2. 抗体结构与功能基础
抗体人源化的所有设计决策，最终都要落到IgG的分子结构上。如果对结构域边界、CDR/FR的划分规则、抗原结合面的构象特征以及Fc端的效应功能缺乏清晰认识，后续的序列改造就只能是"照模板替换"，无法解释为什么某些回补突变必须保留、为什么某些糖基化位点不能动。本节把IgG的结构骨架拆解到可直接用于序列标注和数据库检索的粒度。
一、IgG的整体结构域组成
一个完整的IgG单体由两条相同的重链（约450个氨基酸）和两条相同的轻链（约214个氨基酸）通过二硫键连接成Y形对称结构。按从N端到C端的方向，重链依次为VH、CH1、铰链区、CH2、CH3；轻链依次为VL、CL。每条链折叠成若干个免疫球蛋白折叠域（Ig domain），每个域约110个氨基酸，由两个反向平行的β片层夹一个内部二硫键构成。
功能上，IgG可划分为三个模块：
- Fab段（Fragment antigen-binding）：由VH+CH1与VL+CL组成，负责识别和结合抗原。每个IgG有两个Fab，因此是二价结合。
- 铰链区（Hinge）：位于CH1与CH2之间，富含脯氨酸和半胱氨酸，赋予两个Fab臂柔性，使抗体能适应不同间距的表位。IgG1、IgG2、IgG4的铰链长度和序列不同，IgG3铰链最长且含多个重复片段。
- Fc段（Fragment crystallizable）：由CH2+CH3组成，介导效应功能，包括与FcγR结合、激活补体、与FcRn结合延长半衰期。
需要特别注意的是，CH1与CL之间、VH与VL之间通过疏水界面配对，而CH2与CH3之间是同一重链内部的配对。CH2域表面有一条约N297的糖基化位点（IgG1编号），该糖链直接影响FcγR亲和力，是人源化改造中必须保留的位点。
二、CDR与FR的界定规则
可变域（VH、VL）中，序列变异程度并非均匀分布。Kabat等人通过统计大量抗体序列发现，存在三个高变区（CDR1、CDR2、CDR3）和四个相对保守的框架区（FR1、FR2、FR3、FR4）。CDR构成抗原结合面，FR则作为支架维持CDR的空间构象。
目前常用的CDR界定体系有三套，边界略有差异：
| 体系 | 依据 | 典型用途 |
|---|---|---|
| Kabat | 序列变异度 | 经典CDR移植，CDR-H3定义最宽 |
| Chothia | 结构环位置 | 结构建模、环区构象分析 |
| IMGT | 免疫遗传学标准 | 数据库统一编号，跨物种比较 |
以VH为例，Kabat定义下CDR-H1为31–35，CDR-H2为50–65，CDR-H3为95–102；而IMGT定义下CDR-H1为27–38，CDR-H2为56–65，CDR-H3为105–117。差异最大的是CDR-H3，因为该区由V-D-J重排产生，长度和序列高度可变，也是抗原识别特异性的主要决定因素。
在人源化实践中，界定规则的选择直接影响移植范围。若采用Kabat，CDR-H1只包含31–35，可能遗漏35a–35b等参与结合的位置；若采用IMGT，则会把更多结构环纳入CDR。工程上通常以一套体系为主，同时用另一套体系交叉核对关键接触残基，避免漏掉真正参与结合的位点。
三、抗原结合位点的构象特征
CDR并非各自独立，而是通过FR支架组织成一个连续的抗原结合面。六个CDR（VH三个、VL三个）在空间上聚集，形成约600–900 Ų的接触界面。其中CDR-H3位于中心，贡献最大的接触面积和最多的氢键/盐桥，CDR-L3和CDR-H2次之。
结合面的构象具有以下特点：
- 环区柔性：CDR-H3尤其柔韧，结合前后可能发生构象变化（诱导契合）。
- 芳香族残基富集：Tyr、Trp、Phe在CDR中比例显著高于普通蛋白表面，提供π–π堆积和疏水接触。
- 电荷互补：抗原表位带正电时，CDR常富集Asp/Glu，反之亦然。
这些特征意味着，人源化时不能只看序列同源性，还要评估移植后CDR的构象是否被FR支架正确支撑。如果人源FR与鼠源FR在CDR根部附近的关键残基（如VH的49、69、71、73、78位）差异过大，CDR环可能发生偏移，导致亲和力下降。这正是"回补突变"策略的结构依据。
四、Fc效应功能的结构基础
Fc段不是被动的"尾巴"，而是抗体发挥治疗功能的重要部分。其效应功能主要包括：
- ADCC（抗体依赖细胞介导的细胞毒作用）：Fc与NK细胞表面的FcγRIIIa结合，触发NK细胞释放穿孔素和颗粒酶。关键结合位点位于CH2域下铰链区，涉及Leu234、Leu235、Gly236、Ala327、Pro329等残基。
- CDC（补体依赖的细胞毒作用）：Fc与C1q结合，启动补体经典途径。C1q结合位点位于CH2表面的电荷簇，涉及Glu318、Lys320、Lys322等。
- FcRn介导的半衰期延长：Fc与新生儿Fc受体FcRn在酸性内体中结合，避免被溶酶体降解，再循环回细胞表面。关键位点位于CH2-CH3界面，涉及Ile253、His310、His435等。
人源化改造中，如果目标只是保留抗原结合能力而消除效应功能，可引入L234A/L235A（"LALA"）突变；如果需要增强ADCC，可引入S239D/I332E等突变。这些决策都建立在对Fc结构-功能关系的理解之上。
五、结构-功能关系数据库资源
实际工作中，以下数据库是查询IgG结构、序列编号和功能注释的常用起点：
| 资源 | 内容 | 典型用途 |
|---|---|---|
| IMGT/3Dstructure-DB | 抗体序列、结构、IMGT编号 | 标准化编号、CDR边界查询 |
| PDB | 实验解析的抗体-抗原复合物结构 | 结合面分析、构象观察 |
| SAbDab | 抗体结构摘要与配对接 | 快速检索抗体结构及抗原 |
| AbYsis | 抗体序列分析、编号、人源化评估 | 序列注释与种系比对 |
| UniProt | 蛋白序列与功能注释 | 获取恒定区参考序列 |
使用这些资源时，建议先确定编号体系（IMGT或Kabat），再统一提取CDR和FR边界。例如，在IMGT/3Dstructure-DB中检索一个Fab结构，可以直接获得按IMGT编号标注的CDR1/2/3位置，并与PDB结构中的实际接触残基对照，验证哪些CDR位置真正参与了抗原结合。这种"序列编号+结构接触"的双重确认，是人源化设计中避免盲目移植的关键步骤。