Kawalan spesifik gen lac bergantung pada ketersediaan substrat laktosa kepada bakteria. Protein tidak dihasilkan oleh bakteria apabila laktosa tidak tersedia sebagai sumber karbon. Gen lac disusun menjadi operon; iaitu, ia berorientasikan ke arah yang sama serta-merta bersebelahan di kromosom, dan ditranskripsi bersama ke dalam molekul mRNA polisistron tunggal. Transkripsi semua gen bermula dengan pengikatan enzim RNA polimerase (RNAP), protein pengikat DNA yang mengikat tapak pengikatan DNA tertentu, promoter, yang terletak terus di perhuluan gen. Pengikatan RNA polimerase kepada promoter dibantu oleh protein pengaktif katabolit terikat cAMP (CAP, juga dikenali sebagai protein reseptor cAMP).[4] Walau bagaimanapun, gen lacI (gen kawal atur operon lac) menghasilkan protein yang menghalang RNAP daripada mengikat operator operon. Protein ini hanya boleh dikeluarkan apabila alolaktosa mengikatnya lalu menyahaktifkannya. Protein yang dibentuk oleh gen lacI dikenali sebagai penindas lac. Jenis kawal atur yang dilalui operon lac dirujuk sebagai cetusan negatif, bermakna gen dimatikan oleh faktor kawal atur (penindas lac) melainkan beberapa molekul (laktosa) ditambah. Sebaik sahaja penindas dikeluarkan, RNAP kemudian meneruskan untuk menyalin ketiga-tiga gen (lacZYA) ke dalam mRNA. Setiap tiga gen di untaian mRNA mempunyai jujukan Shine-Dalgarno sendiri, jadi setiap gen diterjemahkan secara bebas.[5] Urutan DNA operon E. coli lac, mRNA lacZYA dan gen lacI boleh didapati daripada GenBank (lihat) .

Mekanisme kawalan pertama ialah tindak balas kawal atur kepada laktosa, yang menggunakan protein kawal atur intrasel yang dipanggil penindas laktosa untuk menghalang pengeluaran β-galaktosidase dalam ketiadaan laktosa. Pengekodan gen lacI untuk penindas terletak berhampiran operon lac dan sentiasa diekspresikan. Jika laktosa tidak ada dalam medium pertumbuhan, penindas mengikat sangat ketat terhadap jujukan DNA pendek hanya di hilir promoter berhampiran permulaan lacZ yang dipanggil operator lac. Penindas yang mengikat terhadap operator mengganggu pengikatan RNAP kepada promoter, dan oleh itu pengekodan mRNA LacZ dan LacY hanya berlaku di tahap yang sangat rendah. Walau bagaimanapun, apabila sel tumbuh dengan kehadiran laktosa, metabolit laktosa yang dipanggil alolaktosa, diperbuat daripada laktosa oleh produk gen lacZ, mengikat terhadap penindas lalu menyebabkan anjakan alosterik. Melalui perubahan itu, penindas tidak dapat mengikat operator lagi, dan membenarkan RNAP menyalin gen lac, dan dengan itu, tahap protein yang dikodkan menjadi lebih tinggi.

Mekanisme kawalan kedua ialah tindak balas kepada glukosa, yang menggunakan homodimer protein pengaktif katabolit (CAP) untuk meningkatkan pengeluaran β-galaktosidase dengan ketiadaan glukosa. Adenosina monofosfat siklik (cAMP) ialah molekul isyarat dengan kepekatannya berkadar songsang dengan glukosa. Ia mengikat CAP, dan seterusnya membolehkan CAP mengikat ke tapak pengikatan CAP (jujukan DNA 16 bp di hulu promoter di sebelah kiri dalam rajah di bawah, kira-kira 60 bp di hulu tapak permulaan transkripsi),[6] yang membantu RNAP dalam mengikat DNA. Tanpa glukosa, kepekatan cAMP adalah tinggi, dan pengikatan CAP-cAMP kepada DNA dengan ketara meningkatkan pengeluaran β-galaktosidase, membolehkan sel menghidrolisis laktosa dan membebaskan galaktosa dan glukosa.

Baru-baru ini, ada dapatan bahawa pengecualian pencetus menyekat ekspresi lac operon apabila glukosa hadir. Glukosa diangkut ke dalam sel oleh sistem fosfotransferase bergantungan PEP. Kumpulan fosfat fosfoenolpiruvat dipindahkan melalui lata pemfosforilan yang terdiri daripada protein PTS umum (sistem fosfotransferase) HPr dan EIA dan protein PTS khusus glukosa, EIIAGlc dan EIIBGlc, domain sitoplasma bagi pengangkut glukosa, EII. Pengangkutan glukosa disertai dengan pemfosforilan oleh EIIBGlc, mengalirkan kumpulan fosfat daripada protein PTS lain termasuk EIIAGlc . Bentuk EIIAGlc yang tidak terfosforilasi mengikat terhadap permease lac dan menghalangnya daripada membawa laktosa ke dalam sel. Oleh itu, jika kedua-dua glukosa dan laktosa hadir, pengangkutan glukosa menyekat pengangkutan pencetus operon lac.[7]

LacI tetramer mengikat dua jujukan operator dan mendorong gelungan DNA. Dua subunit dimer berfungsi LacI (merah+biru dan hijau+oren) masing-masing mengikat jujukan operator DNA (berlabel). Kedua-dua subunit fungsian ini digandingkan di kawasan pentetrameran (berlabel); oleh itu, LacI tetramer mengikat dua jujukan operator. Ini membolehkan LacI tetramer untuk mencetuskan gelungan DNA.

Penindas lac ialah protein empat bahagian (tetramer) dengan subunit yang sama. Setiap subunit mengandungi motif heliks-pusing-heliks (HTH) yang mampu mengikat DNA. Tapak operator yang diikat penindas ialah urutan DNA dengan simetri berulang terbalik. Kedua-dua tapak separuh DNA operator bersama-sama mengikat dua daripada subunit penindas. Walaupun dua subunit penindas yang lain tidak melakukan apa-apa dalam model ini, sifat ini tidak difahami selama bertahun-tahun.

Akhirnya, ada dapatan bahawa dua pengendali tambahan terlibat dalam peraturan lac.[8] Satu (O3) terletak kira-kira −90 bp di hulu O1 di hujung gen lacI, dan satu lagi (O2) adalah kira-kira +410 bp di hilir O1 di bahagian awal lacZ. Kedua-dua tapak ini tidak ditemui dalam kerja awal kerana ia mempunyai fungsi berlebihan, dan mutasi individu tidak banyak mempengaruhi penindasan. Mutasi tunggal kepada sama ada O2 atau O3 hanya mempunyai kesan 2 hingga 3 kali ganda. Walau bagaimanapun, kepentingannya ditunjukkan oleh fakta bahawa mutan berganda yang merosakkan kedua-dua O2 dan O3 dinyahtindas secara ketara (kira-kira 70 kali ganda).

Dalam model semasa, penindas lac diikat serentak di kedua-dua operator utama O1 dan sama ada O2 atau O3. Gelungan DNA yang bercampuran keluar dari kompleks. Sifat berlebihan kedua-dua operator kecil menunjukkan bahawa ia bukan kompleks bergelung khusus yang penting. Satu idea ialah sistem berfungsi melalui penambatan; jika penindas terikat dilepaskan dari O1 seketika, pengikatan terhadap operator kecil menyimpannya di kawasan setempat supaya ia boleh mengikat semula dengan cepat. Ini akan meningkatkan pertalian penindas terhadap O1.

Mekanisme cetusan

Penindas ialah protein alosterik, iaitu ia boleh menganggap salah satu daripada dua bentuk yang sedikit berbeza yang berada dalam keseimbangan antara satu sama lain. Dalam satu bentuk, penindas akan mengikat DNA operator dengan kekhususan yang tinggi, dan dalam bentuk lain, ia telah kehilangan kekhususannya. Menurut model induksi klasik, pengikatan pencetus terhadap penindas, sama ada alolaktosa atau IPTG, mempengaruhi pengedaran penindas antara kedua-dua bentuk. Oleh itu, penindas dengan ikatan pencetus distabilkan dalam konformasi tak terikat DNA. Walau bagaimanapun, model ringkas ini tidak boleh menjadi gambaran keseluruhan, kerana penindas terikat dengan agak stabil kepada DNA, namun dikeluarkan dengan cepat dengan penambahan pencetus. Oleh itu, nampaknya jelas bahawa pencetus juga boleh mengikat terhadap penindas apabila sudah terikat dengan DNA. Ia masih tidak diketahui sepenuhnya apa mekanisme pengikatan yang tepat.[9]

Peranan pengikatan tidak khusus

Pengikatan tak khusus penindas terhadap DNA memainkan peranan penting dalam penindasan dan induksi operon lac. Tapak pengikat khusus protein penindas ialah operator. Interaksi tidak khusus dibantu terutamanya oleh interaksi cas-cas manakala pengikatan terhadap operator diperkukuh oleh interaksi hidrofobik. Di samping itu, terdapat banyak urutan DNA tidak khusus yang boleh diikat oleh penindas. Pada asasnya, sebarang jujukan bukan operator, dianggap tidak khusus. Kajian telah menunjukkan bahawa tanpa kehadiran pengikatan tak khusus, pencetusan (atau penyahtindasan) operon lac tidak boleh berlaku walaupun dengan pencetus dalam kepekatan tepu. Kajian menunjukkan bahawa, tanpa pengikatan tak khusus, tahap cetusan basal adalah sepuluh ribu kali lebih kecil daripada yang diperhatikan dalam keadaan normal. Ini kerana DNA tak khusus bertindak sebagai sejenis "sinki" buat protein penindas yang mengganggunya daripada operator. Urutan tidak khusus mengurangkan jumlah penindas yang tersedia dalam sel. Ini seterusnya mengurangkan jumlah pencetus yang diperlukan untuk membatalkan tekanan sistem.[10]

Analog laktosa

IPTG ONPG X-gal alolaktosa

Beberapa derivatif laktosa atau analog telah diterangkan berguna untuk bekerja dengan operon lac. Sebatian ini kebanyakannya digantikan dengan galaktosida, di mana bahagian glukosa laktosa digantikan oleh kumpulan kimia lain.

• Isopropil-β-D-tiogalaktopiranosida (IPTG) kerap digunakan sebagai pencetus operon dalam kerja fisiologi. IPTG mengikat kepada penindas dan menyahaktifkannya, tetapi bukan substrat untuk β-galaktosidase. Satu kelebihan IPTG dalam kajian in vivo ialah ia tidak boleh dimetabolismekan oleh E. coli. Kepekatannya kekal malar dan kadar ekspresi gen terkawal lac p/o tidak menjadi pemboleh ubah dalam eksperimen. Pengambilan IPTG bergantung kepada tindakan laktosa permease dalam P. fluorescens, tetapi tidak dalam E. coli.[11]
• Fenil-β-D-galaktosa (fenil-Gal) ialah substrat β-galaktosidase, tetapi tidak menyahaktifkan penindas serta bukan pencetus. Oleh kerana sel jenis liar menghasilkan β-galaktosidase yang begitu sedikit, ia tidak boleh tumbuh dengan fenil-Gal sebagai karbon dan sumber tenaga. Mutan tanpa penindas boleh tumbuh dengan fenil-Gal. Oleh itu, medium minimum yang mengandungi hanya fenil-Gal sebagai sumber karbon dan tenaga adalah selektif terhadap mutan penindas dan operator. Jika 108 sel daripada strain jenis liar disalut di plat agar yang mengandungi fenil-Gal, koloni yang tumbuh adalah terutamanya mutan spontan yang menjejaskan penindas. Taburan relatif mutan penindas dan pengendali dipengaruhi oleh saiz sasaran. Oleh kerana penindas pengekodan gen lacI adalah kira-kira 50 kali lebih besar daripada operator, mutan penindas mendominasi dalam pemilihan.
• Tiometil galaktosida (TMG) ialah satu lagi analog laktosa. Ini menghalang penindas lacI. Pada kepekatan pencetus yang rendah, kedua-dua TMG dan IPTG boleh memasuki sel melalui laktosa permease. Walau bagaimanapun, pada kepekatan pencetus tinggi, kedua-dua analog boleh memasuki sel secara bebas. TMG boleh mengurangkan kadar pertumbuhan pada kepekatan ekstraselular yang tinggi.[12]
• Sebatian lain berfungsi sebagai penunjuk berwarna aktiviti β-galaktosidase.
  • ONPG dibelah untuk menghasilkan sebatian kuning pekat, ortonitrofenol dan galaktosa, dan biasanya digunakan sebagai substrat ujian β-galaktosidase in vitro.[13]
  • Koloni yang menghasilkan β-galaktosidase bertukar menjadi biru oleh X-gal (5-bromo-4-kloro-3-indolil-β-D-galaktosida) yang merupakan substrat buatan B-galaktosidase, di mana pembelahannya menghasilkan galaktosa dan nila 4-Cl,3-Br, lalu menghasilkan warna biru tua.[14]
• Alolaktosa ialah isomer laktosa dan merupakan inducer lac operon. Laktosa ialah galaktosa-β(1→4)-glukosa, manakala alolaktosa ialah galaktosa-β(1→6)-glukosa. Laktosa ditukar kepada alolaktosa oleh β-galaktosidase dalam tindak balas alternatif berbanding hidrolisis. Eksperimen fisiologi yang menunjukkan peranan LacZ dalam penghasilan pencetus "sebenar" dalam sel E. coli ialah pemerhatian bahawa mutan nol lacZ masih boleh menghasilkan permease LacY apabila ditanam dengan IPTG, analog alolaktosa yang tidak boleh dihidrolisis, tetapi tidak apabila ditanam dengan laktosa. Penjelasannya ialah pemprosesan laktosa kepada alolaktosa (dimangkinkan oleh β-galaktosidase) diperlukan untuk menghasilkan pencetus di dalam sel.