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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 Biologie Structurale, - Université de Strasbourg, - Département de Biologie Structurale Intégrative, - IGBMC, CNRS UMR 7104-Inserm U 1258, Strasbourg-Illkirch, France
INTRODUCTION
Le processus de détermination d’une structure de macromolécule biologique par diffraction des rayons X sur des cristaux est généralement schématiquement divisé en six étapes : obtention de la macromolécule à l’état pur (ou des macromolécules dans le cas d’assemblages), cristallisation, collecte de données de diffraction, phasage, construction de la structure cristallographique par interprétation des cartes de densité électronique, affinement et validation de la structure. La purification de la (ou des) macromolécule(s) et l’obtention de cristaux de qualité (limite de diffraction meilleure que 3 Å) sont les deux premières étapes limitantes d’un projet structural. Ces étapes sont décrites dans l’article [P 1 110].
Cet article va de la détermination des phases, le troisième problème majeur de la biocristallographie, aux méthodes de contrôle-qualité des structures obtenues. Ces étapes se caractérisent actuellement par l’utilisation de méthodes mathématiques sophistées, implémentées dans des programmes de plus en plus automatisés et d’utilisations très simples. L’exploitation en routine de la diffusion anomale a révolutionné le problème des phases. Au cours des dernières années, des avancées méthodologiques majeures, accompagnées par des moyens informatiques de plus en plus performants aujourd’hui accessibles sur un ordinateur personnel, permettent, dans les cas simples, de résoudre rapidement une structure 3D à partir d’un nombre très limité de cristaux, parfois de très petites tailles (quelques micromètres) et cela avec un minimum d’intervention humaine. Toutes ces avancées permettent aux structuralistes de reculer continuellement les limites des problèmes abordables par biocristallographie.
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- Version archivée 1 de sept. 2009 par Jean CAVARELLI
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Utilisation de la diffusion anomale
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2. Méthode de la série isomorphe
Introduite en 1954 grâce au travail de pionnier de Max Perutz, cette méthode a permis l’essor de la cristallographie biologique. Elle consiste à introduire dans le cristal natif un ou plusieurs atomes à numéro atomique élevé (atomes lourds) qui vont donc perturber les intensités et les phases des réflexions par rapport à la structure initiale.
Cette méthode est néanmoins de plus en plus remplacée par la méthode SAD/MAD (§ 3). Pour la résolution d’une structure, on essaie de se placer le plus possible dans une optique SAD/MAD, que les diffuseurs anomaux soient déjà présents dans la structure ou qu’ils aient été introduits par une logique de type « atomes lourds ».
2.1 Détermination des phases : cas idéal
Notons P la structure tridimensionnelle d’une macromolécule et supposons que l’on ajoute à la structure P un nombre d’atomes supplémentaires correspondant à une structure notée D. On appelle P la structure native et (P + D) la structure dérivée. On suppose aussi que le cristal natif et le cristal dérivé sont isomorphes, ce qui signifie que :
-
la symétrie cristallographique et les paramètres cristallins sont conservés ;
-
la molécule n’a subi ni rotation ni translation dans la maille.
Les changements dans la densité électronique de la molécule native consistent alors uniquement en une addition de densité électronique pour les positions de l’espace occupées par les atomes supplémentaires introduits. Pour chaque réflexion hkl, on peut alors écrire :
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Méthode de la série isomorphe
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GRIMES (J.M.), HALL (D.R.), ASHTON (A.W.), EVANS (G.), OWEN (R.L.), WAGNER (A.), McAULEY (K.E.), VON DELFT (F.), ORVILLE (A.M.), SORENSEN (T.) et al - Where is crystallography going? - Acta Crystallogr D. Struct. Biol., 74, p. 152-166 (2018).
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(2) - MACKAY (J.P.), LANDSBERG (M.J.), WHITTEN (A.E.), BOND (C.S.) - Whaddaya know: a guide to uncertainty and subjectivity in structural biology. - Trends in Biochemical Sciences, 42, p. 155-167 (2017).
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(3) - SAYERS (Z.), AVSAR (B.), CHOLAK (E.), KARMOUS (I.) - Application of advanced X-ray methods in life sciences. - Biochimica et biophysica acta., 1861, p. 3671-3685 (2017).
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(4) - CHENG (R.K.Y.), ABELA (R.), HENNIG (M.) - X-ray free electron laser: opportunities for drug discovery. - Essays Biochem, 61, p. 529-542 (2017).
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(5) - SPENCE (J.) - XFELs for structure and dynamics in biology. - IUCrJ, 4, p. 322-339 (2017).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Biologie structurale intégrative
-
à l’échelle européenne, Instruct-ERIC https://www.structuralbiology.eu
-
une infrastructure francaise, FRISBI http://frisbi.eu
Pipelines de références en biocristallographie
-
CCP4. Une chaîne de programmes collaborative http://www.ccp4.ac.uk
-
Phenix http://www.phenix-online.org
-
Global Phasing Limited http://www.globalphasing.com
-
HKL3000 http://www.hkl-xray.com
Accès aux données
-
Base de données PDB (RCSB) http://www.rcsb.org
-
Comprendre la PDB https://pdb101.rcsb.org
Bibliographie plus générale
http://jean.cavarelli.free.fr/bsi/progs/xray_progs.html
HAUT DE PAGE
Collecte de données :
• HKL2000/HKL3000, MOSFLM, XDS
• systèmes experts: xia2, autoproc
Phasage MIR, MAD, SAD
• SHARP, SOLVE, CRANK2,SHELX
Remplacement moléculaire :
• Phaser, Molrep, AMoRe, ARCIMBOLDO
• systèmes...
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