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原核生物DNA的长度虽然比不上真核生物的DNA，但是也已经相当长了，在细胞有限的尺寸下，如何装下这么长的DNA，已经是一个问题了。例如，大肠杆菌的环状DNA有460万个碱基对，周长1.56毫米，是大肠杆菌细胞周长的500倍。细菌采取的办法是让DNA绕麻花，即让DNA的双螺旋再绕成螺旋，成为麻花绕成的麻花，即超级螺旋，这样就可以将DNA紧缩成一团。这个过程需要DNA分子弯曲，而DNA分子中的磷酸根是带负电的，彼此排斥，趋向于使DNA变直。为了让DNA分子弯曲，大肠杆菌让DNA结合一些带正电的分子，如精胺（C 10 H 26 N 4 ）和Ku蛋白，以中和DNA上的负电荷，使其变得容易弯曲。
古菌采取的办法不是绕麻花，而是绕小球。一类带正电的蛋白质，叫作组蛋白的，聚合成为小球，DNA绕在上面，每个小球绕大约60个碱基对的DNA，形成核小体，这样也可以使DNA占据的长度大幅缩短。
到了真核生物，DNA分子就更长了，例如，酵母菌的DNA有大约1200万个碱基对，长4毫米；变形虫的DNA有3400万个碱基对，长11毫米；人的DNA更是有30亿个碱基对，长1米。再用原核细胞装DNA的方式显然不行了。真核细胞的方法是先将DNA分段，例如，酵母菌将DNA分为16~18段，变形虫分为6段，人分为23段，这样每一段就比总长短得多。不过这些片段仍然相当长，还需要包装。
真核细胞是由主细胞古菌包含客细胞细菌形成的，所以也继承了古菌包装DNA的方式，即让DNA缠绕在组蛋白的小球上，形成核小体，只不过真核细胞的组蛋白种类更多，形成的小球也更大，这样每个小球可以绕大约146个碱基对（图3-3）。核小体之间有几十个碱基对长的DNA，不与蛋白结合，所以DNA总体上看像一串念珠。这样的念珠串还可以绕成螺旋状，形成更粗的螺管线。到了细胞分裂期，螺管线还可以来回折叠，使DNA包装成短粗的形状，叫作染色体，可以被碱性染料染色而在显微镜下被看见。在平时，DNA的包装不如在染色体中那么紧密，而是以螺管线或者念珠串的状态分散在细胞核中，叫作染色质。
图3-3 DNA的包装
包装的问题解决了，却又带来新的问题，就是每条染色体都有两端，这两端就像没有鞋带扣的鞋带，DNA的两条链容易松开。为了防止这种状况，真核细胞在染色体的两端加上一些重复的DNA序列，并且用蛋白质将它们包裹起来，形成端粒（图3-4）。端粒就像鞋带两端的鞋带扣，可以防止鞋带松开。由于DNA复制的机制，每复制一次，端粒DNA就会缩短一点，如果不加以修复，端粒就会越来越短，最后导致DNA不稳定，使细胞失去进一步分裂的能力。人的上皮细胞在体外培养的条件下分裂50次左右就不再分裂，进入老化状态，就是因为上皮细胞没有修复端粒的能力。因此对于需要无限次分裂的细胞如生殖细胞，细胞里面有专门修复端粒的端粒酶，它自身带着与端粒中重复DNA序列互补的RNA，可以结合在端粒上，将端粒延长（参见第十一章第三节和图11-8）。
图3-4 端粒的结构
染色质形成带来的另一个问题是基因表达。在原核生物中，DNA和与之结合的蛋白质的质量比大约是10∶1，所以DNA基本上是裸露的，转录因子可以比较容易地结合在启动子上。而在真核生物中，DNA和与之结合的蛋白质的质量比大约是1∶1，还形成了核小体和螺管线这样的结构，所以DNA是被蛋白质屏蔽起来的，转录因子要结合在某个启动子上，进行基因调控，就必须先把这段染色质打开，让DNA暴露出来。
由于在核小体中，DNA是通过自己的负电荷和组蛋白上的正电荷相互吸引而缠绕在组蛋白上的，如果减少组蛋白上面的正电荷，组蛋白和DNA的结合就不紧密了，DNA就可以脱落下来。减少组蛋白正电荷的一种方法就是在组蛋白中氨基酸侧链的氨基上加上乙酰基，把氨基的正电荷屏蔽掉，叫作组蛋白的乙酰化，可以把染色质松开。
除了组蛋白的乙酰化，基因启动子的甲基化也是调控基因的一种手段。甲基化是在启动子中CG序列中的C（胞嘧啶）上面加一个甲基，相当于给C戴了一个帽子，使转录因子不认识启动子上的结合点而不能与之结合，也就不能将基因的“开关”打开。
这些染色质结构的变化除了由蛋白质控制，还与许多RNA分子有关。这些RNA分子也转录自DNA序列，但是并不为蛋白质分子编码，所以既不是mRNA，也不是tRNA和rRNA，而是影响基因的表达，统称调控RNA，包括参与染色质结构的变化，与mRNA分子结合以妨碍转译过程，或者影响mRNA的稳定性等，是又一种调节基因表达的方式。
所以在真核细胞中，基因调控的基本原理虽然和原核生物一样，也是通过转录因子与启动子之间的作用决定基因的“开”和“关”，但是真核生物的基因调控机制更加复杂，涉及DNA的包装状况，转录因子的种类也更多。真核生物也不像原核生物那样几个功能相关的基因共用一个“开关”，即操纵子（参见第二章第五节），而是每个基因都有自己的启动子，以进行更加精细的调控。
细胞核的出现需要有膜，而作为真核生物前身的原核生物并没有细胞核，真核细胞中包裹细胞核的膜即核膜，又是从哪里来的？这可以从少数原核生物中找到线索。
在一种叫隐球菌的细菌中，已经出现了细胞内的膜，这些膜甚至部分包裹DNA，形成类似细胞核的结构，不过这些膜还没有在细胞内分隔出彼此隔绝的空间，因此还没有真正的细胞核。对这种细菌的研究表明，它已经具有一些蛋白质分子，能对细胞膜“动手术”，让细胞膜弯曲内突，最后和细胞膜脱离，成为细胞内的膜。真核细胞中核膜的出现，也是这些蛋白质分子工作的结果。