Quá trình điều hoà tổng hợp protein ở sinh vật nhân sơ được hai nhà khoa học là Francos Jacob và Jacques Monod đề xuất đầu tiên vào năm 1961 khi nghiên cứu trên vi khuẩn Escherichia coli.
Hai ông đã tiến hành nuôi cấy vi khuẩn E.coli trong các môi trường khác nhau và thu được kết quả như sau: Khi nuôi vi khuẩn E.coli trong môi trường đường glucose thì chúng sinh trưởng, phát triển bình thường. Tuy nhiên, khi chuyển E.coli vào môi trường đường lactose thì chúng bị chững lại một thời gian, sau đó chúng lại sinh trưởng, phát triển bình thường.
Từ kết quả thí nghệm, hai ông đã tiến hành giải thích và đưa ra mô hình về quá trình điều hoà tổng hợp protein ở vi khuẩn và gọi là mô hình Operon.
Theo mô hình này thì một Operon gồm có 4 loại gen chính là: - Gen điều hoà ký hiệu là I làm nhiệm vụ sản sinh ra protein ức chế.
- Gen khởi động Promoter ký hiệu là P là nơi enzyme ARN polymerse bám vào để thực hiện quá trình sao mã
- Gen chỉ huy Operator còn gọi là gen điều khiển ký hiệu là O là nơi bám vào của chất ức chế
Khi Operon hoạt động, enzym ARN polymerse bám vào gen khởi động P, di chuyển qua gen chỉ huy O và tới các gen cấu trúc để tiến hành sao mã tổng hợp mARN, từ đó tổng hợp ra protein.
Quá trình điều hoà tổng hợp protein gồm hai cơ chế là cơ chế kích thích còn gọi là cơ chế mở và cơ chế ức chế còn gọi là cơ chế đóng.
Khi chất ức chế do gen điều hòa sinh ra bám vào gen O, nó ngăn cản không cho enzym ARN polymerse di chuyển tới gen cấu trúc để hoạt động. Vì thế, quá trình sao mã không được thực hiện, mARN không được tạo ra nên không tạo ra protein. Cơ chế này được gọi là cơ chế đóng.
Khi trong môi trường xuất hiện chất cảm ứng, nó sẽ liên kết với chất ức chế và làm thay đổi cấu hình của chất ức chế, làm cho chất ức chế không có khả năng liên kết với mARN. Lúc này, enzyme ARN polymerse không còn bị ngăn cản, nó sẽ di chuyển tới gen cấu trúc và thực hiện quá trình sao mã tổng hợp mARN nên quá trình giải mã được thực hiện, protein được tổng hợp. Cơ chế này được gọi là cơ chế mở.
Trong thí nghiệm nuôi cấy E.coli của Jacob và Monod, đường lactose chính là chất cảm ứng. Vì vậy khi trong môi trường chỉ có lactose mà không có glucose, lactose đã kết hợp và vô hiệu hoá protein ức chế, làm cho gen qui định tổng hợp enzyme phân huỷ lactose chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái mở và vì vậy E.coli có khả năng sử dụng lactose làm thức ăn.
Hình III.8. Mô hình Operon về quá trình điều hoà tổng hợp protein