אופרון הלקטוז
בקרה באמצעות cyclic AMP

בסדרת הניסויים לחקר האופרון השתמשו מונו וז'קוב בחיידק המעבדה הנפוץ E.coli, אך רבים ממנגנוני בקרת הגנים אותם גילו נכונים גם לאורגניזמים נוספים. הקונספט הראשי המנחה את בקרת הגנים הוא שחלבונים אינם מיוצרים כאשר הם אינם דרושים. כלומר, החיידק שומר על משאבי התא ועל האנרגיה בכך שהוא אינו יוצר את שלושת חלבוני ה־lac כאשר אין צורך בפירוק לקטוז, למשל כאשר סוכרים אחרים זמינים לשימוש (כמו גלוקוז). חלק זה עוסק באופן בו החיידק E.coli מבקר גנים מסוימים כתגובה לצרכים מטבוליים.
במהלך מלחמת העולם השנייה, חקר מונו את השפעות השילוב בין סוכרים שונים כמקורות מזון לחיידק E.coli. הוא גילה כי גידול במספר חיידקים הנמצאים במצע המכיל שני סוכרים מתבצע ברוב המקרים בשני שלבים. לדוגמה, כאשר גלוקוז ולקטוז סופקו לחיידקים, הגלוקוז נוצל ראשון (שלב I בגרף) ורק לאחר מכן נוצל הלקטוז (שלב II בגרף).
פירוק הלקטוז, אפוא, אינו מתבצע בשלב הראשון של הגידול מכיוון ש־β-galactosidase אינו מיוצר כאשר גם גלוקוז וגם לקטוז נמצאים במצע הגידול. מכאן שישנו מנגנון בקרה נוסף מלבד העדר לקטוז בתא.
ההסבר לכך דורש אפיון של מנגנונים נוספים המשפיעים על ביטוי גני ה־lac שאינם נכללים במודל הקלאסי שתואר לעיל. שני גנים נוספים, cya ו־crp, שמופו באזור רחוק יחסית מ־lac הם הגורמים לבקרה הנוספת. כאשר בגנים אלה אירעה מוטציה, נצפו רמות ביטוי נמוכות של גני lac גם בנוכחות קבועה של אנלוג של לקטוז (IPTG) המחקה את פעולתו וגם בזני חיידקים בהם הייתה מוטציה בדכאן. עם גילוי ה־cAMP באוקריוטים בשנת 1957 ועשור מאוחר יותר ב־E.coli, התברר שכאשר מוסף ה־cyclic AMP למצע בקטריות בעלות מוטציות בגנים אלו הן שבות לפעילות מלאה.
הגן cya מקודד ל־adenylate cyclase, ממנו נוצר cAMP. כאשר מתרחשת מוטציה הפוגעת בגן cya המחסור ב־cAMP גורם לביטוי נמוך עד פי 10 של הגנים lacZYA. הוספה של cAMP מתקנת את בעיית הביטוי הנמוך האופיינית למוטנטים לגן cya. הגן השני, crp, מקודד לחלבון הנקרא catabolite activator protein או בקיצור (CAP), כינוי נוסף לחלבון הוא cAMP receptor protein – CRP. כאשר ה־cAMP זמין (אין גלוקוז) הוא נקשר אל cap באתר אלוסטרי המביא לשינוי קונפורמציה והגדלת הזיקה (אפיניות) לקשירת cap אל ה־DNA. יחדיו הם יוצרים פיתול ב־DNA מעט לפני הקדם דבר שמסייע ל־RNA פולימראז להיקשר אליו ומגביר בצורה משמעותית את ביטוי הגנים lacZYA. בנוכחות גלוקוז יצירת cAMP מעוכבת, כך שלא ניתן ליצור את הקומפלקס cap-cAMP המגביר ביטוי הגנים. זהו למעשה הבסיס למנגנון בקרה זה – רמות גלוקוז גבוהות מביאות לביטוי נמוך לגנים המפרקים לקטוז, וזאת מכיוון שניתן לפרק את הגלוקוז הזמין.
הבקרה הכפולה גורמת לביטוי נמוך של הגנים מפרקי הלקטוז בנוכחות גלוקוז ולקטוז בתא (רמת הביטוי הנמוכה מכונה leakage), אך כאשר יש רמות גבוהות של cAMP (מחסור בגלוקוז) ונוכחות של לקטוז (המונע קשירת הדכאן) רמות הביטוי של הגנים גבוהות. הביטוי הנמוך מסייע בפירוק מעט לקטוז לאחר שמלאי הגלוקוז אזל ולפני שביטוי הגנים נכנס לפעולה מלאה.
נקודות מרכזיות:
כאשר לקטוז אינו נמצא יש רמות ביטוי נמוכות מאוד של הגנים (הדכאן קשור לאתר המפעיל ואינו מאפשר תעתוק).
כאשר לקטוז נמצא בנוסף למקור אנרגיה מועדף (כמו גלוקוז), ביטוי הגנים יהיה נמוך באופן יחסי (הדכאן לא קשור לאתר המפעיל אך אין cAMP).
כאשר לקטוז הוא מקור האנרגיה המועדף (כאשר אין גלוקוז) הקומפלקס cap-cAMP נוצר וגורם לביטוי מקסימלי של הגנים (הדכאן אינו קשור לאתר המפעיל ויש ייצור של cAMP).
העיכוב בין שני שלבי הגדילה נובע מהזמן הדרוש על מנת ליצור כמות מספקת של אנזימים הדרושים לניצול הלקטוז. ראשית נקשר הקומפלקס cap־cAMP אל הקדם ומביא לעלייה משמעותית ביצירת mRNA של גני lac, לאחר מכן מתורגם ה־mRNA בעזרת הריבוזום. תוצרי התרגום הם האנזים β-galactosidase המפרק את הלקטוז והחלבון לקטוז permease המסייע בהכנסתו אל התא. לאחר ייצור רכיבים אלו ברמה מספקת מסוגל החיידק לבצע מטבוליזם של לקטוז, בשלב זה הוא נכנס לשלב גדילה מהיר נוסף (שלב II בגרף).
האופן בו משפיע גלוקוז על ייצור cAMP אינו מובן באופן מוחלט. נראה כי קצב הכניסה של גלוקוז אל התא הוא שמשפיע על האנזים adenylate cyclase (המייצר cAMP) ולא רמת הגלוקוז בתא. תופעה שנייה הנגרמת כתוצאה מכניסת גלוקוז אל התא היא הפסקת פעילותו של החלבון לקטוז permease המוביל לקטוז אל התא. שאלה נוספת העולה ממנגנון בקרה זה היא, מדוע החיידק אינו מנצל באופן תמידי את הלקטוז שהרי הוא דו־סוכר המורכב מגלוקוז וגלקטוז כאשר אין העדפה אנרגטית ברורה לטובת פירוק הגלוקוז. אין תשובה מוחלטת לשאלה זו ולכן נותר רק לשער כי החיידק E.coli, כמו מרבית חיידקי המעיים, מפרקים גלוקוז כמקור אנרגיה מועדף, ככל הנראה מכיוון שזהו הסוכר הנפוץ בסביבה בה הם חיים. במהלך האבולוציה השתרשה תכונה זו של החיידק בצורת מנגנוני הבקרה שפורטו. אפשרות נוספת היא הבדלים אנרגטיים מזעריים הגורמים לכך שכדאיות הפירוק של גלוקוז תהיה גדולה יותר לחיידק מאשר לקטוז.