Лактозной оперон (lac-оперон) E. coli стал в свое время, благодаря исследованиям Жакоба и Моно
(Fran?ois Jacob, Jacques Monod), первой детально изученной системой регуляции транскрипции. В состав оперона
(Рис. 5.14) входят три структурные гены, кодирующие ферменты, участвующие в утилизации (катаболизма) лактозы. Транскрипция всех трех генов осуществляется с одного промотора (синтезируется единственная, так называемая полицистронна, молекула мРНК, которая имеет три последовательные открытые рамки считывания).
Промотор окружают две одинаковые операторные участки (lac-оператора), имеющие сродство к lac-репрессор, и сайт связывания CAP (Catabolite Activator Protein). Промотор lac-оперона является слабым? имеет достаточно низкую собственную сродство к РНК-полимеразы. Даже если в среде есть лактоза, но присутствует также глюкоза (лучший пищевой субстрат для бактерий), транскрипция lac-оперона почти не осуществляется. Снижение уровня глюкозы приводит к повышению внутриклеточной концентрации сАМР (циклического аденозинмонофосфата), связывание которого с САР индуцирует конформационную перестройку белка и появление его специфической сродства к соответствующему сайта на ДНК (см. структуру комплекса на рис. 3.13, б). Взаимодействие САР с РНК-полимеразой усиливает ее сродство к промотора? САР рекрутирует полимеразу, которая далее начинает синтез мРНК. Описанный сценарий позитивной регуляции реализуется лишь при условии, что lac операторы не взаимодействуют с lac-репрессор.
В случае отсутствия лактозы (когда соответствующие ферменты ее утилизации наверняка не нужны) гомодимера репрессор (независимо от возможного присутствия САР) связываются с обоими операторами (рис. 5.15, см.. Также рис. 3.22) и при этом взаимодействуют между собой: образуется тетрамерний комплекс, который удерживает петлю ДНК (рис. 5.15). Внутри петли находится промотор, и это абсолютно предотвращает связывание с ним РНК-полимеразы. Когда появляется лактоза, ее небольшое количество переходит в алолактозу, которая работает как индуктор lac-оперона: связывание алолактозы с репрессор индуцирует потерю его сродства к оператору. Вследствие разрушения петли РНК-полимераза связывается с промотором и оперон начинает работать.