微生物学者たちは、大腸菌の野生株と変異株の糖代謝を調べている。 両菌株ともラクトース含有培地で生存コロニーを増殖させることがわかった。 その後、各株をグルコースのみを含む新しい増殖培地で培養した。 新しい培地から得られた各菌株の代表的コロニーを、β-ガラクトシダーゼに特異的な蛍光標識プローブを用いてウェスタンブロット処理する。 野生型細菌のコロニーは、微量のβ-ガラクトシダーゼしか含まないことがわかった。 しかし、変異型コロニーはかなりの量のβ-ガラクトシダーゼを発現している。 さらに分析を進めると、この変異株にはあるタンパク質の制御配列への結合を阻害する変異があることがわかった。 この変異は次のどの場所で起こった可能性が高いか？
A.
アクチベータータンパク質（CAP）結合部位
(19%)
B.
オペレーター遺伝子座
(43%)
C.
プロモーター領域
(27%)
D.
アクチベーター・プロテイン（CAP）遺伝子
(8%)
E.
RNAポリメラーゼシストロン
(1%)
正解
B
lacオペロンは、制御遺伝子（lac I）、プロモーター領域（lac p）、オペレーター領域（lac o）、および3つの構造遺伝子（lac Z、lac Y、lac A）から構成される。 lac Z遺伝子はβ-ガラクトシダーゼをコードし、ラクトースをグルコースとガラクトースに加水分解する。 lac Y遺伝子はパーミアーゼをコードし、ラクトースが菌体内に入るのを可能にする。 lac p領域は、転写開始時のRNAポリメラーゼの結合部位である。 Lac Iリプレッサー・タンパク質はlac I遺伝子の産物であり、構成的に発現する。 リプレッサー・タンパク質は、オペレーター領域に結合すると、RNAポリメラーゼのプロモーター領域への結合を阻害し、lac Z、lac Y、lac A遺伝子の転写を減少させる。 大腸菌をラクトース含有培地で培養すると、リプレッサー・タンパク質の構造変化が起こり、オペレーター領域への結合が妨げられ、lacオペロン構造遺伝子の転写が増加する。
グルコースを含む培地で大腸菌を培養すると、ラクトースを含む培地でもlacオペロンの発現が減少する。 これは、lacオペロンが、プロモーター領域のやや上流にある部位にカタボリック・アクティベーター・プロテイン（CAP）が結合することによって正の制御を受けているためである。 これはcAMP濃度が高い場合にのみ起こる。 グルコースはアデニルシクラーゼの活性を低下させる（細胞内cAMPを減少させる）ので、lacオペロンは高グルコース条件下で抑制される。 まとめると、lacオペロンは2つの異なるメカニズムによって制御されている：
オペレーター遺伝子座へのリプレッサー・タンパク質の結合による負の制御
プロモーター領域の上流におけるcAMP-CAPの結合による正の制御。
リプレッサー・タンパク質とオペレーター領域の結合部位との結合を阻害する変異は、ラクトース非存在下でのlacオペロンの遺伝子の抑制を妨げる。 この結果、ラクトース欠乏培地ではlacオペロンの遺伝子の転写が増加するが、グルコースが存在すると転写活性は最大にならない。
(選択肢AとD）cAMP-CAPが正の制御因子であるため、プロモーター上流の制御部位へのcAMP-CAPの結合を損なう変異は、lacオペロンの転写を減少させる。
(選択肢CとE）RNAポリメラーゼのプロモーター領域への結合を障害する突然変異も、lacオペロンの転写を低下させる。
教育目的
すなわち、オペレーター遺伝子座へのリプレッサー蛋白質の結合による負の制御と、プロモーター領域の上流へのcAMP-CAPの結合による正の制御である。 lacオペロンの構造遺伝子の恒常的発現は、リプレッサー蛋白質（Lac I）とオペレーター領域の制御配列との結合を障害する変異によって起こる。