Ген әрекетінің реттелуі немесе экспрессиясының генетикалық бақылануы деп нені түсінуге болады? Бұл түсінік ген экспрессиясы немесе гендер жиынтығының өсіп немесе азаюымен сипатталатын (индукцияланатын және репрессияланатын) қасиетіне байланысты болады. Реттеуші қызметін транскрипция процесіне қатысатын белоктар атқарады. Гендердің экспрессиясына клеткадағы АҮФ деңгейі де әсер етеді.
Гендер экспрессиясының реттеуші механизмдері туралы мэліметтер микроорганизмдер белоктарының синтезіне қатысатын гендердің активтіліктерінің бақылауын зерттеуде, лямбда фагтың генін, Xenopus гендерін, ашытқылардың шағылысуын қамтамасыз ететін гендерді және эукариоттардың дамуын бақылайтын гендерді зерттеуде алынды. Әртүрлі организмдерде гендер әсерін бақылайтын механизмдерді салыстыру осы механизмдердің алуантүрлілігін көрсетті. Бактерияларда екі механизм белгілі, біріншісі ферменттердің активтілігін, ал екіншісі ферменттердің синтезін бақылайтын механизм (арнайы белоктардың синтезі). Ферменттердің активтіліктерінің бақылануын (реттелуін) изолейцин аминқышқылы мысалында көруге болады. Яғни изолейцин синтезделу үшін треонин аминқышқылы қажет және ферменттердің қатысуымен бес тізбекті реакциядан өтуі керек. Егер де бактерияның аминқышқылдарын өздігінен синтездей алатын, оның ішінде изолейцинді де, культурасына изолейцин аминқышқылын қосатын болса, онда бактерия клеткалары изолейцин аминқышқылын синтездеуді доғарады. Клеткаға керекті изолейцин бұл кезде тек экзогенді жолмен ғана қамтамасыз етіледі. Бұл құбылыстың механизмі треонин аминқышқылын изолейцинге айналдыратын ферменттің активтілігінің төмендеуімен түсіндіріледі. Қоректік ортада изолейциннің деңгейі төмендеген кезде аталған процесс қайта қалпына келеді.
Бұл құбылыстың бірегейлігі ингибитор (соңғы өнім) және қалыпты субстрат ферменттегі байланысу сайтына таласпайды және олар әртүрлі құрылымға ие болуымен түсіндіріледі. Яғни ферментте екі байланысу сайты болады, оның бірі субстратқа арналған болса, екіншісі ингибиторға арналған. Қалыпты субстрат ферменттің активті сайтына жабысады. Егер де аталған арнайы сайтқа ингибитор байланысатын болса, онда ферментте құрылымдық бұзылыс жүреді (транзиция), нәтижесінде қалыпты субстрат өзінің сайтына байланыспайды, әрі қарай биосинтездің аяқталуын жылдамдататын ферменттің активтілігі тежеледі. Бұл құбылыс аллостерикалық транзиция деген атпен белгілі.
Аллостерикалық әрекеттесудің негізінде ферменттің сайтында талғамды байланысу жүреді, яғни бүл сайт ферменттегі субстрат байланысатын сайтты бүркемейді. Фермент екі молекула, ингибитор және субстратты бір-бірімен байланыстыратын (басқа жолмен жүзеге аспайтын) химиялық трансдукторға айналады. Кейбір ферменттер каталитикалық субстраттан айырмашылығы болатын өзінің эффекторлы молекулаларымен байланысу активтіліктеріне сезмтіл келеді. Онан басқа, кейбір ферменттер бір метаболиттер арқылы активтенуге, екінші метаболиттер арқылы активтіліктерінің басылуыйа да сезімтал келеді. Басқа сайттарға әсерін тигізбей, тек бір ингибиторлық сайтты бұзатын мутацияның мүмкін болуы, фенотиптік жағынан соңғы өнімнің активтілігінің басылуына әкеледі және өнімнің көп мөлшерде синтезделуіне кері эсерін тигізеді. Осыған байланысты, аллостерикалық транзиция фермент активтілігінің реттелуінде үлкен рөл атқарады.
Клеткада ферменттердің синтезі сол ферменттердің индукциясы және репрессиясы, яғни қозуы немесе қоректік ортаға қосылған затқа жауап ретінде арнайы ферменттердің синтезінің басылуы арқылы реттеледі. Ферменттер индукциясының мысалы ретінде бактериялардағы лактоза ферментінің кәдеге жаратуды алуға болады. Бактериялар көмірсудың қатысында қоректік ортада біраз уақыт өскеннен кейін лактоза ферменттерін ашытады. Бұл бактериялар арқылы лактозаны глюкозаға және галактозаға ыдырататын р-галактозидаза ферментінің синтезделуіне байланысты. Сондай-ақ бактериялар р-галактозидпермеаза жэне р-галактозидтрансцетилаза ферменттерін де синтездейді. Олар клеткаға субстраттардың енуін қамтамасыз етеді және кейбір уытты галактозидтердің детоксикациясына қатысады. Демек, лактоза клеткада ферменттердің синтезін қоздырады (индукциялайды).
Ферменттердің репрессиясына мысал ретінде антранил қышқылынан антранилатсинтетаза ферменті арқылы түзілетін триптофан ферментінің синтезін келтіруге болады. Егер де бактарияларды азот пен көмірсу көзі ретінде NH4C1 және глюкозасы бар қоректік ортаға егетін болса, онда олар өте жақсы өседі және триптофанды (басқа да аминқышқылдарын да) өз алдына синтездейді. Егер де осы қоректік ортаға сырттан триптофанды қосатын болсақ, онда бактериялар триптофанды синтездеуін тоқтатады. Айта кеткен жөн, қоректік ортаға триптофанды қосу биосинтезге қатысатын басқа да ферменттердің синтезін доғартады. Яғни соңғы өнім клеткада биосинтез процесін тоқтауына әсер етеді.
Белоктардың индукциясы мен репрессиясы нәтижелеріне қарап франциялық ғалымдар Ф. Жакоб және Ж. Моно (1961) белок синтезінің генетикалық бақылануының үлгісін тұжырымдады. Оның компоненттері ретінде ген құрылымы, реттеуші және операторлы гендер және цитоплазмалық репрессор қолданылды. Бұл үлгі бойынша белоктардың молекулалық құрылымы алғашқы өнімі мРНҚ молекуласы болатын құрылымды гендермен анықталады. мРНҚ молекуласының синтезі бірнеше құрылымдық гендердің транскрипциясы тәуелді ДНҚ молекуласының белгілі-бір бөлігінде (оператор) ғана басталады. Бір оператор арқылы транскрипциялық активтілікті үйлестіретін гендер тобын транскрипция бірлігі болып табылатын оперон білдіреді. Осыған байланысты, бактерия опероны полицистронды мРНҚ молекуласына транскипцияланады. Сондай-ақ клеткада ген-реттегіштер де белгілі. Қандай да болмасын ген-реттегіштің бақылауымен цито плазмада арнайы оператормен реверсивті байланысу қасиетіне ие репрессор-факторы өндіріледі. Осы байланысу арқылы репрессор және оператор комбинациясы оператормен бақыланатын барлық оперондардағы транскрипция процесінің басталуын (мРНҚ түзілуін) тежейді. Нәтижесінде белок биосинтезі тоқтайды.
Репрессор кіші молекулалармен (эффекторлармен) арнайы байланысу қасиетіне ие. Ферменттік жүйенің индукцияланған жағдайында репрессор оператормен байланысады және оперонның транскрипциясын шектейді. Бұл жерде эффектордың (индуктор) болуы репрессордың активтілігін басады, нәтижесінде оперон гендерінің транскрипциясы және трансляциясы басталады. Басқаша айтқанда, эффектормен байланысқан репрессор оператормен байланысқа түспейді, ал бұл өз кезегінде оперонның активтенуімен сипатталады. Сондай-ақ репрессибельді ферменттер жағдайында репрессор активсіз болады, яғни оператормен байланыспайды және оперонның транскрипциясын шектемейді. Ол тек биосинтез кезіндегі соңғы өніммен қосылу нәтижесінде активтенеді, әрі қарай оперон транскрипциясына шектеу қойылады. Демек, оперон транскрипциясы эффектордың (соңғы өнім) жоқ кезінде жүзеге асырылады, егер эффектор бар болса, онда оперон қызметі шектеледі.
Индуцибельді және репрессибельді жүйелердің реттелу механизмдері клеткада арнайы белоктардың синтезін басатын болғандықтан жағымсыз (негативті) сипатқа ие. Клеткадағы оперондарды катаболиздеуші (индуцибельді) және синтездеуші (репрессибельді) деп жіктейді. Катаболиздеуші оперондар мысалы ретінде лактозды оперонды алуға болады. Оның құрамына р-галактозидаза, Р-пермеаза және р-трансацетилаза ферменттерін синтездейтін z, y және а құрылымдық гендері, репрессор синтезін кодтайтын lac 1 реттеуші гені (молекулалық массасы 37 200, 377 аминқышқылы қалдықтары кіретін төрт ұқсас бірліктен тұрады), ген құрылымын реттейтін РНҚ-полимераза және оператор-ген (О) байланысатын Р2 және Р} промоторлары кіреді.
Лактоза оперонының реттелу механизмі төмендегі жолмен сипатталады. Лактоза (индуктор) жоқ жерде репрессор активті жағдайда болады, яғни lac 1 генінің өнімі басқа екі оператормен қосылып (02 жэне Оэ) 01 операторымен байланыста болады жэне осы арқылы мРНҚ молекуласының транскрипциясын шектейді, яғни РНҚ-полимераза ферментінің промотордан шығып жүруін бақылайды. 02 және 03 операторлары (оларды псевдооператорлар деп те атайды) репрессор мен О, операторының байланысу қабілетін жоғарылатады. P1 промоторы қалыпты жағдайда ешқандай маңызы жоқ екінші Р2 промоторымен жапсарласады. РНҚ-полимераза ферменті екі промоторға да жақын келеді, бірақ-та фермент P1 промоторына байланысады, өйткені Р2 промоторымен байланысуына транскрипция процесін P1 промоторында ынталандыратын CRP белоктары кедергі келтіреді. Қоректік ортада индуктор болған жағдайда репрессордың активтілігі төмендейді, индуктормен байланысады да оператор бос қалады. Нәтижесінде РНҚ-полимераза фермекті жылжуды бастайды да мРНҚ молекуласының транскрипциясы басталады. Қоректік ортада лактоза болса ферменттің синтезі 1000 есеге өседі. Транскрипция процесінің басталу (инициациясы) процесі АМФ және CRP белоктарын қажет етеді. Демек, лактоалық оперон мРНҚ синтезі жиілігімен бақылану арқылы негативті бақыланады.