ABSTRACT

Antibody variable domains contain “complementarity-determining regions” (CDRs), the loops that form the antigen binding site. CDRs1-3 are recognized as the canonical CDRs. However, a fourth loop sits adjacent to CDR1 and CDR2 and joins the D and E strands on the antibody v-type fold. This “DE loop” is usually treated as a framework region, even though mutations in the loop affect the conformation of the CDRs and residues in the DE loop occasionally contact antigen. We analyzed the length, structure, and sequence features of all DE loops in the Protein Data Bank (PDB), as well as millions of sequences from HIV-1 infected and naïve patients. We refer to the DE loop as H4 and L4 in the heavy and light chains, respectively. Clustering the backbone conformations of the most common length of L4 (6 residues) reveals four conformations: two κ-only clusters, one λ-only cluster, and one mixed κ/λ cluster. Most H4 loops are length-8 and exist primarily in one conformation; a secondary conformation represents a small fraction of H4-8 structures. H4 sequence variability exceeds that of the antibody framework in naïve human high-throughput sequences, and both L4 and H4 sequence variability from λ and heavy germline sequences exceed that of germline framework regions. Finally, we identified dozens of structures in the PDB with insertions in the DE loop, all related to broadly neutralizing HIV-1 antibodies (bNabs), as well as antibody sequences from high-throughput sequencing studies of HIV-infected individuals, illuminating a possible role in humoral immunity to HIV-1.

摘要

抗体可变域包含“互补决定区”（CDR），即形成抗原结合位点的环。CDRs1-3 被认为是规范的 CDRs。然而，第四个环与 CDR1 和 CDR2 相邻，并连接抗体 v 型折叠上的 D 和 E 链。这种“DE 环”通常被视为框架区，即使环中的突变会影响 CDR 的构象，并且 DE 环中的残基偶尔会接触抗原。我们分析了蛋白质数据库 (PDB) 中所有 DE 环的长度、结构和序列特征，以及来自 HIV-1 感染和未感染患者的数百万个序列。我们将重链和轻链中的 DE 环分别称为 H4 和 L4。对最常见的 L4 长度（6 个残基）的骨架构象进行聚类揭示了四种构象：两个 κ-only 集群、一个 λ-only 集群和一个混合 κ/λ 集群。大多数 H4 环的长度为 8，主要以一种构象存在；二级构象代表 H4-8 结构的一小部分。H4 序列变异性超过了原始人类高通量序列中抗体框架的变异性，来自 λ 和重种系序列的 L4 和 H4 序列变异性都超过了种系框架区的变异性。最后，我们在 PDB 中鉴定了数十个在 DE 环中插入的结构，均与广泛中和 HIV-1 抗体 (bNabs) 以及来自 HIV 感染者高通量测序研究的抗体序列有关，阐明了一种可能在对 HIV-1 的体液免疫中的作用。二级构象代表 H4-8 结构的一小部分。H4 序列变异性超过了原始人类高通量序列中抗体框架的变异性，来自 λ 和重种系序列的 L4 和 H4 序列变异性都超过了种系框架区的变异性。最后，我们在 PDB 中鉴定了数十个在 DE 环中插入的结构，均与广泛中和 HIV-1 抗体 (bNabs) 以及来自 HIV 感染者高通量测序研究的抗体序列有关，阐明了一种可能在对 HIV-1 的体液免疫中的作用。二级构象代表 H4-8 结构的一小部分。H4 序列变异性超过了原始人类高通量序列中抗体框架的变异性，来自 λ 和重种系序列的 L4 和 H4 序列变异性都超过了种系框架区的变异性。最后，我们在 PDB 中鉴定了数十个在 DE 环中插入的结构，均与广泛中和 HIV-1 抗体 (bNabs) 以及来自 HIV 感染者高通量测序研究的抗体序列有关，阐明了一种可能在对 HIV-1 的体液免疫中的作用。来自 λ 和重种系序列的 L4 和 H4 序列变异性都超过了种系框架区的变异性。最后，我们在 PDB 中鉴定了数十个在 DE 环中插入的结构，均与广泛中和 HIV-1 抗体 (bNabs) 以及来自 HIV 感染者高通量测序研究的抗体序列有关，阐明了一种可能在对 HIV-1 的体液免疫中的作用。来自 λ 和重种系序列的 L4 和 H4 序列变异性都超过了种系框架区的变异性。最后，我们在 PDB 中鉴定了数十个在 DE 环中插入的结构，均与广泛中和 HIV-1 抗体 (bNabs) 以及来自 HIV 感染者高通量测序研究的抗体序列有关，阐明了一种可能在对 HIV-1 的体液免疫中的作用。