白喉毒素（diphtheria toxin）主要經由抑制何種機制，導致細胞死亡？

本題觀念

白喉毒素（diphtheria toxin）是由白喉棒狀桿菌（Corynebacterium diphtheriae）所分泌的強效外毒素，其致病核心在於專一性地抑制真核細胞的蛋白質合成（translation）。白喉毒素以 ADP-核糖基化（ADP-ribosylation）方式修飾真核延伸因子 2（eEF-2）上的特殊胺基酸殘基 diphthamide，使 eEF-2 永久喪失催化核糖體轉位的能力，蛋白質合成隨之全面停擺，細胞最終因缺乏維持生命所需的蛋白質而死亡。這是微生物學中最具代表性的酵素型外毒素致病機轉之一。

選項分析

(A) DNA replication 白喉毒素不會作用於 DNA 複製相關的蛋白質。DNA 複製過程仰賴 DNA 聚合酶、解旋酶、引物酶等分子機器，而白喉毒素的唯一受質是參與轉譯延伸步驟的 eEF-2，兩者屬於完全不同的分子途徑。本選項錯誤。

(B) Transcription 轉錄是以 DNA 為模板、由 RNA 聚合酶合成 mRNA 的過程。白喉毒素並不直接抑制 RNA 聚合酶或其他轉錄因子。雖然蛋白質合成中斷後會間接影響新轉錄因子的補充，但白喉毒素的直接標的明確指向 translation，而非 transcription。本選項錯誤。

(C) Translation（正確答案） 白喉毒素是典型的 AB 型外毒素。B 片段（fragment B）負責辨認並結合宿主細胞表面的 HB-EGF（heparin-binding epidermal growth factor-like growth factor）受體，透過受體介導的胞吞作用將毒素攜入細胞內。A 片段（fragment A）進入細胞質後，即發揮 ADP-核糖基轉移酶活性，催化下列反應：

NAD⁺ + eEF-2（diphthamide）→ nicotinamide + ADP-ribosyl-eEF-2

此反應將 NAD⁺ 的 ADP-核糖基團共價轉移至 eEF-2 上的 diphthamide 殘基。Diphthamide 是一種真核細胞中僅存在於 eEF-2 的罕見組胺酸（histidine）轉譯後修飾產物。一旦被 ADP-核糖基化，eEF-2 便無法驅動 peptidyl-tRNA 從核糖體 A 位移至 P 位的轉位動作，translation 的延伸步驟因此完全癱瘓。白喉毒素的酵素效率極高，理論上一個毒素分子即足以殺死一個細胞，人類致死劑量約為每公斤體重僅 0.1 μg。

(D) Cell division 細胞分裂並非白喉毒素的直接作用標的。蛋白質合成中斷後，細胞確實無法正常分裂，但這屬於 translation 被抑制後的連鎖反應，並非毒素直接干擾有絲分裂紡錘體或細胞週期調控蛋白。本選項錯誤。

答案解析

正確答案為 (C) translation。白喉毒素藉由 ADP-核糖基化 eEF-2 上獨特的 diphthamide 殘基，不可逆地癱瘓蛋白質合成的延伸步驟。eEF-2 是真核轉譯過程中負責核糖體轉位的關鍵因子，失活後所有蛋白質的合成都將停止，細胞因而死亡。

核心知識點

• 白喉毒素為 AB 型外毒素，A 片段具 ADP-核糖基轉移酶活性
• 作用標的為 eEF-2 上的 diphthamide 殘基（組胺酸的罕見轉譯後修飾）
• ADP-核糖基化使 eEF-2 失去驅動核糖體轉位的功能，translation 延伸停止
• 催化反應以 NAD⁺ 為 ADP-核糖基團的供體
• 類似機轉的細菌毒素還包括綠膿桿菌外毒素 A（Pseudomonas exotoxin A），同樣以 ADP-核糖基化 eEF-2 來阻斷 translation

參考資料

• Diphtheria toxin. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Diphtheria_toxin
• Jørgensen R, et al. ADP-ribosylation of translation elongation factor 2 by diphtheria toxin. J Biol Chem. 2005;280(4):2505-2514.
• Liu S, et al. Insights into diphthamide, key diphtheria toxin effector. Toxins. 2019;11(3):172.
• Collier RJ. Diphtheria toxin: mode of action and structure. Bacteriol Rev. 1975;39(1):54-85.