Laktozni operon (lac operon) je operon potreban za transport i metabolizam laktoze u E. coli i mnogim drugim crijevnim bakterijama. Iako je glukoza preferirani izvor ugljika za većinu bakterija, lac operon omogućava efikasnu probavu laktoze kada glukoza nije dostupna putem aktivnosti beta-galaktozidaze. Genska regulacija lac operona bio je prvi genetički regulatorni mehanizam koji je jasno shvaćen, tako da je postao najistaknutiji primjer prokariotske regulacije gena. Iz tog razloga se često raspravlja u uvodnim časovima molekulske i ćelijske biologije. Ovaj sistem metabolizma laktoze koristili su François Jacob i Jacques Monod da odrede kako biološka ćelija zna koji enzim da sintetizira. Njihov rad na lac operonu donio im je Nobelovu nagradu za fiziologiju 1965. godine.
Bakterijski operoni su policistronski transkripti koji su u stanju da proizvedu više proteina iz jednog iRNK transkripta. U ovom slučaju, kada je laktoza potrebna kao izvor šećera za bakteriju, tri gena lac operona mogu biti eksprimirana i njihovi kasniji proteini prevedeni: lacZ, lacY i lacA. Genski proizvod lacZ je β-galaktozidaza koja cijepa disaharid laktozu, na glukozu i galaktozu. lacY kodira beta-galaktozidnu permeazu, membranski protein koji se ugrađuje u citoplazmatsku membranu, kako bi omogućio ćelijski transport laktoze u ćeliju. Konačno, lacA kodira galaktozid- acetiltransferazu. Izgled lac operona thumb|280px|"lac" operon. Gore: Potisnuto, Dolje: Aktivno. 1: RNK-polimeraza, 2: Represor, 3: Promotor, 4: Operator, 5: Laktoza, 6: lacZ , 7: lacY, 8: lacA.
Bilo bi rasipno proizvoditi enzime kada laktoza nije dostupna ili kada bi bio dostupan poželjan izvor energije kao što je glukoza. "lac" operon koristi dvodijelni kontrolni mehanizam kako bi osigurao da ćelija troši energiju na proizvodnju enzima koje kodira lac operon samo kada je to potrebno. U nedostatku laktoze, lac represor, lacI, zaustavlja proizvodnju enzima kodiranih lac operonom. Lac represor je uvijek eksprimiran, osim ako se koinduktor ne veže za njega. Drugim riječima, transkribuje se samo u prisustvu malih koinduktorskih molekula. U prisustvu glukoze, proteina aktivatora katabolita (CAP), potreban za proizvodnju enzima, ostaje neaktivan, a EIIAGlc isključuje permeazu laktoze, kako bi se spriječio transport laktoze u ćeliju. Ovaj dvostruki mehanizam kontrole uzrokuje sekvencno korištenje glukoze i laktoze u dvije različite faze rasta, poznate kao diauxie.
Struktura thumb|300px| Struktura laktoze i proizvodi njenog cijepanja
Operon lac sastoji se od 3 strukturna gena i promotora, terminatora, regulatora i operatora. Tri strukturna gena su: lacZ, lacY i lacA. lacZ kodira β-galaktozidazu (LacZ), unutarćelijski enzim koji cijepa disaharid laktozu u glukozu i galaktozu. lacY kodira beta-galaktozidnu permeazu (LacY), transmembranski simporter koji pumpa β-galaktozide, uključujući laktozu u ćeliju koristeći protonski gradijent u istom smjeru. Permeaza povećava permeabilnost ćelije za β-galaktozide. lacA kodira β-galaktozid transacetilazu (LacA), enzim koji prenosi acetil grupu sa acetil-CoA na tiogalaktozid.
Čini se da su samo "lacZ" i "lacY" neophodni za laktozni katabolički put.
Genetička nomenklatura
Skraćenice od tri slova koriste se za opisivanje fenotipova u bakterijama uključujući E. coli.
Primjeri uključuju: Lac (sposobnost upotrebe laktoze), His (sposobnost sintetiziranja aminokiseline histidina) Mot (pokretljivost plivanja) SmR (otpornost na antibiotik streptomicin)
U slučaju Lac, ćelije divljeg tipa su Lac+ i mogu koristiti laktozu za ugljik i izvor energije, dok mutantni derivati Lac– ne mogu koristiti laktozu. Ista tri slova se obično koriste (mala slova, kurziv) za označavanje gena uključenih u određeni fenotip, pri čemu se svaki gen dodatno razlikuje dodatnim slovom. "lac" geni koji kodiraju enzime su "lacZ", "lacY" i "lacA". Četvrti "lac" gen je "lacI", koji kodira laktozni represor – "I" označava "inducibilnost".
Može se napraviti razlika između "strukturnih" gena koji kodiraju enzime i regulatornih gena koji kodiraju proteine koji utiču na ekspresiju gena. Sadašnja upotreba proširuje fenotipsku nomenklaturu kako bi se primijenila na proteine: tako je LacZ proteinski proizvod "lacZ" gena, β-galaktozidaze. Različite kratke sekvence koje nisu geni također utiču na ekspresiju gena, uključujući "lac" promotor, "lac p" i "lac" operator, "lac o". Iako to nije striktno standardna upotreba, mutacije koje utiču na lac o nazivaju se lac oc, iz historijskih razloga.
Regulacija Specifična kontrola "lac" gena zavisi od dostupnosti supstrata laktoze za bakteriju. Bakterija ne proizvodi proteine kada laktoza nije dostupna kao izvor ugljika. "lac" geni su organizovani u operon; to jest, oni su orijentirani u istom pravcu neposredno pored hromosoma i kotranskribovani su u jednu policistronsku molekulu iRNK. Transkripcija svih gena počinje vezivanjem enzima RNK-polimeraza (RNAP), DNK-vezujući protein, koji se vezuje za specifično mjesto vezivanja DNK, promotora, odmah uzvodno od gena. Vezivanje RNK-polimeraze za promotor potpomaže cAMP vezan protein aktivatora katabolita (CAP, također poznat kao protein cAMP receptora). Međutim, "lacI" gen (regulatorni gen za "lac" operon) proizvodi protein koji blokira RNAP od vezivanja za operonskog operatora. Ovaj protein se može ukloniti samo kada se alolaktoza veže za njega i inaktivira ga. Protein koji formira "lacI" gen poznat je kao lac represor. Tip regulacije kojoj operon lac prolazi naziva se negativno inducibilnom, što znači da je gen isključen regulatornim faktorom (lac represor) osim ako se ne doda neka molekula (laktoza). Zbog prisustva proteina represora lac, genetički inženjeri koji zamjene lacZ gen drugim genom morat će uzgajati eksperimentalne bakterije na agaru s dostupnom laktozom. Ako to ne urade, gen koji pokušavaju da eksprimiraju neće biti eksprimiran jer proteinski represor još uvijek blokira RNAP da se veže za promotor i transkribira gen. Kada se represor ukloni, RNAP zatim nastavlja sa transkripcijom sva tri gena (lacZYA) u iRNK. Svaki od tri gena na lancu iRNK ima svoju Shine-Dalgarnovu sekvencu, tako da se geni nezavisno prevode. DNK sekvenca E. coli lac operona, lacZYA iRNK i lacI geni su dostupni od GenBank (view).
Prvi kontrolni mehanizam je regulatorni odgovor na laktozu, koji koristi unutarćelijski regulatorni protein zvani laktozni represor da ometa proizvodnju β-galaktozidaze u odsustvu laktoze. "lacI" gen koji kodira represor nalazi se u blizini "lac" operona i uvijek je eksprimiran ("konstitutivan"). Ako laktoza nedostaje u mediju za rast, represor se vrlo čvrsto vezuje za kratku sekvencu DNK, odmah nizvodno od promotora blizu početka "lacZ" koji se naziva "lac operator". Vezivanje represora za operatora ometa vezivanje RNAP-a za promotor, i stoga se iRNK koja kodira LacZ i LacY stvara samo na vrlo niskim nivoima. Međutim, kada se ćelije uzgajaju u prisutnosti laktoze, laktozni metabolit zvani alolaktoza, napravljen od laktoze produktom "lacZ" gena, veže se za represor, uzrokujući alosterni pomak. Tako izmijenjen, represor nije u stanju da se veže za operatera, dozvoljavajući RNAP-u da transkribira "lac" gene i na taj način dovodi do viših nivoa kodiranih proteina.
Drugi kontrolni mehanizam je odgovor na glukozu, koji koristi protein aktivatora katabolita (CAP), homodimer za značajno povećanje proizvodnje β-galaktozidaze u odsustvu glukoze. Ciklični adenozin monofosfat (cAMP) je signalna molekula čija je prevalencija obrnuto proporcionalna onoj glukoze. Veže se za CAP, što zauzvrat omogućava CAP-u da se veže za mjesto vezivanja CAP (sekvenca DNK od 16 bp uzvodno od promotora na donjem dijagramu, oko 60 bp uzvodno od mjesta početka transkripcije), koji pomaže RNAP-u u vezivanju za DNK. U nedostatku glukoze, koncentracija cAMP-a je visoka i vezivanje CAP-cAMP za DNK značajno povećava proizvodnju β-galaktozidaze, omogućavajući ćeliji da hidrolizira laktozu i oslobađa galaktozu i glukozu.
Nedavno je pokazano da isključenje induktora blokira ekspresiju "lac" operona kada je prisutna glukoza. Glukoza se transportuje u ćeliju pomoću PEP-ovisnog fosfotransferaznog sistema. Fosfatna grupa fosfoenolpiruvat prenosi se putem fosforilacijske kaskade koja se sastoji od općeg PTS (fosfotransferazni sistem) proteina HPr i EIA i PTS-proteina specifičnih za glukozu EIIAGlc sup>Glc</sup>, citoplazmatski domen EII transportera glukoze. Transport glukoze je praćen njenom fosforilacijom pomoću EIIBGlc, drenirajući fosfatnu grupu iz drugih PTS proteina, uključujući EIIAGlc. Nefosforilirani oblik EIIAGlc se vezuje za lac permeazu i sprečava je da unese laktozu u ćeliju. Stoga, ako su prisutni i glukoza i laktoza, transport glukoze blokira transport induktora "lac" operona.
Struktura represora thumb|right|300px|Tetramerni LacI vezuje dvije operatorske sekvence i inducira DNK petlju. Dvije dimerne LacI funkcionalne podjedinice (crvena+plava i zelena+narandžasta) svaka vezuje sekvencu DNK operatora (označena). Ove dvije funkcionalne podjedinice su spregnute na području tetramerizacije (označene); tako, tetramerni LacI vezuje dve sekvence operatora. Ovo omogućava tetramernom LacI da indukuje DNK petlju. lac repressor je četverodijelni protein, tetramer, sa identičnim podjedinicama. Svaka podjedinica sadrži motiv heliks-petlja-heliks (HTH) sposoban da se veže za DNK. Operatorsko mjesto gdje se represor vezuje je DNK sekvenca sa invertiranom simetrijom ponavljanja. Dva polumjesta DNK operatora zajedno se vezuju za dvije podjedinice represora. Iako druge dvije podjedinice represora ne rade ništa u ovom modelu, ovo svojstvo nije shvaćeno dugi niz godina.
Na kraju je otkriveno da su u lac regulaciju uključena još dva operatera. Jedan (O3) leži oko -90 bp uzvodno od O1 na kraju lacI gena, a drugi (O<sub>2< /sub>) je oko +410 bp nizvodno od O1 u ranom dijelu lacZ. Ova dva mjesta nisu pronađena u ranim radovima jer imaju redundantne funkcije i pojedinačne mutacije ne utiču mnogo na potiskivanje. Pojedinačne mutacije na O2 ili O3 imaju samo 2 do 3 puta efekta. Međutim, njihov značaj pokazuje činjenica da je dvostruki mutant defektan u O2 i O3 dramatično derepresiran (oko 70 puta).
U sadašnjem modelu, lac represor je vezan istovremeno za glavni operator O1 i za O2 ili O3. Intervenirajuća DNK izlazi iz kompleksa. Redundantna priroda dva manja operatora sugerira da nije važan specifičan kompleks petlje. Jedna ideja je da sistem radi preko povezivanja; ako se vezani represor otpusti iz O1 trenutno, vezivanje za manjeg operatora ga zadržava u blizini, tako da se može brzo ponovo povezati. Ovo bi povećalo afinitet represora za O1.
Mehanizam indukcije thumb|300px|'''1: RNK-polimeraza, 2: Represor, 3: Promotor, 4: Operator, 5: Laktoza, 6: lacZ, 7: lacY, 8: lacA. Gore: Gen je u suštini isključen. Ne postoji alolaktoza koja bi inhibirala lac represor, tako da se represor čvrsto vezuje za operatora, što sprečava RNK-polimerazu da se veže za promotor, što rezultira bez laczya transkripata iRNK. Dolje: Gen je uključen. Alolaktoza inhibira represor, dozvoljavajući RNK-polimerazi da se veže za promotor i eksprimira gene, što rezultira proizvodnjom LacZYA. Na kraju, enzimi će razložiti svu laktozu, sve dok ne postoji alolaktoza koja se može vezati za represor. Represor će se tada vezati za operatora, zaustavljajući transkripciju LacZYA gena.