Современная теория регуляции экспрессии генов у прокариот была предложена французскими исследователями Ф.Жакобом и Ж.Моно, которые исследовали биосинтез у E.сoli ферментов, метаболизирующих лактозу (β- галактозидазы, β-галактозидпермеазы и β-галактозидтрансацетилазы). Обнаружено, что при культивировании E.сoli на глюкозе содержание ферментов, метаболизирующих лактозу, минимально, но при замене глюкозы на лактозу происходит взрывоподобное усиление синтеза ферментов, разщепляющих лактозу на глюкозу и галактозу, и обеспечивают последующий метаболизм последних.

У бактерий существуют ферменты 3-х типов: а) конститутивные, которые присутствуют в клетках в постоянных количествах, независимо от их метаболического состояния; б) индуцибельные – их количество в клетках при обычных условиях незначительно, но может увеличиваться в сотни и тысячи раз, если в культуральную среду добавлять субстраты этих ферментов; в) репрессабельные – ферменты, синтез которых в клетке прекращается при добавлении в среду конечных продуктов тех метаболических путей, где функционируют эти ферменты. На основании этих фактов и была сформулирована теория оперона.

Оперон – это комплекс генетических элементов, отвечающих за координированный синтез ферментов, которые катализируют ряд последовательных реакций. В состав лактозного оперона E.сoli (Lac-оперон) входят: 1 структурные гены, которые кодируют первичную структуру ферментов, катализирующих последовательные реакции метаболизма лактозы 2. контрольные (регуляторные) сайты оперона, которые содержат промотор, оператор и терминатор. Промотор - это участок ДНК, с которым взаимодействует РНК-полимераза, а промотор Lac-оперона дополнительно содержит участок, с которым взаимодействует белок-активатор, контролирующий связывание РНК- полимеразы с промотором. Оператор - это участок ДНК, с которым специфически связывается белок-репрессор. Оператор непосредственно прилегает к структурным генам и связывание белка-репрессора с оператором противодействует считыванию РНК-полимеразой информации со структурных генов. Терминатор – это последовательность ДНК, которая распознается РНК- полмеразой как сигнал к прекращению транскрипции.Для функционирования оперона еще необходимо существование регуляторного гена, который экспрессирует регуляторный белок-репрессор. Этот ген структурно не связан с опероном и может находиться на значительном расстоянии от него.

1.Репрессия Lac- оперона. Синтез ферментов метаболиз- ма лактозы в клетках E.сoli заблокирован, поскольку связанный с оператором белок- репрессор противо- действует транскрип- ции генов этих ферментов. Среда содержит достаточ- ные количества глюкозы.

2.Индукция Lac- оперона. При снижении в среде уровня глюкозы и появлении лактозы гены, кодирующие ферменты обмена лактозы, разблокируются. Лактоза связывается с белком-репрессором и изменяет его конформацию. Репрессор теряет сродство к оператору и покидает его. Начинается транскрипцию генов метаболизма лактозы и синтез молекул этих ферментов. То есть лактоза выполняет функцию индуктора синтеза ферментов, которые катализируют ее собственный обмен.

3.Существует еще один вариант индукции Lac-оперона, благодаря существованию белка активатора катаболических генов. Этот белок после присоединения цАМФ стимулирует транскрипцию структурных генов, а уровень цАМФ возрастает в ответ на дефицит глюкозы.

Метаболический принцип регуляции активности оперона; сродство белка- репрессора к оператору контролируется метаболитами цепи реакций, ферменты которой кодируются этим опероном.

Различают индуцибельные опероны, активатор которых - исходный субстрат метаболического пути. При отсутствии субстрата белок-супрессор блокирует оператор и не дает РНК-полимеразе транскрибировать структурные гены. При появлении субстрата определенное его количество связывается с белком- репрессором, тот теряет сродство к оператору и покидает его. Это приводит к разблокированию транскрипции структурных генов. Репресабельные опероны – для них регулятором служит конечный метаболит. В его отсутствии белок- репрессор имеет низкое сродство к оператору и не мешает считыванию структурных генов (ген включен). При накоплении конечного метаболита, определенное его количество связывается с белком-репрессором, который приобретает повышенное сродство к оператору и блокирует транскрипцию генов.