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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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Macromolecular X-ray crystallography is the method of choice for determining the structure of soluble biological samples at atomic resolution. This article deals with the determination of phases, an essential stage in biocrystallography, the construction and refinement of the crystal structure through the interpretation of electron density maps and the methods of structure validation. Thanks to technological and methodological advances, easy cases can now be solved with minimal human interventions, and difficult structures that would once have been elusive can now be addressed.
Auteur(s)
-
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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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
crystallography | phasing | refinement | validation
VERSIONS
- Version archivée 1 de sept. 2009 par Jean CAVARELLI
DOI (Digital Object Identifier)
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Cartes de densité électronique
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4. 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). Environ 60 % des structures actuellement déposées à la PDB (§ 8) ont été résolues par cette méthode de phasage. Ce qui est important ici, c’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 d’ajout d’atomes supplémentaires. Pour utiliser cette méthode, on doit disposer :
-
d’un espace complet de diffraction pour la molécule X dont on cherche à déterminer la structure tridimensionnelle ;
-
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 s’agit donc d’un problème...
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Remplacement moléculaire
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).
-
(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,...
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