Ecole Normale Supérieure de Lyon
Magistère de biologie moléculaire et cellulaire

Modélisation moléculaire par homologie

Construction automatique par superposition automatique

Construction par substitution manuelle

Modélisation par contraintes géométriques

Amélioration et optimisation des modèles

 

Introduction

La modélisation moléculaire consiste en la construction de modèles tridimensionnels à partir des données de séquences. Elle trouve sa raison d'être d'une part dans les limitations expérimentales des méthodes de détermination de structure de protéines (RX, RMN, ME) et d'autre part dans l'incapacité actuelle de prédire la structure 3D à partir de la seule information de séquence. En outre, elle permet d'investiguer les changements de conformations liées à des mutations à partir de structures 3D expérimentales.

Objectifs

A partir d'une séquence 1 de protéine (SEQUENCE1), il s'agit de construire des modèles à partir d'une empreinte 3D fournie (TEMPLATE.PDB) selon 3 méthodes différentes :

Séquence 1 protéique étudiée : MTVTIYDVAREARVSMATVSRVVNGNQNVKPETRDKVNEVIKKLNYRPNA

Outils disponibles

Matériels :

Stations de travail sous Linux

Logiciels d'analyse installés sur les stations :
 
Swiss-pdb_viewer Construction de modèles 3D
Vmd Visualisation de molécules et dynamique

Fichiers disponibles :
Les fichiers sont disponibles sous la forme d'une archive zip

SEQUENCE1.SEQ Séquence 1 à modéliser
TEMPLATE.PDB Empreinte 3D à utiliser pour modéliser la séquence 1
ALIGNEMENT.TXT Alignement entre séquence1 et template
STRUCTURE.PDB Structure expérimentale de la protéine modèle.seq

Réalisation

I. Lancer le logiciel mozilla et charger le fascicule de TP :

http://pbil.ibcp.fr/~gdeleage/Cours/SIAB_Mod_homol_2004.html

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II. Récupération des fichiers de modélisation :

  1. Les fichiers se trouvent dans le répertoire TP_MOD_HOMOL dans votre répertoire home. Vous devez avoir 4 sous-répertoires MOD1, MOD2, COMP et DYNAMIQUE. Chacun d'entre eux contient les séquences et structures ainsi que les fichiers nécessaires.
III Lancer la modélisation par contraintes géométriques sur le Web
  1. Taper l'adresse suivante: http://geno3d-pbil.ibcp.fr
  2. Copier-Coller la séquence SEQUENCE1.SEQ.
  3. Appuyer sur le bouton Submit
  4. Cliquer sur le bouton correspondant à pdb1efaA-0 puis cliquer sur Select template.
  5. Entrer votre Email dans la ligne adaptée (utilisateur@univ-lyon1.fr) puis cliquer sur Launch Geno3D
  6. Les fichiers résultats (structures et superpositions) seront envoyées par e-mail après environ une heure.
IV. Modélisation moléculaire automatique (SEQUENCE1)
  1. La modélisation s'effectue avec le logiciel Swiss-pdb-viewer
  2. Aller dans le sous répertoire MOD1.
  3. Lance le logiciel de modélisation spdbv
  4. Charger la molécule TEMPLATE.PDB (Menu File puis Open PDB file...)
  5. Afficher la fenêtre de contrôle des molécules (Menu Wind puis Control panel)
  6. Charger le fichier SEQUENCE1.SEQ à modéliser (Menu Swissmodel puis Load raw sequence to model...)
  7. Sélectionner la molécule SEQUENCE1 dans la fenêtre de contrôle en cliquant sur template
  8. Sélectionner tous les acides aminés de la molécule SEQUENCE 1 en cliquant sur le premier acide aminé (MET1) et tout en maintenant appuyé aller jusqu'au dernier acide aminéALA50. Tous les acides aminés doivent être en rouge.
  9. Faire construire automatiquement la structure pour la SEQUENCE1. (Menu Fit puis Magic Fit)
  10. Observer attentivement la structure afin de détecter d'éventuels problèmes.
  11. S'aider éventuellement en demandant le calcul d'énergie sur la structure correspondant à SEQUENCE1 (Menu Tools= Compute energy).
  12. Demander d'effectuer une minimisation d'énergie. (Menu Energy minimization...). Conclure.
  13. Eventuellement chercher à améliorer la géométrie en modifiant l'orientation des chaînes latérales en cliquant sur l'icône torsion . Ensuite choisir l'acide aminé à modifier. Changer l'orientation de la chaîne latérale en cliquant sur les petites flèches rouges localisées au même niveau que les icônes afin de faire disparaître les mauvais contacts. Valider en cliquant à nouveau sur l'icône "torsion".
  14. Reminimiser l'énergie. Attention sauvegarder la molécule après modification et minimisation. (Menu File puis Save=Layer...) sous le nom SEQ1_AUTO.PDB dans le répertoire MOD1.
V. Modélisation moléculaire par substitution manuelle des acides aminés (SEQUENCE 1):
  1. Fermer les fenêtres ouvertes (Menu File puis Close)
  2. Copier le fichier de structure TEMPLATE.PDB en MODELE.PDB
  3. Charger la molécule MODELE.PDB (Menu File puis Open PDB file...)
  4. Enlever la première Methionine (la sélectionner avec la souris et l'enlever (Menu File puis Build =Remove selected residue)
  5. IMPORTANT : Sauvegarder après chaque modification
  6. Substituer tous les résidus (un par un) de la protéine TEMPLATE par ceux de la protéine SEQUENCE1. Pour chaque substitution d'acide aminé:
  7. Mesurer l'énergie finale de la molécule.Eventuellement visualiser le diagramme de Ramachandran. Effectuer une minimisation de l'énergie. Eventuellement visualiser le diagramme de Ramachandran.
  8. Sauvegarder la structure finale sous le nom de  SEQ1_MAN.PDB dans le répertoire MOD2
VI. Comparaison des différents modèles générés:

Les différents modèles générés pour la séquence 1 seront comparés entre eux afin de voir si toutes ces méthodologies donnent les mêmes résultats.

Sauvegarder le modèle générer par contraintes géométriques, reçu par courriel sous le nom SEQ1_ANA.PDB dans le répertoire MOD1.

Superposition des fichiers SEQ1_AUTO.PDB et SEQ1_MAN.PDB

  1. Fermer les fenêtres ouvertes. (Menu File puis Close dans Swiss-PDB Viewer)
  2. Charger le fichier SEQ1_AUTO.PDB. (Menu File puis Open PDB file...)
  3. Charger le fichier SEQ1_MAN.PDB. (Menu File puis Open PDB file...)
  4. Sélectionner les mêmes acides aminés sur les 2 structures grâce à la fenêtre de
  5. contrôle.
  6. Les superposer en utilisant les différentes options. (Menu Fit puis Fit Selected Residues...)
  7. Noter les valeurs de RMSD (sous les icones MUTATE et TORSION).

Répeter le processus pour comparer SEQ1_AUTO.PDB/SEQ1_ANA.PDB et SEQ1_MAN.PDB/SEQ1_ANA.PDB

Interpréter les différents fichiers.

Conclure sur les différentes modélisations.

VII. Visualiser une dynamique moléculaire sur le modèle construit en III
  1. Lancer le logiciel "vmd".
  2. Charger la structure (dans DYNAMIQUE/MODEL.pdb) et la dynamique moléculaire (dans DYNAMIQUE/MODEL.dcd) dans le logiciel: cliquer sur File puis New Molecule et Browse. Après avoir sélectionné le fichier .pdb, cliquer sur Load.
  3. Faire de même avec le fichier .dcd
  4. La dynamique moléculaire peut être vue en détails à partir des curseurs présent dans la fenêtre VMD Main.
  5. Conclure sur les mouvements de la molécule.
  6. Exploration des options de vmd.

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