背景
抗体的互补决定区（CDR）是抗体序列和结构特征最多样化的区域，在抗体识别和结合免疫应答中发挥着最关键的作用。在过去的几十年里，已经引入了几种基于序列的编码方案，如Kabat、Chothia、AbM和IMGT等。然而，多种编码方案的存在导致了潜在的混淆，并且缺乏对这些方案的全面评估。
2024年12月4日，Antibodies（Basel）上发表了一篇名为“50 Years of Antibody Numbering Schemes: A Statistical and Structural Evaluation Reveals Key Differences and Limitations”的文章，该研究采用了统计分析来量化CDR编号方案的多样性差异。该研究揭示了抗体序列数据库中的区域序列和结构保守性，同时也凸显了不同编号方案引起的差异。这些见解为精确描述抗体CDR和抗体库的策略设计提供了有价值的指南，并对开发基于抗体的创新疗法和诊断具有实际意义。
Kabat编号方案
与框架相比，Kabat编号方案的CDRs残基显示出适度较低的保守水平，但有些残基比其他残基更多样化。整个可变域、框架区域和CDR的平均相对熵值分别为1.65、1.94和0.92。相对熵值越大，说明存在较少的变异或者相对更保守，通过相对熵分析，发现CDR区域的保守性低于框架区域。
不同编号方案分析
注释的CDR中的几个位置显示出显著的结构保守性。这些位置主要位于CDR环的两端。还发现了两个结构属性高度保守的区域：一个位于LCDR2中的L53到L56，另一个位于HCDR2中的H57到H65。这些区域与Kabat和AbM编号方案内指定为CDR的边界对齐，但不在Chothia和IMGT编号方案中。结构比对表明，这两个区域不属于环路区域，而是包含一个保守的β-sheet和一个扩展的环路结构。序列和结构的平行分析表明，Kabat和AbM在其CDR定义中比Chothia和IMGT包含更多的保守残基。Chothia和IMGT方案似乎都低估了LCDR2中包含的残基。
lambda轻链与kappa轻链显示出显著的同源性，但kappa和lambda轻链之间存在显著的差异。
LCDR1和HCDR1的氨基酸分布
在CDR1中观察到一个结构保守的“枢轴”点，位于L29和H30（或Kabat、AbM和Chothia中的H29），它将CDR1分为两个环，其侧链浸入两个β片之间的疏水口袋中。在kappa和lambda轻链结构之间观察到显著的结构差异，但在LCDR1区域内，两种类型均可观察到一个枢轴点，但在轻链和重链中表现出不同的氨基酸偏好。
CDR1区域内的C-末端环与N -末端相比显示出更大的序列多样性。其他研究也表明，与N末端环相比，C末端环与抗原的直接相互作用更为密切。这些发现共同表明，C末端环可能比N末端环表现出更多的CDR样特征。
氨基酸在框架和CDR中的分布
框架区：可变域内大芳香族氨基酸的总频率大约与整体蛋白质一致。Gly和Ser的频率显著增加，它们的出现率分别增加了80%和50%。缬氨酸（Val）和苏氨酸（Thr）在框架区的β-折叠结构中也较为常见，这与它们在β-折叠中的倾向性一致。色氨酸（Trp）在框架区中也较为常见。
CDR：Tyr的频率特别高。Tyr芳香环的存在与羟基结合，促进了与抗原形成各种类型的相互作用，包括H键和疏水相互作用。结果表明Tyr集中于直接与抗原结合的区域。Ser和Gly 都是CDR中普遍的氨基酸。Gly对形成环状结构有实质性的影响，而不是接触抗原。Gly在插入残基（如H100A）中显著富集，尤其是在HCDR3内。这些氨基酸可能不直接参与抗原相互作用，但可能在维持环结构和与溶剂分子相互作用中起辅助作用。
人源化影响
框架区的差异：轻链框架区1（LFR-1）和重链框架区3（HFR-3），这些区域在人与小鼠之间显示出较高的相对熵值，表明它们在序列上存在较大的差异。这些区域的氨基酸组成在小鼠抗体中与人类抗体的不同，因此在人源化过程中需要特别关注，以减少免疫原性。
重链框架区4（HFR-4），虽然整体相对熵值较低，但其中的个别位点（如H108和H109）仍表现出较高的相对熵值，提示在这些位点上可能存在潜在的人源化热点。
特定氨基酸位点的差异：L27B（Kabat编号）或L29（IMGT编号）位点在人与小鼠抗体中表现出显著的氨基酸分布差异。在人类抗体中，L27B位点更倾向于极性氨基酸，而在小鼠抗体中则以非极性氨基酸为主。这一差异是人源化过程中的一个重要考虑因素。
CDRs中的差异：LCDR1中的“支点”位点（L29），在人类抗体中更倾向于极性氨基酸（如Asn和Asp），而在小鼠抗体中则以非极性氨基酸为主。这种差异可能与人类和小鼠在λ轻链与κ轻链比例上的不同有关，人类的平均κ与λ轻链比为2：1，而在小鼠中较低。
抗体序列保守水平表征
大多数高度保守的氨基酸残基位于结构上也保守的区域，表明序列保守性和结构保守性之间存在密切对应关系，这为理解抗体功能与结构的关系提供了重要线索。存在一个由“RFSGSXSG”模式定义的显著保守的β-折叠，该折叠在轻链可变域中的保守性超过90%。在HCDR3中，某些位置（如H105、H106和H116）的氨基酸残基高度保守，这些残基的保守性可能与V（D）J基因的重排有关。
结论
利用各种编码方案对氨基酸频率和相对熵的研究，从序列保守性和多样性的角度对现有的编码方案进行了评估。发现没有一种编码方案完全包含所有中CDR最可变的残基，并且这些编码方案在包含相邻的类似框架的残基方面有所不同。特别是在LCDR1中，kappa链和lambda链之间的差异导致了围绕这一特性的编号不一致。这些发现可以帮助研究人员为其特定的研究目标选择最合适的编号方案。这些见解为准确定义抗体CDR和战略设计抗体库提供了有价值的指导，为开发基于抗体的创新疗法和诊断方法以解决和预防人类疾病提供了实际意义。
