原核生物の遺伝子発現調節について見ていきましょう。
今回はオペロン説のうち、ラクトースオペロンに注目します。

原核生物のもつラクトースオペロンは、どのような遺伝子発現調節を行うのでしょうか。
次の図を見てください。
これは、大腸菌のDNAです。

大腸菌のDNAが、図の上部に横に伸びた形で描かれています。
大腸菌DNAの一番右には、ラクトース分解酵素遺伝子がありますね。

大腸菌は主にグルコースを食べています。
大腸菌は、まわりにラクトースがあったとしても、グルコースがある環境ではグルコースを優先して摂取するのです。
そのため、大腸菌は通常、ラクトース分解酵素遺伝子の発現を停止しています。
どのように、ラクトース分解酵素遺伝子の発現を止めているのでしょうか？

DNAの転写を行う酵素は、RNAポリメラーゼでしたね。
また、RNAポリメラーゼがDNAに結合するための足場となるような領域がプロモーターです。
大腸菌DNAのラクトース分解酵素遺伝子が発現するためには、プロモーターへ結合したRNAポリメラーゼがラクトース分解酵素遺伝子へ移動する必要があるということです。

大腸菌はグルコースを摂取している間、RNAポリメラーゼがラクトース分解酵素遺伝子へ到達できないようにしています。
その仕組みについて見ていきましょう。

図では、大腸菌DNAの一番左に調節遺伝子がありますね。
調節遺伝子では、転写と翻訳によってリプレッサーというタンパク質が合成されています。
リプレッサーは、大腸菌DNAのオペレーターという領域に結合します。

リプレッサーがオペレーターに結合するとどうなるのでしょうか。
実は、RNAポリメラーゼがプロモーターへ結合するのを妨げるのです。
このため、ラクトース分解酵素遺伝子の発現が停止されます。

大腸菌は主にグルコースを食べていました。
しかし、大腸菌のまわりにグルコースがなくなると、大腸菌はラクトースを摂取するようになります。

大腸菌がラクトースを摂取する状況では、ラクトース分解酵素遺伝子が発現します。
普段は停止しているラクトース分解酵素遺伝子を、どのように発現させるのでしょうか？

大腸菌DNAでは、調節遺伝子からリプレッサーというタンパク質が合成されていましたね。
大腸菌が取り込んだラクトースはまず、リプレッサーと結合して複合体を作ります。

通常、リプレッサーはオペレーターへ結合し、RNAポリメラーゼがラクトース分解酵素遺伝子へ到達するのを妨げていました。
そのため、ラクトース分解酵素遺伝子は発現することができませんでしたね。
しかし、リプレッサーがラクトースと複合体を作ると、オペレーターへ結合できなくなるのです。

リプレッサーがラクトースと複合体を作ることで、プロモーターへ結合したRNAポリメラーゼはラクトース分解酵素遺伝子へ移動することができるようになります。
すると、ラクトース分解酵素遺伝子が発現し、ラクトース分解酵素が作られるのです。

ラクトース分解酵素が作られると、大腸菌が摂取したラクトースが分解されてグルコースを得ることができるようになります。
こうして大腸菌は、グルコースがない状況下でも生きることができるのです。

ラクトースオペロンは、普段は停止しているラクトース分解酵素遺伝子を、状況に応じて発現させているのですね。