Trong một thí nghiệm về vi khuẩn E. coli, các nhà khoa học nuôi cấy vi khuẩn này trong môi trường có chứa lactose là nguồn năng lượng duy nhất. Ban đầu, mức độ biểu hiện của enzyme phân giải lactose rất thấp. Tuy nhiên, sau một thời gian ngắn, người ta ghi nhận hoạt động của các enzyme β-galactosidase, permease và transacetylase tăng mạnh. Trong một nhóm vi khuẩn khác có đột biến tại vùng vận hành (operator) nên vùng này không liên kết được với protein ức chế, các enzyme trên liên tục được tổng hợp, ngay cả khi không có lactose trong môi trường.

Operon M ở một chủng vi khuẩn mã hóa 3 enzyme là E1, E2 và E3; Có 5 trình tự A, B, C, D và G chưa biết rõ chức năng. Operon này được điều hòa bởi chất X. Để làm sáng tỏ chức năng của các trình tự, người ta đã theo dõi sự ảnh hưởng của đột biến ở các trình tự từ A đến G dựa trên sự tổng hợp các enzyme được đánh giá thông qua sự có mặt và sự vắng mặt của chất X (Bảng 1).

Bảng 1

Cơ chế điều hoà biểu hiện gene của operon lac ở vi khuẩn E. coli được thể hiện trong sơ đồ sau:

Kiểu gene của vi khuẩn kiểu dại kí hiệu là: I⁺P⁺O⁺Z⁺Y⁺A⁺. Khi phân tích DNA của các chủng vi khuẩn: lacZ^-, lacY^-, lacI^- (các đột biến mất chức năng), lacI^S (lacI^S mã hóa lacI^S là chất ức chế có thể bám vào operator nhưng không thể bám vào chất cảm ứng), hoặc lacO^c (operator của operon lac đột biến làm cho lacI, lacI^S không thể bám vào O^c).

Một operon X có các vùng trình tự qui định chức năng được Kí hiệu M, N, P, Q, tổng hợp các enzyme 1 và enzyme 2 phân giải chất X. Trong đó, mỗi vùng trình tự đã kí hiệu từ M đến Q sẽ là một trong các vị trí sau:

(1) Gene tổng hợp enzyme 1.

(2) Gene tổng hợp enzyme 2.

(3) Vùng khởi động (promoter).

(4) Vùng vận hành (operator).

Biết rằng, gene điều hoà điều khiển hoạt động operon X tổng hợp protein điều hoà có chức năng bình thường. Kết quả chọn lọc các chủng vi khuẩn thu được ở bảng dưới đây khi nuôi cấy trong điều kiện môi trường có chất X và không có chất X, biết (+) enzyme được tổng hợp; (-) enzyme không được tổng hợp.

Ở vi khuẩn E.coli kiểu dại, sự biểu hiện của gene lacZ (mã hóa β-galactosidase), gene lacY (mã hóa permease), gene lacA (mã hóa transacetylase) thuộc operon lac phụ thuộc vào sự có mặt của lactose trong môi trường nuôi cấy; protein ức chế (LacI) do gene ức chế lacI quy định. Bằng kỹ thuật gây đột biến nhân tạo, người ta đã tạo ra được các chủng vi khuẩn khác nhau và được nuôi cấy trong hai môi trường: không có lactose và có lactose. Sự biểu hiện gene của các chủng vi khuẩn được thể hiện ở Bảng 1: