Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
La diffraction des rayons X par des monocristaux est la méthode par excellence pour la détermination des structures tridimensionnelles des macromolécules biologiques à l’échelle atomique. Cet article couvre le processus de détermination des phases, l’un des 3 problèmes majeurs de la biocristallographie, la construction et l’affinement de la structure dans les cartes de densité électronique et les méthodes de validation des structures. Les avancées technologiques et méthodologiques permettent de résoudre les cas simples de manière de plus en plus automatisée et de reculer continuellement les limites des questions abordables par biocristallographie.
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Jean CAVARELLI : Professeur de biophysique structurale - Centre européen de biologie et génomique structurales - Université de Strasbourg - IGBMC, Strasbourg-Illkirch
INTRODUCTION
Dans ce dossier comprenant les articles [P 1 110] et [P 1 111], le processus de détermination d'une structure biologique par diffraction des rayons X sur des microcristaux a été schématiquement divisé en six étapes : obtention de la macromolécule à l'état pur (où des macromolécules dans le cas d'assemblages), cristallisation, collecte de données de diffraction, phasage, construction du modèle par interprétation des cartes de densité électronique, affinement et validation de la structure.
La deuxième partie de l'article va de la détermination des phases, l'un des problèmes majeurs de la biocristallographie, aux méthodes de contrôle-qualité des structures. Ces étapes se caractérisent actuellement par l'utilisation de méthodes mathématiques compliquées dans des programmes de plus en plus automatisés et d'utilisation simple. Au cours des dernières années, des avancées technologiques majeures ont été ainsi réalisées et permettent, dans les cas simples, de résoudre rapidement et avec un minimum d'intervention humaine une structure 3D. Toutes ces avancées permettent aux structuralistes d'attaquer des problèmes de plus en plus complexes (protéines peu structurées, assemblages de protéines et/ou d'acides nucléiques en édifices ou entités fonctionnelles de haut poids moléculaires, complexes transients).
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- Version courante de déc. 2018 par Jean CAVARELLI
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Cartes de densité électronique4. Remplacement moléculaire
Le terme de remplacement moléculaire représente une famille de techniques dont l'objet est d'utiliser la présence d'une macromolécule, d'une sous-unité de macromolécule, ou d'un fragment de macromolécule, dans différents environnements cristallographiques, pour déterminer ou améliorer des phases initiales. C'est la méthode de choix lorsque la macromolécule à étudier (molécule cible) est parente à une autre dont la structure tridimensionnelle est connue (molécule sonde). Ce qui est important ici est la parenté structurale, c'est-à-dire la similitude du repliement tridimensionnel. Cette similarité structurale est en général mise en évidence par des méthodes d'analyse des séquences. La méthode du remplacement moléculaire n'utilise que les modules des facteurs de structures de la protéine native sans nécessité l'ajout d'atomes supplémentaires. Pour utiliser cette méthode, on doit disposer :
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d'un espace complet de diffraction pour la molécule X dont on cherche à déterminer la structure tridimensionnelle ;
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de la structure d'une molécule M que l'on suppose être parente à X, c'est-à-dire que les deux molécules sont supposées avoir un repliement tridimensionnel commun (partiellement ou complètement).
Le terme remplacement moléculaire est à vrai dire impropre et on devrait plutôt utiliser le terme de placement moléculaire car il s'agit en fait de placer une molécule connue dans la maille cristalline de la molécule à résoudre. Chaque molécule dans l'unité asymétrique est caractérisée par son orientation et sa position, soit par 6 paramètres. Si l'unité asymétrique contient N molécules, il y a donc 6 N paramètres à déterminer. Ce problème est actuellement résolu par deux types de méthodes :
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des algorithmes fondés sur la recherche de similitudes entre la fonction de Patterson de la molécule cible et la fonction de Patterson de la molécule sonde (appelés ici pour simplifier « méthode de placement type A », MPA) ;
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des méthodes cherchant à déterminer simultanément les 6 paramètres de la molécule sonde (MP type B, MPB). Deux types d'algorithmes sont utilisés :
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une recherche systématique dans l'espace de dimension 6,
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des algorithmes stochastiques de deux familles : les algorithmes génétiques...
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Remplacement moléculaire
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - AUTHIER (A.) - Cristallographie géométrique. - [A 1 305] Physique Chimie (1993).
-
(2) - JEANNIN (Y.) - Résolution d'une structure cristalline par rayons X. - [P 1 075] Techniques d'analyse (1998).
-
(3) - JEANNIN (Y.) - Détermination de structure cristalline par rayons X : méthodes numériques. - [P 1 076] Techniques d'analyse (1996).
-
(4) - BROLL (N.) - Caractérisation de solides cristallisés par diffraction X. - [P 1 080] Techniques d'analyse (1996).
###
Les articles ci-dessous développent, illustrent et complètent, certains aspects présentés dans cette revue :
LASKOWSKI (R.A.) - THORNTON (J.M.) - Understanding the molecular machinery of genetics through 3D structures. - Nat. Rev. Genet., 9(2), p. 141-151, fév. 2008.
ALBER (F.) - ORSTER (F.) - KORKIN (D.) - TOPF (M.) - SALI (A.) - Integrating Diverse Data for Structure Determination of Macromolecular Assemblies. - Annu. Rev. Biochem., 77, p. 443-477 (2008).
CHRUSZCZ (M.) - WLODAWER (A.) - MINOR (W.) - Determination of Protein Structures. A Series of Fortunate Events. - Biophysical Journal, vol. 95, p. 1-9, juil. 2008.
WLODAWER (A.) - MINOR (W.) - DAUTER (Z.) - JASKOLSKI (M.) - Protein crystallography for non-crystallographers. - FEBS Journal, 275 (1), p. 1-21, janv. 2008.
MINOR (D.L.) Jr - The Neurobiologist's Guide to Structural Biology : A Primer on Why Macromolecular Structure Matters and How to Evaluate Structural Data. - Neuron, 54, p. 511-533, 24 mai 2007.
SCHMIDT (A.) - LAMZIN (S.) - From atoms to proteins. - Cell. Mol. Life Sci., 64, p. 1959-1969 (2007).
Pour une étude approfondie, on pourra consulter les revues de synthèse ci-dessous
Crystallography of complexes. - Acta Cryst D63, Part 1, janv. 2007.
Structural Proteomics IN Europe. - Acta Cryst D62, Part 10, oct. 2006.
Data collection and analysis. - Acta Cryst D62, Part 1, janv. 2006.
Model building and refinement. - Acta Cryst D62, vol. 11, déc. 2004.
Experimental Phasing. - Acta Cryst D59, vol. 11, nov. 2003.
High-throughput structure determination. - Acta Cryst D58, vol. 11, nov. 2002.
Une bibliographie plus générale en biologie structurale
* - http://www.bio3d-igbmc.u-strasbg.fr/
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