Die Genexpression in Prokaryoten kann durch Operons gesteuert werden. Die DNA-Sequenzen bestehen aus regulatorischen Elementen und geclusterten, funktionell verwandten proteinkodierenden Genen. Operons verwenden eine bestimmte Promotorsequenz, um die Transkription eines Gen-Clusters (d.h. einer Gruppe von Struktur-Genen) in ein einziges mRNA-Molekül zu initiieren. Die Terminatorsequenz beendet die Transkription. Eine Operatorsequenz welche sich zwischen dem Promotor und den Struktur-Genen befindet, verhindert die Transkriptionsaktivität des Operons, wenn es durch ein Repressorprotein gebunden ist. Insgesamt bilden der Promotor, der Operator, die Struktur-Gene und der Terminator den Kern eines Operons.
Operons sind in der Regel entweder induzierbar oder repressiv. Induzierbare Operons, wie z.B. das bakterielle Lac-Operon, sind normalerweise ausgeschaltet. Sie werden aber in Gegenwart eines kleinen Moleküls, dem sogenannten Induktor (z.B. Allolaktose), eingeschaltet. Wenn keine Glukose vorhanden ist, aber Lactose ist da, bindet die Allolactose und inaktiviert den Lac-Operon-Repressor. So kann das Operon Enzyme bilden, die für den Lactose-Stoffwechsel verantwortlich sind.
Repressive Operons, wie z.B. das bakterielle Trp-Operon, sind in der Regel eingeschaltet, werden aber in Gegenwart eines kleinen Moleküls, eines so genannten Korepressors (z.B. Tryptophan), ausgeschaltet. Wenn Tryptophan, eine essenzielle Aminosäure, im Überfluss vorhanden ist, bindet und aktiviert Tryptophan den TrpRepressor und verhindert, dass das Operon die für seine Synthese erforderlichen Enzyme produziert.
Operons können auch konstitutiv (d.h. kontinuierlich) aktiv sein. Beispielsweise sind bakterielle ribosomale RNA-Operone (rRNA) immer eingeschaltet, da rRNAs ständig für die Translation benötigt werden.
Weitere regulierende Elemente tragen ebenfalls zu einer koordinierten Genexpression der Operons bei. So kodieren regulatorische Gene für Transkriptionsaktivatoren oder Repressorproteine. Die LacI-und TrpR-Gene kodieren beispielsweise für ihre jeweiligen Operon-Repressoren. Zusätzliche regulatorische Sequenzen, wie die Bindungsstelle des CAP-Proteins (catabolite activator protein), bieten Bindungsstellen für andere Aktivatoren oder Repressoren. Wenn der Glukosegehalt gering ist, aktiviert beispielsweise ein Signalmolekül (d.h. ein zyklisches AMP) das CAP und ermöglicht ihm, die CAP-Bindungsstelle zu binden, die RNA-Polymerase zu rekrutieren und die Lac-Operon-Transkription zu initiieren.
