下列何種毒素的作用機轉與霍亂毒素（cholera toxin）類似？

本題觀念：

本題考查的是細菌毒素的分子作用機轉（Molecular Mechanism of Action），特別是**ADP-核糖基化（ADP-ribosylation）**毒素的分類及其受質（Target）。

**霍亂毒素（Cholera Toxin, CT）**的作用機轉如下：

1. 屬於 A-B toxin。
2. A次單元進入細胞後，將NAD+上的ADP-ribose轉移到 G protein 的 Gs $\alpha$ 次單元上。
3. 這會抑制 Gs 蛋白的 GTPase 活性，使其持續處於活化狀態（GTP-bound）。
4. 持續活化的 Gs 蛋白刺激 腺苷酸環化酶（Adenylate cyclase），導致細胞內 cAMP 濃度大幅上升。
5. 高濃度的 cAMP 活化 Protein Kinase A (PKA)，導致腸道上皮細胞CFTR通道排出氯離子，水分與電解質隨之流失，造成大量水瀉（Watery diarrhea）。

選項分析

• A. 白喉毒素（Diphtheria toxin）：

  • 機轉：雖然它也是 A-B toxin 且具有 ADP-ribosylation 活性，但其目標受質是 Elongation Factor-2 (EF-2)。
  • 結果：抑制蛋白質合成，導致細胞死亡（Cytotoxicity），而非造成離子分泌。
  • 結論：機轉類型（ADP-ribosylation）相似，但目標與生理結果不同。

• B. 大腸桿菌（Escherichia coli）的第一型熱不穩定毒素（LT-Ⅰ）：

  • 機轉：產毒性大腸桿菌（ETEC）產生的熱不穩定毒素（Heat-labile toxin, LT）與霍亂毒素在結構、免疫原性和作用機轉上高度相似（約80%胺基酸同源）。LT 同樣作用於 Gs $\alpha$ 次單元 進行 ADP-ribosylation。
  • 結果：活化 Adenylate cyclase $\rightarrow$ cAMP 上升 $\rightarrow$ 水瀉。
  • 結論：完全符合。LT 與 CT 被視為功能幾乎相同的毒素。

• C. 副溶血弧菌（Vibrio parahaemolyticus）的溶血素（hemolysin）：

  • 機轉：主要致病因子是耐熱性直接溶血素（Thermostable Direct Hemolysin, TDH），這是一種 孔道形成毒素（Pore-forming toxin）。
  • 結果：增加細胞膜通透性，導致溶血或細胞壞死。
  • 結論：作用機轉完全不同。

• D. 痢疾志賀氏桿菌（Shigella dysenteriae）的侵入素（invasin）：

  • 機轉：Invasin 協助細菌經由 M cell 侵入腸道上皮（胞吞作用）；而該菌產生的 志賀毒素（Shiga toxin, Stx） 則是切斷 28S rRNA（N-glycosidase activity），抑制蛋白質合成。
  • 結果：細胞死亡、發炎、出血性腹瀉（Dysentery）。
  • 結論：機轉與 CT 不同。

答案解析

正確答案：B

大腸桿菌（ETEC）產生的 熱不穩定毒素（LT-I） 與 霍亂毒素（CT） 具有極高的同源性。兩者皆為 A-B5 結構，B 次單元結合神經節苷脂（Ganglioside，CT 結合 GM1，LT 結合 GM1 或 GD1b），A 次單元進入細胞後對 Gs protein 進行 ADP-ribosylation，導致 cAMP 升高及後續的嚴重水瀉。因此，LT-I 是選項中與霍亂毒素作用機轉最為類似的毒素。

核心知識點：ADP-ribosylation 毒素總整理

考生應熟記以下幾種常見細菌外毒素（Exotoxin）的目標受質（Target）與作用：

1. cAMP 增加型（造成水瀉）：

   • Cholera Toxin (V. cholerae)：活化 Gs（ADP-ribosylation）。
   • Heat-Labile Toxin (ETEC)：活化 Gs（ADP-ribosylation）。
   • Pertussis Toxin (Bordetella pertussis)：抑制 Gi（ADP-ribosylation），導致 cAMP 無法被抑制而上升（亦增加淋巴球與組織胺敏感性）。
   • (補充：炭疽毒素 Edema factor 本身就是 Adenylate cyclase，不經由 G protein)

2. 抑制蛋白質合成型（造成細胞壞死）：

   • Diphtheria Toxin (C. diphtheriae)：抑制 EF-2（ADP-ribosylation）。
   • Exotoxin A (Pseudomonas aeruginosa)：抑制 EF-2（ADP-ribosylation）。
   • Shiga Toxin (Shigella/EHEC)：切斷 28S rRNA（非 ADP-ribosylation，移除 Adenine）。

參考資料

1. Fieldhouse RJ, et al. Cholera- and Anthrax-Like Toxins Are among Several New ADP-Ribosyltransferases. PLoS Comput Biol. 2010. (Confirming CT-like toxins mechanism)
2. NIH. The ADP-ribosyltransferase activity of cholera toxin and Escherichia coli heat-labile toxin. (Confirming LT and CT similarity)
3. Colon-Gonzalez, et al. The catalytic triad of diphtheria toxin and cholera toxin... (Comparing mechanisms)