下列何種培養情況下，大腸桿菌會同時高度表達lacZ、lacY 和 lacA 基因？
詳細解析
本題觀念
乳糖操縱子(lac operon)是大腸桿菌調控醣類代謝基因群的經典範例，由 lacZ（β-半乳糖苷酶，把乳糖分解成葡萄糖與半乳糖）、lacY（乳糖通透酶，負責把乳糖從菌體外送入菌體內）與 lacA（硫代半乳糖苷乙醯基轉移酶）三個基因串聯組成。這三個基因要「同時高度表達」，必須兩個調控開關一起打開：第一是誘導作用（induction）——乳糖存在時會轉為異乳糖（allolactose），使抑制蛋白（lac repressor, LacI）脫離操作子（operator），解除轉錄抑制；第二是分解代謝物活化（catabolite activation）——葡萄糖不存在時，細胞內環腺苷單磷酸（cAMP）濃度上升，與分解代謝物活化蛋白（CAP，也稱 CRP）結合成複合體，幫助 RNA 聚合酶有效啟動轉錄。本題要選出讓這兩個開關同時成立的培養條件。
選項分析
- A. 乳糖和葡萄糖同時存在：乳糖雖能解除抑制蛋白的抑制作用，但葡萄糖存在會讓 cAMP 濃度偏低，CAP 無法活化啟動子，RNA 聚合酶起始轉錄的效率不佳，operon 僅呈現低度表達；細菌還會優先利用葡萄糖、等葡萄糖耗盡才轉向利用乳糖，此現象稱為雙重生長(diauxic growth)，故本選項不是答案。
- B. 只有乳糖、沒有葡萄糖：乳糖轉為異乳糖後讓抑制蛋白脫離操作子（誘導開關打開），同時葡萄糖不存在使 cAMP 濃度上升、CAP 順利活化啟動子（活化開關也打開），兩個條件同時成立，lacZ、lacY、lacA 三基因因此達到最高度共同表達，為正確答案。
- C. 只有葡萄糖、沒有乳糖：缺乏乳糖這個誘導物，抑制蛋白會持續緊緊結合在操作子上，即使葡萄糖不存在可能讓 CAP 活化，操作子仍被抑制蛋白卡住，RNA 聚合酶難以進行轉錄，operon 幾乎不表達，故本選項不是答案。
- D. 乳糖和葡萄糖皆不存在：沒有乳糖，抑制蛋白同樣持續抑制操作子，operon 只維持極低度的本底(basal)表達，達不到題目所要求的「高度表達」，故本選項不是答案。
答案解析
本題答案為 B。判斷關鍵在於 lac operon 受到「雙重正向調控」：一是抑制蛋白解除（需要乳糖存在），二是 CAP-cAMP 複合體活化啟動子（需要葡萄糖不存在）。只有「只有乳糖、沒有葡萄糖」這個培養條件才能讓兩個正向調控同時成立，讓 lacZ、lacY、lacA 三基因一起大量轉錄。這也是分子生物學課程中常用來說明「基因表現受多重訊號整合調控」的經典教材案例，臨床與基礎科學考題常會考這種「同時滿足兩個條件」的推理題型。
核心知識點
複習這類題目時，建議把 lac operon 的雙重調控機制拆成兩條線分別記憶：一是「誘導路徑」(乳糖 → 異乳糖 → 抑制蛋白脫離操作子)，二是「活化路徑」(葡萄糖缺乏 → cAMP 上升 → CAP-cAMP 複合體活化啟動子)。兩條路徑同時成立時，operon 才會達到最高表達；只滿足其中一條路徑，operon 仍只有低度或本底表達。這個原則也可以類推到其他分解代謝物抑制(catabolite repression)調控的操縱子系統，是微生物遺傳學考試的重要考點。