大腸桿菌（E. coli）處於富含乳糖且缺乏葡萄糖的環境時，其乳糖操縱組（lac operon）的基因調控模式，主要有下列那兩種類型？①透過減少抑制蛋白結合而活化轉錄 ②通過增加抑制蛋白結合而抑制轉錄 ③通過增加活化蛋白結合而活化轉錄 ④通過減少活化蛋白結合而抑制轉錄

醫師[1] - 轉錄、轉譯與基因調控考古題解析 - 民國115年 | ExamWise

本題考查原核生物（大腸桿菌）基因表現的調控機制，具體聚焦於 乳糖操縱組（lac operon） 在特定營養環境下的雙重調控模式。此系統包含兩個主要的調控路徑：

負向調控（Negative Control）：由抑制蛋白（Lac Repressor, LacI）控制，對乳糖的存在產生反應。
正向調控（Positive Control）：由活化蛋白（Catabolite Activator Protein, CAP 或稱 CRP）控制，對葡萄糖的缺乏產生反應（透過 cAMP 濃度）。

題目設定的環境為：「富含乳糖」且「缺乏葡萄糖」。我們需分析此條件下發生的分子事件：

條件一：富含乳糖（Lactose rich）
- 乳糖進入細胞後會轉變為異乳糖（allolactose），異乳糖作為誘導物（inducer）會結合 抑制蛋白（Lac Repressor）。
- 結合後，抑制蛋白發生構形改變，導致其 無法結合 到操作子（Operator）上。
- 結果：原本阻擋 RNA 聚合酶（RNA Polymerase）的障礙被移除，允許轉錄進行。
- 對應敘述：這是一種「去抑制」的過程，即 「透過減少抑制蛋白結合而活化轉錄」。
- 判定：敘述 ① 正確。
條件二：缺乏葡萄糖（Glucose starvation）
- 當葡萄糖缺乏時，細菌細胞內的 cAMP（環狀單磷酸腺苷） 濃度會上升。
- cAMP 會與 活化蛋白 CAP（Catabolite Activator Protein）結合，形成 cAMP-CAP 複合物。
- 此複合物會結合到啟動子（Promoter）上游的 CAP結合位點（CAP site）。
- 結合後的 CAP 會協助招募 RNA 聚合酶，大幅增強轉錄效率。
- 對應敘述：這是一種正向活化過程，即 「通過增加活化蛋白結合而活化轉錄」。
- 判定：敘述 ③ 正確。
其他選項排除：
- 敘述 ②「通過增加抑制蛋白結合而抑制轉錄」：這是發生在「缺乏乳糖」時的情境。
- 敘述 ④「通過減少活化蛋白結合而抑制轉錄」：這是發生在「富含葡萄糖」（導致 cAMP 低，CAP 不結合）時的情境（即葡萄糖抑制效應）。

根據上述分析，在「富含乳糖且缺乏葡萄糖」的環境下，大腸桿菌為了利用乳糖作為能量來源，必須同時解除抑制並加強活化：

乳糖存在 $\rightarrow$ 抑制蛋白脫離 DNA $\rightarrow$ ① 透過減少抑制蛋白結合而活化轉錄。
葡萄糖缺乏 $\rightarrow$ cAMP 上升 $\rightarrow$ CAP 結合 DNA $\rightarrow$ ③ 通過增加活化蛋白結合而活化轉錄。

故正確組合為 ① 和 ③。

正確答案：D

考生應掌握 lac operon 的邏輯是為了「節能」：只有在「沒有葡萄糖（首選燃料）」且「有乳糖（替代燃料）」時，才會大量表現乳糖代謝基因。

負向調控（乳糖感應）：
- 關鍵蛋白：Lac Repressor (LacI)。
- 機制：無乳糖時結合 Operator 阻擋轉錄；有乳糖時（誘導物 Allolactose 結合 LacI）脫離 DNA。
- 結果：決定操縱組是「關閉」還是「可開啟」。
正向調控（葡萄糖感應 / 異化代謝抑制）：
- 關鍵蛋白：CAP (CRP) + 訊號分子 cAMP。
- 機制：低葡萄糖 $\rightarrow$ 高 cAMP $\rightarrow$ CAP-cAMP 結合 DNA $\rightarrow$ 促進 RNA Polymerase 結合。
- 結果：決定轉錄的「效率」或「強度」。只有在 CAP 結合時才能高效轉錄。