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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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Validation et contrôle qualité des structures
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6. Affinement d’une structure cristallographique
6.1 Préambule
Le but de l’affinement d’une structure cristallographique est non seulement d’améliorer le modèle construit en termes de positions atomiques lors des étapes précédentes mais aussi de déterminer les paramètres caractérisant les mouvements des atomes, afin de représenter au mieux la (ou les) structure(s) présentes dans le cristal. D’une façon générale, l’affinement d’une macromolécule biologique est un processus d’optimisation non linéaire d’une certaine fonction (à définir) dépendant de paramètres et reposant sur des observations.
Schématiquement quatre parties sont à considérer :
-
la fonction de score à optimiser, qui relie les paramètres du modèle mathématique de la structure cristalline et les données expérimentales ;
-
les observations disponibles ;
-
les paramètres (variables) de la fonction, qui construisent le modèle mathématique de l’expérience et en particulier la structure de la macromolécule ;
-
le processus mathématique d’optimisation, qui gouverne les modifications des paramètres pour obtenir un meilleur accord avec les observations (et leurs erreurs).
Dans l’affinement cristallographique, les observations correspondent à tout ce qui est connu sur le cristal avant l’étape d’affinement :
-
les paramètres cristallins ;
-
les modules des facteurs de structures (dont le nombre est fixé par la limite de diffraction du cristal) ;
-
la stéréochimie des macromolécules étudiées ;
-
éventuellement les phases expérimentales initiales.
Les paramètres à optimiser sont le plus souvent les positions atomiques et les paramètres de déplacements atomiques. Ces derniers modélisent le désordre statique et dynamique des atomes et sont généralement connus sous le terme de facteurs de Debye-Waller et facteurs d’occupation.
La fonction à optimiser s’exprime le plus souvent de deux manières : soit sous forme de résiduels de moindres carrés ou de pseudo-fonction d’énergie empirique associée, soit sous forme d’un maximum de vraisemblance. Plusieurs méthodes d’optimisation ont été utilisées. La première famille de technique...
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Affinement d’une structure cristallographique
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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