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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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Programmes en biocristallographie
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9. État des lieux et développements
On pourrait dire de manière simpliste que la collecte des données de diffraction (traitée dans le premier article [P 1 110]) est la dernière étape expérimentale en biocristallographie. En effet, si les données sont de qualité suffisante (diffraction des cristaux, redondance, complétude) et si l’information pour résoudre le problème de phase est présente, le reste est constitué d’étapes où l’intervention humaine est de nos jours réduite au minimum. La plupart des étapes ont été automatisées, « robotisées » et contrôlées par des programmes le plus souvent organisés en pipeline. Ces pipelines intègrent l’ensemble du processus cristallographie à l’aide d’interfaces graphiques, permettant la résolution d’une structure cristallographique avec une intervention humaine la plus souvent réduite à quelques points cruciaux de décision. Derrière ces interfaces se cachent des algorithmes complexes dont l’utilisation a été rendue très simple, avec des informations à fournir le plus souvent très réduites, utilisant de nombreux paramètres par défaut qui sont adaptés aux cas les plus courants. Ce sont des outils très précieux pour un utilisateur averti et ils permettent le plus souvent à un néophyte de mener à bien un problème structural simple. Ces progrès méthodologiques et technologiques sont des développements moteurs fournissant des outils qui permettent d’aborder des problèmes de plus en plus complexes. Cela montre les liens très étroits entre les objectifs biologiques et les développements technologiques et méthodologiques. Les défis au niveau de la biologie nécessitent de développer de nouveaux outils qui une fois mis en place permettent d’aborder de nouvelles questions encore plus complexes. Les succès reposent donc sur une imbrication très forte entre les communautés de chercheurs, ce qui pose des défis au niveau de la formation.
9.1 Génomique structurale, années 2000-2010
L’une des révolutions des années...
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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,...
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