抗體正日益成為重要的藥物，目前在美歐兩地已有136種抗體藥物獲批上市。在抗體藥物開發過程中，常常需要調節抗體與抗原的親和力。因此，對抗體-抗原復合物的結構進行建模與預測就顯得尤為重要。而抗體上關鍵的抗原結合區域主要由6個CDR環構成，這些環在結合過程中是否會發生構象改變，一直存在爭議。
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圖1. 抗體結構示意圖
為系統解答這個問題，英國倫敦大學學院的Chu’nan Liu等人在最新一期的《mAbs》期刊上發表了一項大規模研究。他們根據抗體結構數據庫AbDb（www.bioinf.org.uk/abs/abdb/）的抗體結構數據構建了一個名為AbAgDb的數據集，涵蓋了177個高質量的抗體結構，這些抗體均同時具有結合抗原和未結合抗原的構象。
圖2. 該項研究文章截圖
研究人員對數據集質量控制極為嚴格。在構建數據集時，研究人員采取了極為嚴格的質量控制標準，具體如下：
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??保留分辨率至少為2.8?的結構；
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??要求同時包含完整的重鏈和輕鏈可變區域(Fv)；
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剔除有殘基缺失、較高B-factor或有非脯氨酸順式殘基的CDR環；
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??剔除結合/未結合態框架區Cα位移超過1.0?的抗體，并進行結構比對及人工篩查。
圖3. AbAgDb數據集篩選過程
根據如此嚴格的標準，研究者對抗體結合抗原的構象進行了篩選，最終獲得了177個同時有結合和未結合抗原構象的抗體。177個抗體對應了749個AbDb結構，在749個AbDb結構中，有369個抗體未結合抗原，380個抗體結合抗原，確保了數據集的極高質量，為下一步分析打下堅實基礎。
研究人員通過計算CDR環Cα原子的均方根偏差（RMSD）來衡量抗體結合抗原前后的構象變化程度。他們區分了全局擬合RMSD和局部擬合RMSD，前者反映CDR環相對于框架區的總體位移，后者則單純反映CDR環本身的構象變化情況。
值得一提的是，為最小化框架區運動的影響，全局擬合時重鏈CDR只對重鏈框架區進行擬合，而輕鏈CDR只對輕鏈框架區擬合。
通過分析，研究人員發現除了CDR-H3環，其余CDR環在結合時局部構象變化都相當?。?/p>
98.5%的CDR環構象變化小于1.0埃； 99.5%的變化小于2.0埃。
而相對活躍的CDR-H3環，局部構象也有83.6%的變化在1.0?之內，94.9%的變化在2.0?之內。
圖4. 抗體CDR構象變化分布的全局和局部擬合情況
表1. 非CDR-H3環和CDR-H3環的全局構象和局部構象Cα擬合結果
研究者還對未結合狀態下的CDR構象（包含六個CDR類型：CDR-L1、CDR-L2、CDR-L3、CDR-H1、CDR-H2和CDR-H3）進行主鏈扭轉角度的聚類，創建AP clusters，之后進行笛卡爾聚類合并，創建Canonical clusters。通過比較aB、cB與au、cu（見圖6和表2），將結合時的構象變化分類為四類：
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Identical AP cluster：結合構象與未結合構象合并到相同的AP Cluster中；
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AP-cluster shift：結合構象與未結合構象在同一Canonical clusters中的不同AP Cluster合并；
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Canonical-cluster shift：結合構象與未結合構象在不同于未結合構象的規范類中的AP Cluster合并；
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?Non-canonical conformation：x未與任何AP Cluster或canonical clusters合并。
圖5. 構象變化分類示意圖
圖5展示了兩個Canonical clusters，標記為c1和c2（灰色陰影區域）。每個Canonical clusters由AP Cluster組成（即，藍色和橙色節點）。未結合構象的AP Cluster標記為au，其Canonical clusters表示為cu，在這種情況下為c1。結合構象x的AP Cluster和Canonical clusters在圖上分別用aB和cB表示。通過比較aB、cB與au、cu，研究者們定義四種結合時的CDR構象變化類型：（1）Identical AP cluster（2）AP-cluster shift（3）Canonical-cluster shift（4）Non-canonical conformation。
表2. 構象變化類型定義
通過對結合和未結合的CDR構象進行分析，獲得如表3的數據，其中Sum (NR) 表示非冗余抗體的總和，其結合構象可以在未結合構象空間中找到，包括Identical-AP、AP-cluster shift和Canonical-cluster shift這三種類型。數據結果顯示除CDR-H3外，其他CDR環98%-100%的結合構象都能在未結合抗體中找到。而CDR-H3有87%的結合構象可追溯到未結合抗體，另有12%發生規范集群位移，11%出現全新構象。
表3. CDR構象變化類型的數據結果
圖6. 不同構象變化類型的示例圖
總的來說，這項研究否定了CDR環在結合時會發生顯著構象變化的觀點，為利用抗體未結合態結構進行復合物模擬和預測提供了有力數據支持。當然，作為抗體最靈活的區域，CDR-H3環仍有一定概率發生較大構象改變，這需要在后續研究中予以關注。
對于從事抗體藥物研發的工作者來說，了解CDR環在結合過程中的真實構象行為具有重要指導意義，有助于提高復合物模型預測的準確性，指導后續的分子設計，加速抗體藥物的開發進程。讓我們拭目以待更多的抗體結構Biology研究進展。
[1] 參考文獻：MAbs. 2024 Jan-Dec;16(1):2322533
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