抗体正日益成为重要的药物，目前在美欧两地已有136种抗体药物获批上市。在抗体药物开发过程中，常常需要调节抗体与抗原的亲和力。因此，对抗体-抗原复合物的结构进行建模与预测就显得尤为重要。而抗体上关键的抗原结合区域主要由6个CDR环构成，这些环在结合过程中是否会发生构象改变，一直存在争议。
图1. 抗体结构示意图
为系统解答这个问题，英国伦敦大学学院的Chu’nan Liu等人在最新一期的《mAbs》期刊上发表了一项大规模研究。他们根据抗体结构数据库AbDb（www.bioinf.org.uk/abs/abdb/）的抗体结构数据构建了一个名为AbAgDb的数据集，涵盖了177个高质量的抗体结构，这些抗体均同时具有结合抗原和未结合抗原的构象。
图2. 该项研究文章截图
研究人员对数据集质量控制极为严格。在构建数据集时，研究人员采取了极为严格的质量控制标准，具体如下：
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保留分辨率至少为2.8Å的结构；
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要求同时包含完整的重链和轻链可变区域(Fv)；
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剔除有残基缺失、较高B-factor或有非脯氨酸顺式残基的CDR环；
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剔除结合/未结合态框架区Cα位移超过1.0Å的抗体，并进行结构比对及人工筛查。
图3. AbAgDb数据集筛选过程
根据如此严格的标准，研究者对抗体结合抗原的构象进行了筛选，最终获得了177个同时有结合和未结合抗原构象的抗体。177个抗体对应了749个AbDb结构，在749个AbDb结构中，有369个抗体未结合抗原，380个抗体结合抗原，确保了数据集的极高质量，为下一步分析打下坚实基础。
研究人员通过计算CDR环Cα原子的均方根偏差（RMSD）来衡量抗体结合抗原前后的构象变化程度。他们区分了全局拟合RMSD和局部拟合RMSD，前者反映CDR环相对于框架区的总体位移，后者则单纯反映CDR环本身的构象变化情况。
值得一提的是，为最小化框架区运动的影响，全局拟合时重链CDR只对重链框架区进行拟合，而轻链CDR只对轻链框架区拟合。
通过分析，研究人员发现除了CDR-H3环，其余CDR环在结合时局部构象变化都相当小：
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98.5%的CDR环构象变化小于1.0埃；
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99.5%的变化小于2.0埃。
而相对活跃的CDR-H3环，局部构象也有83.6%的变化在1.0Å之内，94.9%的变化在2.0Å之内。
图4. 抗体CDR构象变化分布的全局和局部拟合情况
表1. 非CDR-H3环和CDR-H3环的全局构象和局部构象Cα拟合结果
研究者还对未结合状态下的CDR构象（包含六个CDR类型：CDR-L1、CDR-L2、CDR-L3、CDR-H1、CDR-H2和CDR-H3）进行主链扭转角度的聚类，创建AP clusters，之后进行笛卡尔聚类合并，创建Canonical clusters。通过比较aB、cB与au、cu（见图6和表2），将结合时的构象变化分类为四类：
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Identical AP cluster：结合构象与未结合构象合并到相同的AP Cluster中；
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AP-cluster shift：结合构象与未结合构象在同一Canonical clusters中的不同AP Cluster合并；
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Canonical-cluster shift：结合构象与未结合构象在不同于未结合构象的规范类中的AP Cluster合并；
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Non-canonical conformation：x未与任何AP Cluster或canonical clusters合并。
图5. 构象变化分类示意图
图5展示了两个Canonical clusters，标记为c1和c2（灰色阴影区域）。每个Canonical clusters由AP Cluster组成（即，蓝色和橙色节点）。未结合构象的AP Cluster标记为au，其Canonical clusters表示为cu，在这种情况下为c1。结合构象x的AP Cluster和Canonical clusters在图上分别用aB和cB表示。通过比较aB、cB与au、cu，研究者们定义四种结合时的CDR构象变化类型：（1）Identical AP cluster（2）AP-cluster shift（3）Canonical-cluster shift（4）Non-canonical conformation。
表2. 构象变化类型定义
通过对结合和未结合的CDR构象进行分析，获得如表3的数据，其中Sum (NR) 表示非冗余抗体的总和，其结合构象可以在未结合构象空间中找到，包括Identical-AP、AP-cluster shift和Canonical-cluster shift这三种类型。数据结果显示除CDR-H3外，其他CDR环98%-100%的结合构象都能在未结合抗体中找到。而CDR-H3有87%的结合构象可追溯到未结合抗体，另有12%发生规范集群位移，11%出现全新构象。
表3. CDR构象变化类型的数据结果
图6. 不同构象变化类型的示例图
总的来说，这项研究否定了CDR环在结合时会发生显著构象变化的观点，为利用抗体未结合态结构进行复合物模拟和预测提供了有力数据支持。当然，作为抗体最灵活的区域，CDR-H3环仍有一定概率发生较大构象改变，这需要在后续研究中予以关注。
对于从事抗体药物研发的工作者来说，了解CDR环在结合过程中的真实构象行为具有重要指导意义，有助于提高复合物模型预测的准确性，指导后续的分子设计，加速抗体药物的开发进程。让我们拭目以待更多的抗体结构Biology研究进展。
[1] 参考文献：MAbs. 2024 Jan-Dec;16(1):2322533
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