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单克隆抗体因其对于药物靶标分子的高度特异性和亲和力而在某些种类的疾病的治疗中受到越来越多的关注。大多数现有抗体类药物主要集中在恶性肿瘤和自身免疫疾病等的治疗以及器官移植后的免疫抑制之中。截至2006年，已经有35种抗体类药物通过了美国食品和药物管理局的认证，还有更多的抗体类药物在临床研究之中。本研究主要集中在对一些重要的抗体类药物以及潜在的抗体类药物的结构生物学研究，以期对其识别机制加以阐释，并对药物的开发提供结构基础。
第一部分主要涉及3株抗CD20类抗体药物的结构生物学研究。其中Rituximab(商品名Rituxan，嵌合的288抗体)是一种抗体类药物，最初被开发用于非霍奇金性淋巴瘤的治疗，后来被延伸应用于对其他类型的淋巴瘤和一些自身免疫性疾病的治疗。Rituximab的分子靶标是CD20，一个泛B细胞的细胞表面标记分子，它在从前B细胞到B细胞分化成浆细胞之间的这个阶段和B淋巴瘤细胞表面表达。另一抗CD20的嵌合抗体，即C2H7与Rituximab识别CD20分子上同一表位，尽管C2H7对CD20的亲和力比Rituximab低，而相应地具有较低的补体依赖性细胞杀伤作用和抗体依赖性细胞杀伤作用，但有充足的证据表明C2H7具有重要的潜在的药用价值。此外，2F2是一株全人源的抗CD20抗体，它不同于Rituximab和C2H7，识别CD20上一个完全不同的表位。我们分别测定了Rituximab的Fab片段与288肽段(CD20上Asn163到G1n187)复合物和C2H7的Fab片段与288肽段复合物的2.6埃分辨率的结构以及2F2的Fab片段的2.0埃分辨率的结构，这也是现在仅有的3个抗CD20抗体的结构。在Rituximab和C2H7与它们的抗原肽的复合物结构中，Fab片段呈经典的免疫球蛋白结构，而肽段则呈现出独特的环状构象。抗体的互补决定区L3、H1、H2和H3形成一个很深的结合口袋来容纳肽段的ANPS区域，具有很高的结构和化学的互补性。Rituximab和肽段之间的互补因子为0.83，而C2H7和肽段之间的互补因子是0.69。肽段的链内二硫键使得肽段呈现独特的环状构象，肽段上有一个刚性的Pro172残基，两者共同构成了抗体识别CD20地高度专一性的结构基础。通过对比这两个复合物结构，我们发现C2H7的互补决定区H3比Rituximab的大，这使得C2H7的H3相对于Rituximab的H3有一个向外的翻转，远离了相互作用界面，而肽段也向H3方向偏移而相对远离L3、H1和H2，这样C2H7和肽段之间作用力减弱，因此C2H7相对于Rituximab具有更低的亲和力和更小的互补因子。在Rituximab和肽段的复合物，抗原抗体之间形成了8个氢键，有97对原子参与范德华力作用；而在C2H7与肽段的复合物中，抗原抗体之间形成了2个氢键和1个潜在的盐键，有56对原子参与范德华力作用。我们所得到的结果不仅揭示了这两种抗CD20抗体对CD20识别专一性的结构基础，还阐明了两者之间亲和力不同的原因，揭示了CD20表位的结构，并为改造它们以得到新型的具有更高亲和力的抗体提供了有用的信息。此外，我们还解析了一株全人源抗CD20抗体2F2的Fab片段的晶体结构，其结构也呈经典的免疫球蛋白结构。2F2的表位是一段比较疏水的氨基酸序列，而在2F2的结构上，在抗体的VL和VH结构域之间有一个疏水的凹槽，推测这个疏水凹槽就是2F2结合抗体表位的位置。
第二部分主要涉及在类风湿关节炎和器官移植中应用的几株治疗性抗体药物的结构和功能研究。抗类风湿关节炎的抗体类药物大多是针对一些促进炎症的细胞因子的抗体。骨桥蛋白(OPN)和肿瘤坏死因子α(TNF-α)是两种参与炎症信号传递的细胞因子，针对这两个靶点的抗体类药物表现出了很好的前景。我们解析了一个新型抗OPN的抗体23C3与其抗原表位肽段复合物的2.8埃分辨率的晶体结构。复合物结构中，肽段呈两个连续的β-转角的结构，并且和抗体的互补决定区L1、L3、H1、H2和H3相互作用。抗原抗体间形成了9个氢键和1个盐键，有126对原子参与范德华力作用。抗体对抗原识别主要依赖于与抗原上Trp43的疏水性相互作用以及与Asp47的亲水性相互作用。23C3的一个重要的特征是抗体的框架区L2也参与了对抗原地识别。这对于抗体的后续人源化改造以及进一步地亲和力改进都提供了重要的结构信息。此外，我们还解析了一个抗TNF-α的抗体Adalimumab的Fab片段的2.2埃分辨率的结构。Adalimumab的Fab片段与TNF-α的复合物的结晶条件正在筛选中。抗体治疗的另一个重要的应用是在器官移植中降低机体的免疫能力，以减少机体对所植入器官的排斥反应。CD25是T细胞激活因子IL-2的受体的α亚基，用抗体封闭CD25可以抑制T细胞的激活，减少器官移植后的免疫排斥反应。目前已有两种抗CD25的抗体类药物通过FDA认证，即Basiliximab和Daclizumab。现有实验表明这两种抗体识别CD25上从116位到122位的同一个抗原表位。尽管我们还没有得到抗体与其抗原的复合物晶体，但是我们分别解析了Basliximab的Fab片段的2.4埃分辨率的结构和Daclizumab的Fab片段的2.5埃分辨率的结构。经过两者的对比我们发现，这两者在互补决定区的构象上有较大的不同，很有可能通过不同的机制来识别CD25。对于这两种抗体和CD25的复合物的晶体学研究正在进行中。