Operon lac
Cấu trúc và chức năng của operon lac

Cũng giống như các operon khác, operon lac là một cụm gen có chức năng chung là mã hóa các protein tham gia vào con đường chuyển hóa lactose có chung cơ chế điều hòa phiên mã. Các gen cấu trúc của operon này là lacZ, lacY và lacA.
| Gene | Sản phẩm | Chức năng | Ghi chú |
| --- | --- | --- | --- |
| lacZ | β-galactosidase | Enzyme tham gia phân giải đường lactose (đường đôi) thành glucose và galactose (đường đơn) | Trong điều kiện môi trường có chất 5-bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-galactopyranoside (viết tắt X-gal), một dẫn xuất của lactose thì enzyme này sẽ phân giải thành chất X (gây ra màu xanh) và lactose. |
| lacY | β-galactoside permease | Protein kênh tham gia vận chuyển lactose từ môi trường vào tế bào |  |
| lacA | β-galactoside acetyltransferase | Enzyme tham gia vận chuyển nhóm acetyl từ acetyl coenzyme A (Acetyl CoA) sang phân tử beta-galactoside | Vai trò của gene này không quan trọng đối với quá trình dị hóa lactose. |
Do gen lacZ, lacY và lacA có chung trình tự khởi động phiên mã, trình tự điều hòa, trình tự kết thúc quá trình phiên mã, nên mRNA của operon lac có chứa cả ba khung đọc mở của ba gen đấy. Một số tài liệu cũ gọi là mRNA đa cistron (tức một phân tử mRNA nhưng mang thông tin dịch mã cho nhiều gen khác nhau) trong khi mRNA ở sinh vật nhân thực là đơn cistron (tức một phân tử mRNA chỉ mang thông tin dịch mã cho một gen duy nhất) dù ngày nay, ít người sử dụng thuật ngữ này do có nhiều tranh cãi xung quanh nó. Tuy thế, chúng lại có trình tự điều hòa quá trình dịch mã riêng biệt (vùng 5'UTR) và không phụ thuộc nhau. Vì vậy, lượng protein của mỗi gen là khác nhau tùy theo nhu cầu của môi trường.
Nằm phía trước các gen cấu trúc là các vùng điều hòa theo chiều từ 3' đến 5' là promoter (vùng khởi động) và operator (vùng vận hành). Promoter có chứa một số trình tự bảo thủ - bao gồm hộp Pribnow - Schaller (TATAAT) ở vị trí -10 hay trình tự đồng nhất TTGACA ở vị trí -35. Những vùng ấy có chức năng là điểm nhận biết để enzyme RNA polymerase II liên kết vào DNA và khởi động quá trình phiên mã operon lac. Trong vùng khởi động này còn có vị trí để protein CAP (một loại protein tham gia điều hòa hoạt động gen dạng dương tính) hay nói chính xác là phức hệ CAP-cAMP (AMP vòng) bám vào và làm tăng ái lực của RNA polymerase với promoter.
Operator là một trình tự tham gia điều hòa biểu hiện gen. Trong điều kiện không có lactose, protein ức chế sẽ liên kết vào vùng đầu 3' của operator và một phần vùng 5' của promoter, ngăn cản RNA polymerase trượt qua các gen cấu trúc lacZ, lacY và lacA. Do đó, operon bị khóa.
Ngoài ra, còn một gen không nằm trong vùng operon lac nhưng lại có vai trò rất quan trọng trong việc điều hòa hoạt động operon lac, đó là gen mã hóa protein ức chế lacI. lacI mã hóa protein ức chế (là một chất dị lập thể), trong điều kiện không có lactose, protein lacI sẽ bám vào operator và từ đó ức chế hoạt động của operon lac.
Chức năng chính của operon giúp vi khuẩn phân giải và sử dụng được đường lactose trong tình huống môi trường chỉ có lactose là nguồn cacbon duy nhất. Nếu môi trường có cả lactose và đường dễ phân giải hơn như glucose thì operon lac sẽ bị tắt do cơ chế điều hòa dương tính.