ラクトースオペロン
そこで、通常よりもIPTGに強く結合する変異 lacI を持つ大腸菌を使用した。
DNAと結合したlac リプレッサーLacIをニトロセルロースフィルター結合法で検出できる。このことを利用し、ギルバートの方法で精製したlac リプレッサーを濃度ごとに分けて、メルビン・コーンは人工の誘導因子であるIPTGがあるかないかで結合する割合を調べた。この結果は誘導因子がオペレーターへの接近を阻害することを示す。コーンらは別の実験で、構成性変異オペレーター(lacO)を含むDNAは、同程度結合されるために野生型のそれよりも高濃度を要求することも明らかにした。このことから、ジャコブとモノーがオペレーターとして定義したDNA領域はリプレッサーに結合されることを確かめられる。
オペレーターの占有がなぜ負の制御につながるかは諸説あるが、少なくとも転写を実行する酵素 RNAポリメラーゼ RNA polymerase を妨害すると考えられている。RNAポリメラーゼは転写を開始するためにプロモーターへ結合する必要があるが、それはちょうどオペレーターの隣だ。負の制御の解明は紆余曲折を経てきた。当初、lac リプレッサーはプロモーターに近づけさせない障害物だと考えられた。しかし、1971年にIra Pastanはlac リプレッサー存在下でも強固な結合は起きることを明らかにした。2つはDNAに同時に結合できることも、1987年にSusan StraneyとDonald Crothersらにより確認された。
不足時にこの酵素はホスホエノールピルビン酸由来のリン酸基を 転移させる。受け取ったアデニル酸シクラーゼはアデノシン三リン酸をcAMPに変換し、CAPと複合体を成すようその細胞内濃度を高める。真核生物ではこれと似たシグナル伝達機構のアデニル酸シクラーゼシグナル伝達経路を持つ。そこではcAMPなどがセカンドメッセンジャーとして活躍する。
CAP-cAMP複合体が正の制御を行うことを証明したのはアイラ・パスタンだった。複合体の解離定数を1~2×10 Mと測定したが、この実験でcAMPへの結合が約10分の1であるCAP変異体を単離した。この変異体細胞にcAMPを与えた結果では、βガラクトシダーゼの産生が野生型に比べ、明らかに劣っている。しかし、この変異体の抽出物に野生型CAPを添加してところ、約3倍促進されたため正の制御機能は断定された。
CAPおよびcAMPが働くオペロンでは一般にプロモーターは非常に弱い。-35ボックスは共通配列に似ていなく、ほとんどは共通配列として認識できない。これは活性化因子の役割を維持するためで、もし強いプロモーターがあるなら十分なグルコース存在下でも無意味な転写を引き起こすだろう。そのような変異体は実際にあり(例えばラクトースUV5プロモーター)、負の制御を無視する。
正の制御 positive control とは、遺伝子の発現を促進する機構である。ラクトースオペロンはラクトースの濃度により調節されるので、正の制御はラクトースの存在を示す物質に委ねられねばならない。このような物質を誘導物質(インデューサー inducer)というが、その一つはラクトースの異性体である。負の制御を担うlac リプレッサーはラクトースの存在により不活性化する。代表的なもう一つの例はcAMPで、ラクトース代謝産物であるグルコースの濃度に反比例して増加する。前者は#アロステリック抑制の項で、後者は#誘引の項で紹介する。