白喉杆菌产生白喉毒素的过程与特定基因调控和环境因素密切相关。白喉毒素的产生主要由溶原性β-噬菌体携带的tox基因控制，当噬菌体感染白喉杆菌后，该基因整合至细菌基因组中。毒素的合成受到铁离子浓度的严格调控，在低铁环境下，细菌通过特定调控蛋白解除抑制，启动毒素表达。
1、基因调控机制
白喉杆菌本身不携带产毒基因，只有当β-噬菌体感染菌株后，其携带的tox基因整合至细菌基因组中才能产毒。该基因编码的毒素前体分子量为61kDa，在细菌的跨膜转运过程中被蛋白酶切割为活性形式。噬菌体的整合位置通常位于细菌染色体的attB位点，这种基因水平转移机制使得产毒能力可在菌株间传播。
2、铁离子浓度调控
细菌通过DtxR蛋白感知环境铁浓度，当铁离子浓度低于0.1μM时，DtxR蛋白构象改变失去抑制功能。此时RNA聚合酶可结合tox基因启动子区域，启动基因转录。这种调控机制使细菌在宿主铁限制环境中（如咽喉黏膜）增强毒素产量，每毫克细菌干重可产生约5-10μg毒素。
3、毒素加工分泌
合成的毒素前体通过Sec分泌系统转运至周质空间，在此经历二硫键形成和蛋白酶切割等修饰。成熟的毒素分子由535个氨基酸残基构成，包含受体结合域（B亚基）和酶活性域（A亚基）。单个细菌每小时可分泌约200-300个毒素分子，这些分子通过孔道蛋白扩散至宿主细胞。
白喉毒素的LD50约为0.1μg/kg体重，其作用机制是通过抑制真核细胞延伸因子-2（EF-2）阻断蛋白质合成。临床治疗中需及时使用抗毒素中和游离毒素，同时配合抗生素清除产毒菌株。基因重组技术研究表明，缺失tox基因的菌株完全丧失致病性，这为疫苗研发提供了理论基础。