אופרון הלקטוז

אופרון הלקטוז (באנגלית: Lac Operon), הוא אופרון הדרוש לפירוק ושינוע של הסוכר לקטוז בחיידק E.coli וביצורים פרוקריוטים נוספים. האופרון מכיל שלושה גנים מבניים המקודדים לחלבונים שונים, וכן קדם (פרומוטר), אתר מפעיל (אופרטור) וטרמינטור. פעילות האופרון מתאפשרת על ידי נוכחות או העדר של הסוכרים גלוקוז ולקטוז בתא.
אופרון זה הוא מנגנון הבקרה הגנטי הראשון שפוענח ביצורים פרוקריוטים ולכן משמש כמודל ללימוד בקרת גנים. פעולת אופרון זה נתגלתה ונחקרה לראשונה על ידי צמד הביולוגים ז'אק מונו ופרנסואה ז'קוב, אשר זכו בשל כך בפרס נובל לפיזיולוגיה ורפואה בשנת 1965.

בקרה באמצעות ה-lac repressor

האופרון אינו מתורגם לחלבון כל העת מכיוון שזהו תהליך הדורש אנרגיה ומשאבים מן החיידק. תרגום האופרון תלוי בזמינות הלקטוז ובהיעדר גלוקוז — כאשר החיידק מצוי בסביבה ענייה בלקטוז או סביבה המכילה גם גלוקוז, הגנים אינם באים לידי ביטוי והחיידק מנצל מקורות אנרגיה חלופיים, ואילו כאשר החיידק מצוי בסביבה עשירה בלקטוז, החלבונים מיוצרים והחיידק מפרק את הלקטוז כמפורט לעיל.
לצורך הבקרה על תעתוק האופרון נעשה שימוש בחלבון בקרה הנקרא דכאן (repressor) lac. הגן המקודד לחלבון זה הוא lacl, הנמצא בסמוך לאופרון על רצף ה-DNA, והוא תמיד מתורגם לחלבון, כך שתא החיידק תמיד מכיל דכאן זה. כאשר זמינות הלקטוז יורדת ובתא החיידק אין לקטוז, הדכאן נקשר אל האתר המפעיל של האופרון, בצורה שהוא מפריע לקשירה של RNA פולימראז אל הקדם. עקב כך הגנים lacZYA משועתקים לmRNA ולחלבון ברמות נמוכות ביותר.
כאשר החיידק נמצא בסביבת לקטוז, הלקטוז מפורק על ידי מעט החלבונים שמתורגמים באופן תמידי, וכתוצר לוואי מיוצר אלולקטוז, אשר הוא מתפקד כמשרן (inducer) ונקשר לאתר אלוסטרי בדכאן. כתוצאה מכך משנה הדכאן את צורתו והוא אינו מסוגל עוד להיקשר אל האתר המפעיל. בשלב זה יכול RNA פולימראז להיקשר לקדם (פרומוטור) ולשעתק את הגנים שבאופרון. הגנים עוברים תרגום ונוצרות כמויות גדולות של החלבונים הדרושים לפירוק ושינוע הלקטוז.

סיווג מוטציות בגורמי הבקרה

הפריצה הגדולה אותה הביאו ז'קוב ומונו היא ההבחנה בין הגורמים המבקרים את הגן לבין האזורים עליהם הם פועלים על מנת לשנות את ביטוי הגן. הבחנה זו מהווה את הבסיס לסדרת הניסויים שערכו השניים במטרה להבין את מנגנוני הבקרה של האופרון. 
כדי לבצע את מחקרם יצרו השניים תא דיפלואידי לגני ה-lac ואזורי הבקרה (קדם, אתר מפעיל), כשלשאר התכונות נשאר התא  הפלואידי. התרבית המכילה חיידק דיפלואידי לגני lac והפלואידי לשאר התכונות נבדקה במצבים שונים תוך התבוננות בפנוטיפ. בכל ניסוי נבדק הביטוי לגנים lacZ ו lacY בהיעדר IPTG (אנלוג של לקטוז המדמה את פעולתו). סוג זה של ניסוי, בו נבדקת פעולת זוגות גנים, נקרא ניסוי השלמה (קומפלמנטציה).
הניסוי מתואר בתרשים, כאשר הגן lacA אינו נכלל בו מטעמי נוחות ומכיוון שהוא איננו משפיע על המטבוליזם של לקטוז. בשלבי הניסוי הרלוונטיים מופיע הגן בצורה דיפלואיטית. חלק a מציג את מצב הדיכוי ללא מוטציות וללא לקטוז, b מציג מצב בו הדכאן מנוטרל בשל נוכחות IPTG (אנלוג ללקטוז), בחלקים c ו-d מוצגים שני מקרים של מוטציות המונעים מהדכאן לדכא את הביטוי, באחד מדובר במוטציה בגן עצמו ובשני מוטציה באתר המפעיל. בחלק e נראה מבחן השלמה לגן lacl המקודד לדכאן. ניתן לראות שגם כאשר ישנה מוטציה באחד מהעותקים של lacl, לא משועתקים הגנים Z ו-Y. כלומר, ישנה השלמה בעזרת הגן התקין. ההסבר ליכולת ההשלמה הוא שהדכאן הוא חלבון קטן יחסית כך שהוא נייד בתא. החלבונים מהעותק התקין מסוגלים להגיע ולהקשר גם אל האתר המפעיל המרוחק יותר ולמנוע את ביטוי הגנים. פעולה זו של רכיב מרוחק מכונת לעיתים פעולה בטרנס (trans).
בחלק f בוצע ניסוי דומה רק שהפעם נבדקה מוטציה באתר המפעיל, מוטציה זו יוצרת אתר מפעיל קונסטיטוטיבי (OC) הגורם לביטוי הגן בלי קשר למצב הדכאן. ניתן לראות שעל אף שהדכאן תקין הוא אינו יכול למנוע את ביטוי הגנים lacZ ו-lacY. ניתן לראות גם כי מוטציה זו השפיעה רק בגדיל ה-DNA בו היא התרחשה ובגדיל השני הבקרה תקינה ואין ביטוי לגנים אלו. מכאן ניתן להסיק כי האתר המפעיל משפיע על הגדיל בו הוא נמצא ופועל בצורה דומיננטית.
ניסוי מורכב יותר מתואר בחלק g. בניסוי זה ישנה מוטציה באחד הגדילים בגן lacZ ובגדיל השני ישנה מוטציה בגן lacY. באופן זה ניתן להסיק מנוכחות החלבון מאיזה גדיל הוא נוצר, משום שישנה אפשרות אחת בלבד. בגדיל המסוגל ליצור רק lacZ ישנה בנוסף מוטציה באתר המפעיל כמו בניסוי הקודם כך שגם בנוכחות דכאן יש ביטוי לחלבון. בצורה זו ניתן לראות בוודאות כי המוטציה באתר המפעיל פועלת רק בגדיל בו היא מתרחשת כלומר היא מוטציה דומיננטית הפועלת ב-cis.
לכאורה נראה כאילו הניסוי תוכנן לאחר הבנת המנגנון, בפועל ז'קוב ומונו הניחו כי ישנו אתר ב-DNA בעל התכונות של האתר המפעיל ותכננו את ניסוי ההשלמה כדי להוכיח זאת.