フランソワ・ジャコブとジャック・モノが実験に用いた微生物は、一般的な実験用細菌である大腸菌であったが、ジャコブやモノが発見した調節の基本概念の多くは、すべての生物における細胞調節の基礎となるものであった。 大腸菌は、グルコースなどの他の糖が利用できる場合など、乳糖を代謝する必要がないときには、3つのLacタンパク質を作らないことによって、細胞の資源とエネルギーを節約しているのです。 次のセクションでは、大腸菌が代謝の必要性に応じて特定の遺伝子を制御する方法について説明します。
第二次世界大戦中、モノーは大腸菌と枯草菌の栄養源として糖の組み合わせの影響をテストしていました。 モノーは、他の科学者がバクテリアや酵母を使って行った同様の研究のフォローアップを行っていた。 そして、2種類の糖類を用いて培養したバクテリアは、しばしば2つの成長段階を示すことを発見した。 例えば、グルコースとラクトースの両方を与えた場合、まずグルコースが代謝され（成長期I、図2参照）、次にラクトースが代謝される（成長期II）。 グルコースとラクトースの両方が培地に存在すると、β-ガラクトシダーゼが作られないため、二相成長曲線の最初の部分ではラクトースは代謝されない。 モノーはこの現象をdiauxieと名付けた。
次にモノーは、ラクトースだけが培養液中の糖であるときに生じるβガラクトシダーゼ生成誘導に注目することになった。
制御変異体の分類を編集する
ヤコブとモノッドの概念的突破口は、制御物質とそれが遺伝子発現を変えるために作用する部位とを区別して認識することでした。 元軍人であったヤコブは、特殊な無線通信や信号を受信すると致死的な貨 物を放出する爆撃機の例えを使いました。 このシステムを作動させるには、地上の送信機と飛行機内の受信機の両方が必要である。 さて、通常の送信機が壊れたとしよう。 このシステムは、2つ目の送信機を導入することで機能させることができる。 これに対して、受信機に欠陥のある爆撃機を考えてみよう、と。 lac オペロンの制御変異体を分析するために、ジェイコブは、lac 遺伝子 （lacI とそのプロモーター、および lacZYA とそのプロモーターとオペレーター）の 2 コピー を 1 つの細胞に導入できるシステムを開発しました。 このような細菌の培養は、lac遺伝子については2倍体であるが、それ以外は正常であり、次に制御表現型について試験される。 特に、IPTGの非存在下でもLacZやLacYが作られるかどうか（変異遺伝子が作り出す乳糖抑制剤が非機能的であるため）が判断される。 このように遺伝子や遺伝子群を対にして行う実験を相補性試験という。
この試験を図に示す（簡単のためlacAを省略した）。 まず、ある種のハプロイド状態（すなわち、細胞はlac遺伝子のコピーを1つだけ持っている）を示している。 パネル（a）は抑制、（b）はIPTGによる誘導、（c）と（d）はそれぞれlacI遺伝子またはオペレーターへの変異の影響を示している。 パネル(e)には、リプレッサーに対する相補性試験を示す。 lac遺伝子の1コピーがlacIに変異を持ち、2コピーがlacIについて野生型である場合、結果として表現型は正常であるが、誘導剤IPTGにさらされるとlacZが発現する。 リプレッサーに影響を与える変異は、野生型に対して劣性である（野生型が優勢である）と言われているが、これはリプレッサーが細胞内で拡散できる小さなタンパク質であることから説明できる。 欠陥のあるlacI遺伝子に隣接するlacオペロンのコピーは、2番目のコピーのlacIから作られるタンパク質によって効果的に遮断される。
オペレーター変異を用いて同じ実験を行うと、異なる結果が得られる（パネル(f))。 1つの変異型と1つの野生型のオペレーター部位を持つ細胞の表現型は、誘導剤IPTGがない場合でもLacZとLacYが生産されることである；これは損傷したオペレーター部位が構造遺伝子の転写を阻害する抑制剤の結合を許さないからである。 このオペレーターの変異は優性である。 この実験のより洗練されたバージョンでは、印をつけたオペロンを使ってlac遺伝子の2つのコピーを区別し、制御されていない構造遺伝子が変異したオペレーターの隣にあるものであることを示す（パネル（g））。 例えば、1つのコピーがlacZを不活性化する変異によってマークされ、LacYタンパク質のみを生成することができ、一方、2番目のコピーはlacYに影響を与える変異を持ち、LacZのみを生成することができると仮定する。 このバージョンでは、変異体オペレーターに隣接するlacオペロンのコピーだけが、IPTGなしで発現される。 私たちは、オペレーターの突然変異はシスドミナントであると言い、それは野生型に優性であるが、それにすぐ隣接するオペロンのコピーにのみ影響を与えるのである。 しかし実際には、モデルが先にあり、そのモデルを検証するために特別に実験が行われるということがよくある。 ヤコブとモノーは、まず DNA の中にオペレーターの性質を持つ部 位があるに違いないと想像し、それを示すために相補性試験を計画し ました。 フェニル-ガルを使って野生型の培養から調節型突然変異体を選択する場合、上に述べたように、標的サイズが非常に小さいので、オペレーター突然変異は抑制型突然変異体に比べてまれです。 しかし、その代わりに、lac領域全体を2コピー持っている株（lacの2倍体）から始めると、2番目の野生型のlacI遺伝子による相補性が野生型の表現型を与えるので、リプレッサー突然変異は（それでも起こる）回復しないのです。 対照的に、オペレーターの1コピーの突然変異は、2番目の野生型コピーに対して優性であるため、突然変異体表現型を与える。
シクリックAMPによる制御 Edit
二卵性の説明は、古典モデルで説明できるもの以外に、lac遺伝子に影響を与える追加の突然変異の特性によって決定した。 その結果、cya と crp という 2 つの遺伝子が同定され、これらは lac から遠く離れた場所に位置し、変異させると IPTG 存在下で、さらにはリプレッサーやオペレーターを欠いた菌体でも発現レベルが低下することが明らかになった。 大腸菌におけるcAMPの発見は、crp遺伝子ではなくcya遺伝子を欠損した突然変異体が、培地にcAMPを加えることによって完全な活性を回復することを証明することにつながった
cya遺伝子はcAMPを生産するアデニル酸シクラーゼをコードしている。 cya変異体では、cAMPがないためにlacZYA遺伝子の発現が正常の10倍以上低くなっている。 cAMPを添加すると、cya変異体に特徴的なLacの低発現を修正することができる。 2番目の遺伝子crpはカタボライト活性化タンパク質（CAP）あるいはcAMP受容体タンパク質（CRP）と呼ばれるタンパク質をコードしている。
しかし、LacIリプレッサーがDNAに強固に結合するのではなく、急速に結合／離脱することにより、RNAPが結合しlacZAEのmRNAを転写する時間を確保できるため、乳糖代謝酵素がグルコースと乳糖両方の存在下で少量しか作られず（リーッキー発現という場合もある）、乳糖の発現が低下していることが判明した。 グルコース源が消費された後、lacの発現が完全に活性化される前に、いくつかのラクトースの代謝を可能にするために、リーク発現が必要となる。
- ラクトースがないとき、Lac酵素の生産はほとんどない（オペレーターはLacリプレッサーと結合している）。
- ラクトースが存在するが、好ましい炭素源（グルコースなど）も存在する場合は、少量の酵素が生産される（Lacリプレッサーはオペレーターに結合していない）。
- グルコースが存在しない場合、CAP-cAMPはプロモーターの上流の特定のDNA部位に結合し、RNAPと直接タンパク質-タンパク質相互作用を行い、RNAPのプロモーターへの結合を促進する。
成長段階間の遅延は、十分な量のラクトース代謝酵素を生成するのに要する時間を反映している。 まず、CAP制御タンパク質がlacプロモーター上に集合する必要があり、その結果、lac mRNAの生産が増加する。 lac mRNAの利用可能なコピーが増えると、LacZ（β-ガラクトシダーゼ、乳糖代謝のため）およびLacY（乳糖を細胞内に輸送する乳糖パーメアーゼ）のコピーが著しく多く生産（翻訳を参照）されることになる。
異化抑制の二つの謎は、cAMPレベルがグルコースの存在とどう結びついているかと、第二になぜ細胞が悩むのかということに関連しています。 ラクトースは切断された後、実際にはグルコースとガラクトース（グルコースに変換されやすい）を形成します。 代謝の観点からは、乳糖はグルコースと同様に優れた炭素およびエネルギー源である。 cAMPレベルは、細胞内のグルコース濃度ではなく、グルコースの輸送速度に関係し、アデニル酸シクラーゼの活性に影響する。 (さらに、グルコースの輸送は、ラクトースパーミアーゼの直接的な阻害にもつながる)。 なぜ大腸菌がこのような働きをするのかについては、推測するほかはない。 すべての腸内細菌はグルコースを発酵させており、頻繁にグルコースに遭遇していることがうかがえる。 グルコースとラクトースの輸送や代謝の効率にわずかな差があるために、細胞がこのようにlacオペロンを制御することが有利になっている可能性もある
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