Das Lac-Operon ist ein klassisches und gut erforschtes Modell für die Genregulation bei Prokaryoten, insbesondere bei Bakterien wie Escherichia coli (E. coli). Es beschreibt ein System von Genen, das für die Aufnahme und den Abbau von Laktose, einem Milchzucker, verantwortlich ist. Das Lac-Operon ermöglicht es Bakterien, flexibel auf das Vorhandensein oder Fehlen von Laktose zu reagieren und nur dann die für den Laktoseabbau notwendigen Enzyme zu produzieren, wenn diese auch tatsächlich benötigt werden. Die Regulation erfolgt über verschiedene Mechanismen, die die Genexpression steuern und damit Energie sparen, indem die Enzyme nur synthetisiert werden, wenn Laktose als Energiequelle zur Verfügung steht.

Das Lac-Operon besteht aus drei strukturellen Genen: lacZ, lacY und lacA. Diese Gene kodieren für Enzyme, die im Laktose-Stoffwechsel eine zentrale Rolle spielen. Das Gen lacZ kodiert für die Beta-Galactosidase, ein Enzym, das Laktose in Glukose und Galaktose spaltet. Das lacY-Gen kodiert für die Laktose-Permease, ein Transportprotein, das die Aufnahme von Laktose in die Zelle ermöglicht. Das lacA-Gen kodiert für die Thiogalactosid-Transacetylase, deren genaue Funktion im Laktosemetabolismus weniger bedeutend ist, jedoch ebenfalls in die Verarbeitung von Laktose involviert ist.

Die Regulation des Lac-Operons erfolgt durch den sogenannten Repressor-Mechanismus und wird durch zwei Schlüsselmoleküle beeinflusst: den Lac-Repressor und das cAMP-CAP-Komplex. Der Lac-Repressor ist ein Protein, das vom lacI-Gen kodiert wird und in Abwesenheit von Laktose an eine spezifische DNA-Sequenz, den Operator, bindet. Der Operator ist eine regulatorische Region des Lac-Operons, die zwischen dem Promotor und den strukturellen Genen liegt. Wenn der Lac-Repressor an den Operator bindet, verhindert er, dass die RNA-Polymerase die nachgeschalteten Gene ablesen und transkribieren kann. Dadurch wird die Expression der Enzyme unterdrückt, wenn keine Laktose vorhanden ist – das Lac-Operon befindet sich dann im „ausgeschalteten“ Zustand.

Ist Laktose jedoch in der Umgebung der Zelle vorhanden, wird ein Teil der Laktose zu Allolaktose, einem Isomer, umgewandelt, das als Induktor fungiert. Allolaktose bindet an den Lac-Repressor und verändert dessen Struktur, sodass dieser nicht mehr an den Operator binden kann. Die RNA-Polymerase kann nun die Gene des Lac-Operons ablesen und die für den Laktoseabbau benötigten Enzyme synthetisieren. Dieser Mechanismus erlaubt es dem Bakterium, auf das Vorhandensein von Laktose schnell zu reagieren und die Energie für die Enzymsynthese nur dann aufzubringen, wenn sie tatsächlich erforderlich ist.

Zusätzlich zur Laktose-vermittelten Regulation gibt es beim Lac-Operon einen zweiten Kontrollmechanismus, der die Aktivität in Abhängigkeit von der Glukose-Konzentration steuert. Glukose ist die bevorzugte Energiequelle für E. coli, und solange Glukose vorhanden ist, wird der Abbau von Laktose unterdrückt, selbst wenn Laktose verfügbar ist. Dieser Mechanismus wird als Katabolitrepression bezeichnet und durch den cAMP-CAP-Komplex gesteuert. Wenn die Glukose-Konzentration niedrig ist, steigt die Konzentration von zyklischem AMP (cAMP) in der Zelle an. Das cAMP bindet an das Katabolitaktivatorprotein (CAP), und dieser cAMP-CAP-Komplex bindet an eine spezifische Region des Lac-Operons in der Nähe des Promotors. Durch die Bindung des cAMP-CAP-Komplexes wird die Bindung der RNA-Polymerase an den Promotor verstärkt, und die Transkription der Laktose-verwertenden Gene wird gefördert. Ist jedoch Glukose in der Zelle vorhanden, sinkt die Konzentration von cAMP, der cAMP-CAP-Komplex kann nicht mehr binden, und die Aktivierung des Lac-Operons bleibt aus, selbst wenn Laktose vorhanden ist.

Das Lac-Operon stellt damit ein Modellbeispiel für die prokaryotische Genregulation dar, das sowohl durch negative Kontrolle (Repressor) als auch durch positive Kontrolle (cAMP-CAP-Komplex) reguliert wird. Diese Form der Genregulation erlaubt es Bakterien, ihre Stoffwechselressourcen effizient zu nutzen, indem sie die Enzymsynthese an die jeweils verfügbaren Nährstoffe anpassen. Die Entdeckung und Untersuchung des Lac-Operons war ein wichtiger Meilenstein in der Molekularbiologie und Genetik und trug maßgeblich zum Verständnis der genregulatorischen Mechanismen bei, die heute als grundlegende Konzepte für viele biochemische und genetische Studien gelten.