змінений білок-регулятор взаємодіє з оператором і перешкоджає транскрипції структурних генів, внаслідок чого синтез триптофану припиняється. При позитивній репресії ефектор позбавляє регуляторний білок здатності зв'язуватися з оператором, обумовлюючи, таким чином, транскрипцію структурних генів.
Описані типи регуляцій характеризують механізми регуляції окремих оперонов, практично не торкаючись регуляції експресії геному в цілому, в той час як абсолютно очевидно, що регуляція різних оперонов повинна носити узгоджений характер. Такий узгоджений характер роботи різних оперонов і генів отримав у вірусів і фагів назву каскадної регуляції. Відповідно до принципу каскадної регуляції спочатку відбувається транскрипція «предранніх», потім «ранніх» і нарешті «пізніх» генів в залежності від того, які білки потрібні на різних стадіях вірусної (фагової) інфекції.
Звичайно, принцип каскадної регуляції у фагів відноситься до найбільш простим. У більш складно організованих організмів для здійснення великої кількості функцій, що відбуваються одночасно або з певною послідовністю, необхідна злагоджена робота багатьох генів і оперонов. Особливо це стосується еукаріотів, що відрізняються не тільки більш складною організацією геному, а й багатьма іншими особливостями механізмів регуляції генної активності.
За принципами регуляції гени еукаріотів можна умовно розділити на три групи: 1) функціонують у всіх клітинах організму; 2) функціонують тільки в тканинах одного типу; 3) забезпечують виконання спеціалізованими клітинами конкретних функцій. Крім того, у еукаріотів відомо одночасне групове виключення генної активності, здійснюване гистонами - основними білками, що входять до складу хромосом. Ще однією істотною відмінністю транскрипції в еукаріотів є те, що багато мРНК тривалий час зберігаються в клітці у вигляді особливих частинок-інформосом, в той час як мРНК прокаріотів практично ще в процесі транскрипції надходять в рибосоми, транслюються, після чого швидко руйнуються.
Разом з тим є багато даних, які вказують, що транскрипція у еукаріотів здійснюється з ділянок, подібних оперон прокариотов і складаються з регуляторних і структурних генів. Відмінною особливістю оперонов еукаріотів є те, що майже завжди вони містять тільки структурний ген, а гени, які контролюють різні етапи певного ланцюга метаболічних перетворень, розкидані по хромосомі і навіть за різними хромосомами. Іншою відмінною рисою оперонов еукаріотів є те, що вони складаються з значущих (екзонів) і незначущих (інтронів) ділянок, що чергуються один з одним. При транскрипції зчитуються як Екзони, так і інтрони, а що утворюється при цьому попередник інформаційного РНК (про-мРНК) потім зазнає дозрівання (процесинг), в результаті якого відбувається визрівання інтроіов і освіту власне мРНК (сплайсинг),
У еукаріотів відомі й інші типи регуляції активності генів, такі як ефект положення або дозовая компенсація. У першому випадку мова йде про зміну генної активності в залежності від конкретного оточення: переміщення гена з одного місця хромосоми в інше може приводити до зміни активності як цього гена, так і прилеглих. У другому випадку нестача однієї дози будь-якого гена (в першу чергу це відноситься до генам, локалізованим в статевих хромосомах гетерогаметного статі, коли одна з гомологічних статевих хромосом або генетично інертна, або повністю відсутній) фенотипически не проявляється за рахунок компенсаторного збільшення активності залишився гена . В цілому ж регуляція активності генів у еукаріотів вивчена недостатньо.