Antibodies | 牛抗体中Ultralong CDRH3的动态特性揭示广泛变构机制

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该研究通过19个牛抗体的分子动力学模拟，揭示了Ultralong CDRH3的动态特性及其与轻链的相互作用，为牛抗体的结构灵活性和功能优化提供了重要理论依据。

 

文献概述
本文《牛抗体中Ultralong CDR H3的比较分子动力学研究》，发表于《Antibodies》杂志，回顾并总结了19个具有超长互补决定区H3（ulCABs）的牛抗体。研究通过分子动力学（MD）模拟分析了ulCABs的构象稳定性、结构动态以及分子间相互作用，发现ulCABs的扩展结构在溶液中并不稳定，且其动态特性存在显著差异。此外，研究还观察到约一半的系统中存在CDRH3的knob结构与轻链（LC）的相互作用，为ulCABs的结构稳定性提供了新视角。

背景知识
ulCABs（牛抗体）具有超长的CDRH3区域，其knob结构通过二硫键稳定，通过β-链连接到抗体核心结构。在晶体结构中，这些stalk和knob区域通常以伸展构象存在，但晶体堆积效应可能限制其动态特征。本研究通过MD模拟分析19个ulCABs系统，探讨其在不同环境下的动态行为，包括构象变化、序列多样性以及与轻链的相互作用。此外，研究还关注如何利用这些动态特征优化mini-antibody设计，以提升其稳定性和结合能力，为抗体工程提供理论支持。

 

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研究方法与实验
19个ulCAB结构均来源于Protein Data Bank，通过结构比对分析其序列多样性。缺失的柔性残基通过ModLoop服务器进行补全，以确保结构完整性。所有系统在显式溶剂中进行微秒级MD模拟，并采用Amber 22力场进行能量最小化和系统平衡。模拟后分析包括RMSD计算、残基间距离分析、结合自由能分析（MM/GBSA）以及主链二面角波动（TAF）分析。此外，还利用cpptraj进行整体结构偏移分析，包括旋转和平移运动，以评估knob结构的动态特征。

关键结论与观点

• ulCABs的stalk–knob构象在晶体结构中呈伸展状态，但在溶液中并不稳定，显示显著构象变化。
• 约一半的系统中，knob结构与LC形成稳定的分子间相互作用，这些相互作用可能影响抗体构象稳定性。
• 不同ulCAB系统间，knob的偏移范围从9至32 Å不等，表明其动态特性依赖于具体系统。
• 构象变化的频率和幅度存在显著差异，表明其结构灵活性与序列多样性密切相关。
• 分子动力学模拟为ulCAB的结构灵活性提供了动态视角，有助于优化mini-antibody设计。

研究意义与展望
研究揭示了ulCABs的结构灵活性和构象动态特征，为理解抗体功能演化提供新思路。未来可通过设计稳定stalk–knob构象的变体，进一步验证其在抗原识别中的作用。此外，这些数据可用于优化抗体片段的稳定性，为抗病毒、抗肿瘤等应用提供结构基础。

 

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结语
本研究通过大规模分子动力学模拟，系统性地揭示了ulCABs中CDRH3的结构动态特征。结果表明，尽管晶体结构中CDRH3呈现伸展构象，但在溶液中，其构象存在显著灵活性，且不同系统间差异明显。此外，研究发现约半数系统中CDRH3的knob结构与LC形成稳定相互作用，可能在维持特定构象中发挥关键作用。这些发现为ulCABs的结构建模和抗体片段工程提供了重要线索，未来可通过引入稳定构象的突变或优化剪切位点，以提高mini-antibody的稳定性和结合效率。同时，这些数据也为开发针对特定抗原的抗体药物提供结构基础和设计策略。

 

Olena Denysenko, Anselm H C Horn, and Heinrich Sticht. Comparative Molecular Dynamics Study of 19 Bovine Antibodies with Ultralong CDR H3. Antibodies.