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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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Détermination des structures à haut débit8. Base de données PDB
Les structures tridimensionnelles sont déposées dans une base de données spécialisée, appelée « Protein Data Bank » (PDB, RSCB), située actuellement aux États-Unis (Rutgers, New Jersey) ( http://www.rcsb.org/pdb/). Cette base de données est d'accès libre et gratuit et permet à la communauté internationale d'avoir accès aux coordonnées des structures résolues. Le dépôt des coordonnées d'une macromolécule est devenu une condition préalable à la publication des travaux de recherche dans une revue internationale de haut niveau. Il faut se rappeler que les publications sont le critère premier de jugement du travail scientifique d'un chercheur du secteur public. Le dépôt de coordonnées est une pratique moins courante dans le monde industriel où, au contraire, on ne souhaite pas communiquer aux compétiteurs les données si précieuses que constituent les coordonnées atomiques d'une structure. En 2007, 7 272 structures nouvelles ont été déposées, soit en moyenne près de 20 structures par jour. À la date de remise à jour de cette revue (octobre 2008), la PDB contenait 53 521 structures dont 85 % de structures cristallographiques.
Chaque macromolécule est répertoriée dans la PDB par un nom de code arbitraire et est accessible via une interface graphique simple et performante. Chaque entrée (*) de la PDB contient :
-
les coordonnées atomiques des atomes et leurs paramètres de déplacements associés ;
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des informations techniques simples et concises sur la méthode de détermination de la structure ;
-
un certain nombre de critères de validation ;
-
de nombreux liens vers d'autres bases de données spécialisées qui permettent de rassembler et d'organiser un maximum de connaissances biologiques, structurales et fonctionnelles sur la macromolécule d'intérêt.
(*) Pour le format utilisé dans ce fichier, voir la documentation à http://www.wwpdb.org/docs.html
À partir de la structure 3D connue, analysée et commentée, la base de données PDB cherche à être un lien privilégié pour accéder à de nombreuses autres bases de données biologiques pour permettre une corrélation entre la séquence, l'évolution de la séquence, la structure...
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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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