1.
在1960年代早期，法國生物學家雅各Francois Jacob和莫諾Jacques
Monod 提出一個很有力的模型，解釋細菌細胞控制基因表現的機制，這個模型基於他們對於大腸桿菌E. coli合成酵素的研究。
Richard Strauss Death and Transfiguration
2.
雅各和莫諾主要研究的酵素是半乳醣苷酶 β-galactosidase，「半乳醣苷酶」與其他酵素一起作用，能夠催化雙醣「乳醣」分解成單醣「葡萄醣和半乳醣」。
3.
雅各和莫諾發現當介質中有乳醣，「半乳醣苷酶」與其他相關酵素就會被製造出來。換句話說，「乳醣」的作用就像誘導物inducer，將生產酵素的基因開啟，以便於生產出能夠降解「乳醣」的酵素。
4.
雅各和莫諾找到與生產「半乳醣苷酶β-galactosidase」有關的四個「基因」，與另外二種與乳醣代謝有關的「酵素」。
5.
與生產「半乳醣苷酶」有關的四個基因，其中三個是結構基因structural
genes，每一個結構基因描繪出一種酵素的胺基酸序列。第四個基因是調節基因regulator gene，它間接控制結構基因的活性。
6.
雅各和莫諾指出，「調節基因」的位置靠近「結構基因」，「調節基因」的密碼提供合成抑制蛋白repressor
protein的資訊，抑制蛋白能夠抑制結構基因的轉錄。
7.
雅各和莫諾接著發現，這些酵素的「結構基因」之前，還有一個特殊的DNA區域，功能就像電源開關一樣，決定結構基因是否能夠被轉錄，這個區域稱為操縱子operator，「抑制蛋白」能與「操縱基因」區域緊密結合。
8.
「操縱子」有一部份與啟動子promotor重疊，啟動子是「RNA聚合酶」前來結合進行轉錄的起始點。
9.
「啟動子」區域有部分與「操縱子」重疊，這點解釋了為什麼一旦「抑制蛋白」與「操縱子」結合，「RNA聚合酶」就無法與「啟動子」結合，阻斷了轉錄工作。
10.
雅各和莫諾稱「啟動子promotor、操縱子operator和結構基因structural
genes」三者為「操縱組operon」。
11.
舉例來說，在雅各－莫諾模型 Jacob-Monod model，乳醣操縱組
the lac operon的基因，專責合成催化乳醣代謝的酵素，執行過程如下：
12.
在轉錄DNA上的3個「結構基因」之前，「RNA聚合酶」必須先與「操縱組的啟動子promoter」區域結合；
13.
如果「抑制蛋白」已經與「操縱子」區域結合，就會阻撓「RNA聚合酶」與「DNA的啟動子」結合；只要出現活化的「抑制蛋白」，就不會有任何「RNA聚合酶」能與「啟動子」結合，也因此不會有後續的轉錄。
14.
然而，如果細胞核環境出現誘導物質「乳醣」，「乳醣」將與「抑制蛋白」結合，造成「抑制蛋白」外型改變而無法與「操縱子」結合。簡單講就是，誘導物讓「抑制蛋白」失去活性了。
15.
沒有「抑制蛋白」干擾，「RNA聚合酶」便能夠與「DNA的啟動子」結合，開始轉錄結構基因，生產「訊息RNA
mRNA」。
16.
「訊息mRNA」帶著3個結構基因的訊息，到細胞質與「核醣體」結合成複合體，「mRNA」的資訊在「核醣體」被轉譯，合成3種代謝「乳醣」所需的「酵素」；
17.
這些「酵素」接觸到「乳醣」後，進行將「乳醣」斷裂成「葡萄醣」和「半乳醣」的反應程序。
18.
當所有的「乳醣」都代謝掉，「抑制蛋白」沒有「乳醣」可結合，又再度恢復活性，與DNA的「操縱子」結合，阻礙「RNA聚合酶」轉錄。
19.
根據Jacob-Monod
model，「操縱子」的處境是「操縱組基因」能不能活化的關鍵。當「抑制蛋白」與「操縱子」結合，細胞就無法進行「操縱組基因」的轉錄；當「抑制蛋白」與「誘導物」結合而失去活性，「抑制蛋白」無法與「操縱子」結合，細胞就能自由地進行轉錄。
20.
特別留意，整合控制的三種乳醣「結構基因」，各負責一種特定的酵素，這幾種酵素的功能十分接近。
21.
整合許多「結構基因」的「操縱組」的特色是，編寫同一條生化反應路徑上各個酵素的基因，將整條反應路徑調控成一個單位。整合控制基因的好處是，反應路徑上所需的所有酵素都寫在一塊，在細胞需要的時候一次全部生產出來。
原核生物的基因表現至少可分為二種方式，深受操縱子的控制 Gene Expression in
Procaryotes Is Cantrolled by Operons in at Least Two Different Ways
22.
自從雅各莫諾模型提出之後，許多研究發現細胞調節「操縱組」的方式並不一致。乳醣的「操縱組」是誘導型的操縱組，操縱組本來是關閉無活性的，直到誘導物質出現，操縱組的活性才被打開。
23.
與乳醣的操縱組不同，有許多操縱組一直保持活性，直到細胞質出現「輔抑制物質corepressor substance」，操縱組才關閉失去活性。輔抑制物質通常是生化反應路徑的最後一個產物。
24.
其中一個例子是，合成胺基酸「色胺酸tryptophan」必需酵素的基因密碼，這些基因密碼組成的操縱子平常是保持活性的。合成色胺酸必需酵素的操縱組原本是打開的，但是當細菌細胞的生長環境充滿色胺酸，操縱組就會關閉。
25.
色胺酸的功能是「輔抑制子corepressor」，色胺酸與「抑制子」（抑制蛋白）結合，活化抑制子，使抑制子能夠與DNA的「操縱子」結合，阻斷轉錄工作。
26.
乳醣酵素和色胺酸酵素的基因開關調控，都屬於負向調控negative
control；負向調控機制，用「抑制蛋白」與「操縱子」結合的方式，阻斷轉錄。
27.
雖然負向調控是大腸桿菌最常見的調控基因表現方式，不過也有些系統會採取正向調控positive
control；在正向調控機制，蛋白質是驅動轉錄「活化子activators」。
28.
這些調控基因活化的蛋白質稱為轉錄因子transcription
factors(TF)，「轉錄因子」會在「啟動子」上游的活化區域與DNA結合，以協助「RNA聚合酶」與「啟動子」結合，並啟動轉錄。
29.
某些操縱組基因接受負向與正向控制機制的調控。我們舉乳醣操縱組的例子來說，當周遭媒介存在「乳醣」，「乳醣」會與「抑制蛋白」結合，讓「RNA聚合酶」可以毫無拘束地與「啟動子」結合。
30.
然而，「RNA聚合酶」是與「啟動子」強烈結合，還是微弱地結合，則取決於是否有「轉錄因子TF」協助結合。
31.
如果沒有「轉錄因子TF」，聚合酶只會微弱地與「啟動子」結合，偶爾才會成功地進行轉錄；如果有「轉錄因子TF」，聚合酶與「啟動子」的結合會比較緊密，有利於順利地進行轉錄。
32.
由此可知，乳醣操縱組活性最強的條件是，周遭環境存在「乳醣」，並且有「轉錄因子」能夠與DNA活化區域結合。
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翻譯編寫 Carol H. McFadden and William T. Keeton 《Biology》；圖片來源／Academic.pgcc.edu、Classes.midlandstech.edu
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