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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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État des lieux et développements
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8. Base de données PDB
De nombreuses bases de données en cristallographie des macromolécules biologiques sont accessibles en ligne, les données à mettre à disposition étant très hétérogènes (données sur la production des échantillons, cristallisation, données expérimentales, analyses structurales et fonctionnelles, relations séquence-structures-fonction-évolution, structures vers le développement de composés à action pharmacologique). Le stockage de quantité de plus en plus massive de données, la maintenance, l’annotation manuelle ou automatique, l’interconnexion dynamique entre ces bases sont des challenges majeurs si on veut transformer ces informations hétérogènes en progrès pour les connaissances et compréhension des mécanismes biologiques. La PDB et les banques associées essayent de répondre à ces défis pour la biologie structurale.
Les structures tridimensionnelles des macromolécules biologiques sont déposées dans la base de données spécialisée PDB (Protein Data Bank), implantée aux États-Unis depuis 1971, gérée à partir de 1998 par le Research Collaboratory for Structural Bioinformatics PDB ( https://www.rcsb.org, Rutgers, New Jersey). Depuis 2003, un consortium international Worldwide PDB (wwPDB, https://wwpdb.org) regroupe et coordonne trois sites miroirs (RCSB PDB aux États Unis, PDBe en Europe et PDBj au Japon).
Cette base de données, d’accès libre et gratuit, permet à la communauté internationale d’avoir accès aux coordonnées des structures résolues, quelle que soit la technique utilisée (diffraction des rayons X ou des neutrons, RMN, microscopie électronique). Le dépôt des coordonnées d’une macromolécule est une condition préalable à la publication des travaux de recherche dans une revue internationale de haut niveau. Il est néanmoins possible aux déposants de bloquer l’accès aux données pendant une année, sauf indication contraire du journal.
En 2018, la « PDB » contenait près de 140 000 structures dont 90 % de structures cristallographiques et un rythme de croissance d’environ 30 nouvelles structures par jour. Environ 92 % des structures déposées sont des protéines.
Chaque macromolécule est répertoriée dans la PDB par un nom de code arbitraire et peut être accédée via une interface graphique simple...
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Base de données PDB
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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1/ Quiz d'entraînement
Entraînez vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.
2/ Test de validation
Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.
Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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