在 抗体-01.认识抗体结构 中，我们已将 Fab 拆成 VH–CH1 与 VL–CL，并点出 互补决定区（Complementarity-determining region，CDR） 是抗原识别的核心。本文把镜头推进到 可变区（variable region） 本身：先讲 免疫球蛋白折叠（immunoglobulin fold） 的域级拓扑，再分别解剖 重链可变域（Variable region of heavy chain，VH） 与 轻链可变域（Variable region of light chain，VL），最后对照二者在 序列分区、环长分布、配对几何与基因来源 上的差异。配图均为 域球 + β 链 + 环区曲线 的科普示意，拓扑依据 Chothia–Lesk 与常见 Fab 高分辨率结构（如 PDB 1HZH），便于对照三维模型阅读。
段末注释：可变区 指每条链 N 端、序列高度可变的 Ig 折叠域；恒定区 在 C 端、序列相对保守；Fv（Fragment variable） = VH + VL，不含 CH1/CL。
读前说明
- 氨基酸编号若无特别说明，边界讨论以 IMGT（ImMunoGeneTics） 为主，并与 Kabat、Chothia 对照；读 PDB 时以结构文件残基序号为准。
- 本文聚焦 天然四链抗体的 VH/VL；单域抗体（如 VHH） 仅保留 VH 同源折叠，轻链相关段落可略读。
1. 可变区在 Fab 中的位置
每条 轻链 的 N 端是 VL，C 端接 CL；每条 重链 的 N 端是 VH，经 CH1 与轻链 CL 配对后，再经铰链进入 Fc。抗原结合位点（paratope，互补位）完全由 VH 与 VL 配对的 Fv 塑造——CH1–CL 稳定 Fab 下半部，但不直接参与表位识别。
从分子量看，单个可变域约 12–13 kDa，由 约 105–120 个氨基酸 构成；Fv 二聚约 25 kDa。与 恒定域 相比，可变域共享同一类 β 三明治（β-sandwich） 折叠，但表面伸出 六条高变环（重链 H1–H3、轻链 L1–L3）。
2. 免疫球蛋白折叠：可变域的「刚性骨架」
2.1 β 折叠片与疏水核心
每个 VH 或 VL 域呈 两层反平行 β 折叠片 夹 疏水核心 的经典 免疫球蛋白折叠。按 Chothia 命名，片 A 常含 A、B、E、D 链，片 B 含 C、C′、C″、F、G 链；两片刻面相对，中间堆叠疏水侧链。骨架区（Framework region，FR） 的氨基酸主要落在这套 β 链与转角上，维持折叠与 VH–VL 配对几何。
域内通常有一对 保守半胱氨酸 形成 二硫键，是识别 Ig 折叠域的标志之一（具体位点依 IMGT 编号，VH/VL 均保守）。
段末注释：β-sandwich 即两层 β 片像三明治一样夹住疏水核心；FR 为 CDR 之间的相对保守序列，占可变区序列约 50% 以上。
2.2 从折叠到功能的分工
| 分区 | 结构角色 | 序列特征 |
|---|---|---|
| FR1–FR4 | 维持 β 桶、界面堆积、规范环构象 | 相对保守，人源化时常「回复突变」 |
| CDR1–CDR3 | 伸向互补位，直接接触抗原 | 高变，由体细胞突变与 V(D)J 重组塑造 |
关键直觉：抗原识别不是整个域「乱晃」，而是 刚性 FR 骨架 上 柔性/高变 CDR 环 的组合优化；晶体学中 CDR 环的 B 因子（温度因子） 常高于 FR，提示局部柔性。
3. FR 与 CDR 的线性地图
3.1 四分法：FR1–CDR1–FR2–…–FR4
沿 N 端 → C 端，可变区可切成 4 段 FR 与 3 段 CDR 交替排列：
1 | N — FR1 — CDR1 — FR2 — CDR2 — FR3 — CDR3 — FR4 — C（接恒定域） |
VH 与 VL 采用 同一套分区逻辑，但各段 长度与保守性不同。下图以 IMGT 边界为参考给出相对宽度示意（具体起止残基依编号方案而变）。
3.2 三种常用编号与 CDR 边界
| 编号体系 | 特点 | 典型用途 |
|---|---|---|
| Kabat | 按序列变异性定义 CDR，历史最久 | 文献与数据库比对 |
| Chothia | 部分环（尤其 L1、H1）按结构叠合修正边界 | 结构建模、环构象分类 |
| IMGT | 统一免疫遗传学编号，gap 规则明确 | 序列数据库、克隆注释 |
实践建议：写方法学或做 CDR 移植时 必须注明方案；同一抗体在不同方案下 CDR 起止可能差 1–3 个残基，直接影响 人源化 与 亲和力成熟 的突变设计。
段末注释：CDR 移植 指将鼠源 CDR 序列嫁接到人源 FR 骨架；回复突变 在 FR 上少量回复鼠源残基以恢复亲和力或表达。
3.3 V(D)J 基因片段：可变区序列从何而来
可变区 的氨基酸序列并非由单一基因直接编码，而是在 B 细胞发育早期，由胚系 DNA 上的 基因片段（gene segment） 经 V(D)J 重组（V(D)J recombination） 剪切拼接而成。该过程由 重组激活基因（Recombination-activating gene，RAG） 蛋白复合体（RAG1/RAG2）识别 重组信号序列（Recombination signal sequence，RSS） 并催化 位点特异性 DNA 断裂与重新连接 完成。理解「哪段胚系 DNA 对应哪段 FR/CDR」，是把 免疫遗传学 与 §2–§3 的结构分区 对齐的关键。
段末注释：RAG 仅在淋巴发育早期表达；RSS 为片段旁侧的七聚体–间隔–九聚体信号，决定重排位点。
胚系基因座（人类，示意）
| 链 | 胚系座（染色体位置示意） | 片段类型 | 重排模式 |
|---|---|---|---|
| 重链 | IGH（14q32） | V~H（数十个）、D~H（十余个）、J~H（数个） | D–J 先连，再 V–DJ |
| 轻链 κ | IGK（2p11） | V~κ、J~κ | V–J |
| 轻链 λ | IGL（22q11） | V~λ、J~λ | V–J |
重排完成后，可变区外显子与 恒定区（C） 基因相连转录。Ig 类别（isotype） 由重链 C 区（Cμ、Cγ 等）决定；类别转换重组（class switch recombination，CSR） 发生在 V(D)J 之后，替换 Cμ 为 Cγ/Cα 等，不改变 已形成的 VH 序列。
段末注释：CSR 改变效应功能（如 IgM → IgG），保留同一 VH/VL 抗原特异性。
重链 VH：V、D、J 各贡献什么？
- V~H 基因：编码 FR1、CDR-H1、FR2、CDR-H2 及 FR3 的 5′ 部分——CDR-H1/H2 的序列主要来自所选 V 片段。
- D 基因（Diversity gene segment，D 片段）：仅存在于重链；其读框经重组插入后，构成 CDR-H3 的中央段，是 H3 长度与序列 多样性的核心来源之一。
- J~H 基因：编码 FR3 3′ 端、完整 CDR-H3 的 C 端部分与 FR4。
因此 CDR-H3 的氨基酸几乎 全部位于 V–D–J 连接区（junction）：V 的 3′ 末端 + D 片段（重链特有）+ J 的 5′ 末端，再经 末端核苷酸修剪（junctional trimming） 与 P 核苷酸 / N 核苷酸添加（P-/N-nucleotide addition） 进一步随机化——这也是 H3 在结构库中 长度 3–25+ aa、构象最难预测 的遗传学根源。
轻链 VL：V–J 两段，无 D
轻链 没有 D 基因。Vκ/Jκ 或 Vλ/Jλ 直接重组：
- CDR-L1、CDR-L2：主要来自 V 片段（与重链类似）。
- CDR-L3：完全由 V 3′ 端与 J 5′ 端 的连接区形成，经同样类型的 修剪与 N/P 添加 多样化，但 无 D 插入，故 L3 长度与变异度通常小于 H3。
同一抗体分子 两条轻链均为 κ 或均为 λ；κ/λ 比例 与 胚系 V 基因库大小 有关，但不改变 VL 折叠拓扑（见 §6.3）。
连接区多样性：结构后果一览
| 机制 | 发生位置 | 主要影响 |
|---|---|---|
| V/D/J 组合 | 胚系片段选择 | 库容：V×D×J（重链）或 V×J（轻链） |
| 连接区修剪 | 各片段末端 | CDR3 长度缩短、读框改变 |
| P-/N-核苷酸添加 | 连接处 | 非模板编码核苷酸，进一步随机化 |
| 体细胞超突变（SHM） | 生发中心，V 区 | 亲和力成熟；可波及 FR 与 CDR |
SHM 发生在 V(D)J 完成之后 的 生发中心（germinal center） 阶段，由 激活诱导的胞苷脱氨酶（AID） 等介导，不属于胚系重排本身，但会 改写 已形成的 CDR/FR 序列——读 亲和力成熟 文献时需与 初始 V(D)J 产物 区分。
段末注释：AID 亦参与 CSR；SHM 靶标为 V 区高变区附近 DNA。
4. VH–VL 配对：Fv 的二聚几何
4.1 相对取向与抗原裂隙
结晶学与溶液研究表明，VH 与 VL 通过 FR 界面 非共价配对，两域纵轴约呈 50° 相对旋转（不同 Fab 略有波动）。配对后在「上方」形成 抗原结合裂隙：六条 CDR 环伸向裂隙，包裹 表位（epitope）。
界面由 疏水堆积（如 VH Trp、VL Met/Tyr 等保守位点）、盐桥 与 氢键 稳定；FR3、FR4 均参与接触。完整 Fab 中，VH–VL 界面与 CH1–CL 界面 空间相邻，共同抵抗变性。
4.2 Fv 与 Fab 的边界
- Fv：仅 VH + VL，是 最小完整抗原结合单元（仍 单价）。
- Fab：Fv + CH1 + CL，蛋白水解（如 木瓜蛋白酶）或重组表达常用 Fab 作为检测与治疗片段。
工程上常把 (VH–VL) 用 柔性 linker 连成 单链 Fv（scFv）；折叠与配对几何仍服从 VH–VL 界面规则，但 linker 长度 影响 顺式/反式 异构与稳定性。
5. 六条 CDR 环：空间排布与规范结构
5.1 环的位置与长度量级
从 Fv 顶部俯视，H1/L1 分列界面两侧上方，H2/L2 更靠近域体中部，H3/L3 从界面底缘伸向抗原。CDR-H3 长度与构象空间 远大于 其余五条环，常贡献 paratope 接触面积的一半以上；CDR-L2 通常 最短（约 7 aa 量级），构象相对固定。
5.2 规范结构（canonical structure）
除 H3 外，多数 CDR 环的骨架构象可归类为有限的 规范结构类（canonical structure class），由 FR 长度 与 关键残基（如 Vernier zone 位点）决定。Chothia 等据此预测环主链走向；H3 则因 V–D–J 插入长度高度可变，成为 结构预测 与 计算设计 的难点。
| CDR | 典型长度（aa，Kabat 统计量级） | 构象可预测性 |
|---|---|---|
| L1 | 10–17 | 中–高（κ/λ 有差） |
| L2 | ~7 | 高 |
| L3 | 8–11 | 中–高 |
| H1 | 5–7 | 中–高 |
| H2 | 16–19 | 中 |
| H3 | 3–25+ | 低 |
段末注释：Vernier zone 指 FR 中影响 CDR 构象的「校正」残基；规范类编号见 Chothia 等原始文献与 Abysis、IMGT 工具。
6. VH 与 VL 的结构差异（重点对照）
二者 共享 Ig 折叠，差异主要体现在 基因组装来源、环长分布、界面细节与下游恒定域。
6.1 基因与多样性来源
胚系片段如何拼成 FR/CDR，见 §3.3 与 图 6；下表概括 VH vs VL 在遗传层面的对照：
| 项目 | VH | VL |
|---|---|---|
| 胚系座 | IGH：V |
IGK（κ）或 IGL（λ）：V + J |
| 重排模式 | D–J → V–DJ（无 D 轻链） | V–J 直接连接 |
| CDR1/2 来源 | 主要 V~H | 主要 V~κ 或 V~λ |
| CDR3 来源 | V + D + J 连接区 | V + J 连接区（无 D） |
| 多样性主因 | D 片段 + 连接区修剪/N 添加 + SHM | V/J 组合 + 连接区修剪/N 添加 + SHM |
| 恒定域衔接 | CH1（类别由 C~H 经 CSR 决定） | Cκ 或 Cλ |
H3 因 D 区插入 与 连接区随机化，成为 互补位深度与形状 的首要塑造者；轻链 L3 虽也位于 V–J 连接处，但 无 D 参与，长度与构象空间通常小于 H3。L1 在 κ 型中可较长，且 κ/λ 的 CDR-L1 边界 在 Kabat 与 Chothia 中处理不同——这部分是 V 基因库差异 的结构体现，而非 D 片段所致。
6.2 结构尺度与界面
- VH 略大于 VL（域高约 55 Å vs 50 Å 量级，依结构而变）。
- VH 界面 凹槽更深，Trp（Kabat H47 附近，IMGT 位点依序列而定）高度保守，与 VL 疏水侧链形成 「旋钮–孔」式堆积。
- VL 的 L2 环短而保守，使轻链侧互补位 表面相对更平；与 H3 的突出形成 不对称的 paratope。
6.3 κ 与 λ 轻链（结构视角）
同一抗体分子 两条轻链型别一致。κ 与 λ 的 VL 折叠同源，差异主要在 L1 长度分布、部分 FR 残基与 CL 结构；与 VH 配对的界面模式 高度相似，因此 Fv 晶体学 中常不区分 κ/λ，但在 序列比对与人源化 时需标明轻链型别。
6.4 与恒定域的衔接
FR4 C 端后，VH 进入 CH1，VL 进入 CL；两段恒定域亦为 Ig 折叠，但 无 CDR 式高变环。CH1–CL 界面与 VH–VL 界面 协同稳定 Fab；读 PDB 时可见 VL C 端 与 VH CH1 空间上包裹 Fv 一侧。
7. 从结构到实验：读 PDB 与建模提示
- 选代表结构：人源 Fab 如
1HZH、抗原复合物如7DK2（编号随需要检索更新），优先 X 射线 高分辨率条目。 - 先分链：重链 H、轻链 L；仅 Fv 时有时工程为 VH/VL 或单链。
- 标 CDR：用 IMGT 或 Abysis 自动标注，与文章图示对照。
- 看环：H3 电子密度是否完整；缺失常提示 柔性 或 多构象。
- 看界面：VH–VL 堆积是否因 晶体接触 扭曲；对比 apo 与 holo（抗原结合）结构中 CDR 的 诱导契合（induced fit）。
8. 小结
| 概念 | 一句话 |
|---|---|
| Ig 折叠 | 双层 β 片 + 疏水核心，FR 维持骨架 |
| CDR | 六条环塑造 paratope；H3 多样性最大 |
| VH–VL | ~50° 相对旋转，界面疏水堆积保守 |
| VH vs VL | 同源折叠；VH 来自 V–D–J，环长与界面凹槽不同 |
| V(D)J | 胚系 V/D/J（或 V/J）重排；CDR3 在连接区形成 |
| 编号方案 | Kabat / Chothia / IMGT 影响 CDR 边界与工程 |
参考与延伸阅读
- Chothia、Lesk 等：免疫球蛋白可变区 β 折叠 与 规范环 经典综述。
- IMGT 数据库：序列编号、胚系 V/D/J 注释与 CDR 定义。
- 上文 抗体-01.认识抗体结构：Fab/Fc、铰链与酶切。
- 免疫学教材：V(D)J 重组、CSR 与 SHM 章节（如 Abbas 等《细胞与分子免疫学》）。
- 后续可接：亲和力成熟 的突变扫描、人源化 策略、scFv/双特异性 的几何约束。
若你关心 CDR-H3 预测算法、κ/λ 人源化模板选择 或 与纳米抗体（VHH）折叠对比，可从本文 §5–§6 的环区与 VH/VL 差异两条线深入。