该过程由组蛋白去乙酰化酶调控。

人基因组共编码18个不同的组蛋白去乙酰化酶，根据它们催化去乙酰化反应的机理不同分成两个家族。一个家族为锌离子依赖性去乙酰化酶，共11个成员，按照被发现的时间顺序命名为HDCA1至HDAC11。以HDAC8为例，去乙酰化反应发生时，酪氨酸306的羟基和锌离子共同作用，极化乙酰基的碳氧双键。与此同时，组氨酸143作为碱将置于反应中心附近的水分子去质子化，得到的氢氧根负离子进攻羰基碳发生亲核加成。随后，上一步反应得到的负离子中间体进一步消除一分子乙酸，得到没有修饰的赖氨酸。

另一个家族为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸依赖性去乙酰化酶，也称为Sirtuin家族去乙酰化酶，由Sirt1至Sirt7共7个成员组成。此家族去乙酰化酶以烟酰胺腺嘌呤二核苷酸作为辅因子，反应的第一步为乙酰胺基的氧原子亲核进攻与烟酰胺相连的核糖碳原子，生成核糖亚胺酸酯中间体并释放烟酰胺。随后，Sirtuin去乙酰化酶内高度保守的组氨酸催化残基作为碱将核糖亚胺酸酯邻位的羟基去质子化，触发分子内亲核加成得到二环中间体。最终，环境中的水分子亲核进攻与赖氨酸氨基相连的碳原子，得到无修饰的赖氨酸和乙酰基腺嘌呤二核苷酸。

锌离子依赖性去乙酰化酶的底物选择性并不明确。由于此家族去乙酰化酶通常与其他蛋白组成蛋白复合体发挥作用，单独存在的酶去乙酰化活性则大大降低。因此，利用单个家族成员研究其底物选择性的方案不具有可行性。此外，同一个锌离子依赖性去乙酰化酶可存在于不同的蛋白复合体中，而不同复合物的作用底物亦会不同。同时，不同家族成员之间存在功能冗余性，即当细胞内一个家族成员失活或水平下降时，其他的成员可代为行使相关的生物学功能。以上几方面的原因使得锌离子依赖性去乙酰化酶底物选择性的研究难度较大。Sirtuin家族去乙酰化酶则单独发挥活性，底物选择性也较为明确。除了组蛋白，两个家族的去乙酰化酶也可以催化其他蛋白的去乙酰化，参与调控多种细胞过程，这也使得他们成为药物研发的热门靶标。其中，锌离子依赖性去乙酰化酶抑制剂（如伏立诺他）已成为治疗癌症的临床用药。