1. Démarrer une session de travail

a) Importer une structure

Pour insérer une molécule dans le logiciel, il est nécessaire de récupérer des données sur la PDB par exemple. Les formats reconnus sont de type .pdb, .txt et .mol. Au démarrage, le logiciel ne propose que cette barre de menu :

Il faut ouvrir le fichier compatible dans file -> Open et le faire charger par le logiciel. Attention, il n’est pas possible de charger le fichier par double-click dessus ou par click droit puis ouvrir avec.

Trois nouvelles fenêtres sont alors ouvertes : le control pannel, l’écran (viewer) et un message d’alerte sur les éventuelles informations relatives au chargement de la structure (1.2).

b) Petite visite des onglets du menu

Commençons par la barre de menu. Comme vous le voyez, ses onglets ne sont pas toujours explicites et nécessitent de bien comprendre la « philosophie » du logiciel :

Swiss Pdb viewer fonctionne en vous proposant plusieurs types d’opérations : les opérations graphiques, les opérations de fichier, les opérations d’information/sélection et les opérations de calculs. Décrivons-les en partant des onglets de gauche vers les onglets de droite (voire image 1.1).

Les opérations de fichier : file permet d’ouvrir, sauvegarder, importer un ficher, d’exécuter des scripts ... Comme vous pouvez le voir, si un fichier pdb est l’extension classique pour une structure cristallique, il exite d’autres extensions codant pour d’autres informations, comme les .sfc pour les surfaces enregistrées ou encore les fichiers .map pour les densités électroniques.

Les opérations d’information/sélection : l’onglet select vous permet, une fois votre structure chargée, de sélectionner préférentiellement des groupes selon différentes requêtes : structure, zones de contact ... Ces possibilités seront détaillées plus bas.

Les opérations graphiques sont regroupées dans plusieurs onglets : display permet d’ajouter/retirer des représentations particulières (surfaces, liaisons hydrogènes, ...) ; color modifie rapidement les couleurs utilisées suivant les groupes, et preferences regroupe toutes les options graphiques que vous pouvez modifier (apparence des structures, représentations, qualité de l’image , rendu 3D, jeux d’ombres, importer un fichier de préférences, etc...). A noter que l’onglet edit permet également de modifier l’apparence graphique !

Les opérations de calculs sont assurées par build (ajouter des hydrogènes, des liaisons hydrogènes, ...), tools (calculs d’énergie, de potentiels électriques, de modifications de structures ...) et fit (juxtapositions et calculs associés). De même l’onglet preferences regroupe bon nombre des options de calcul.

Les autres onglets concernent les options SwissModel (non décrites dans ce tutorial) et de fenêtres d’outils (onglet windows). L’onglet help est également à votre disposition pour de plus amples renseignements sur une fonction du logiciel.

c) Fonctions de base

Il est maintenant possible de modifier la structure, graphiquement ou structurellement, d’afficher des calculs et des informations, et de modifier les données affichées.

Mais avant tout, il faut bien comprendre le fonctionnement du logiciel (schéma 1.3) :

Group : permet de savoir quels groupes d’acides aminés (ou autres molécules !) sont sélectionnés.Show : cocher pour voir la chaîne du squelette carboné.Side : cocher pour voir les chaînes latérales.Labl : voir les annotations (n° aa, nom, etc ...)Permet de faire apparaître différentes possibilités, comme les volumes de Van Der Waals (VDW), ...Ribn : abréviation de ribbon. affiche les représentations de structures secondairesCol : couleursU : couleurs pour quelle représentation ?

Le control pannel (Figure 1.4) permet donc de nombreuses possibilités de base, qu’il faut bien comprendre pour la suite. En effet, suivant les onglets cochés, l’apparence va varier sur l’écran.

Astuce : pour sélectionner tout une colonne d’un onglet, il suffit de cliquer juste au-dessus des premières cases (les v) correspondantes. Si le clic gauche ne marche pas, j’utilise le clic gauche+droit en simultané, cela fonctionne.

Le show permet de tout voir, mais donne un résultat parfois trop lourd. Il est utile si on souhaite mettre en avant un groupement particulier, ou une séquence précise, comme dans le cas de sites d’action d’enzymes. Mais pour une vision globale de la structure secondaire d’une protéine, il vaut mieux le désactiver.

d) Maîtriser les déplacements

Pour déplacer une molécule, la faire tourner sur elle-même, effectuer des zooms, il existe quatre boutons dont les fonctions ont été expliquées ci-dessus.

Il est possible d’effectuer ces déplacements sur tout (move all) ou sur la sélection active (move sélection). Pour passer d’un mode move à l’autre, il suffit de cliquer sur le texte rouge « move ».

2. Sauvegarder sa session de travail

Voici une liste des sauvegardes facilement réalisables :

a) Sauvegarder une sélection de structure

Il est possible de sauvegarder des structures sélectionnées dans un fichier séparé : par exemple, sur un fichier donnant l’interleukine 10 et son récepteur humain, il est possible de ne sélectionner que le récepteur et de l’enregistrer à part en faisant l’opération suivante :

Control Pannel -> Sélectionner l’élément
File -> Save -> Save Selected Residues ...

b) Sauvegarder une image

Il est délicat de sauvegarder une image en passant par l’onglet File, car le format disponible est de type .tga : ce format d’image est difficilement lisible sous windows, à moins de disposer du logiciel approprié et de l’avoir configuré comme exécuteur de ce type de fichiers.

Pour simplifier les étapes, il est bien plus facile d’effectuer des impressions d’écran et de retraiter par la suite l’image.

c) Sauvegarder des préférences

Si vos préférences vous sont familières et que les reconfigurer à chaque fois vous fatigue, vous pouvez les enregistrer et ensuite les recharger à votre guise.

Preferences -> Save Preferences as ...
Preferences -> Open Preferences

Remarquez que Swiss Pdb Viewer sauvegarde automatiquement la plupart de vos préférences durant votre session, et ce jusqu’au redémarrage de votre ordinateur.

d) Sauvegarder une session de travail

File -> Save -> Layer

Le résultat est assez ... Hasardeux ! Méfiez-vous de cette option.

3. Réaliser des représentations graphiques

Nous entrons maintenant dans le vif du sujet. SwissProt -PDB Viewer est capable d’importer des données 3D d’atomes et de restituer la structure de protéines et d’acides nucléiques. Durant cette sections, nous allons apprendre à réaliser des représentations convaincantes :

a) Représenter les structures secondaires

Nous avons chargé sur la PDB la structure de l’interleukine 10 humaine (résolution 1,6 Å, code PDB : 2ILK). Quand on l’affiche sur l’écran du logiciel, on obtient ceci :

Il faut, dans control pannel, effectuer les modifications suivantes :

Control Pannel -> Désactiver la colonne show pour toute la molécule
Control Pannel -> Cocher la colonne ribn pour toute la molécule.

Le résultat attendu est le suivant :

Il y a mieux que cette représentation ! Pour continuer, aller dans :

Display -> Use OpenGL Rendering

Il est maintenant possible de changer les couleurs. Dans notre exemple, on veut colorier les séquences secondaires individuellement :

Color -> Act on -> Ribbon
Color -> By Secondary Structure Succession

Le résultat est améliorable ! Pour cela, il suffit d’aller dans :

Preferences -> Ribbons...

Que modifier sans risques ? La qualité, déjà. Passer à 2. Shape donne la forme de la représentation, ceci peut être utile pour affiner la représentation. Helices modifie les hélices alpha, Sheet les feuillets béta, et Coils les enroulements.

b) Les surfaces

Maintenant, nous allons représenter la surface de la molécule. Cette représentation, basée sur les

Tools -> Compute Molecular Surface

L’image peut être affinée suivant les goûts et les exigences de l’utilisateur. Supposons que nous cherchons à obtenir une image de la surface uniforme dans les orange :

Preferences -> Surfaces... -> Quality 6, Filled Triangle coché à chaque fois
Color -> Act on surface
Color -> By selection
Pannel Control : tout sélectionner et changer la color en orange clair.

La représentation est-elle superposée à la représentation de la structure secondaire ? Oui, bien entendu, l’onglet Ribn du control pannel n’ayant pas été décoché. Pour le prouver, retournons notre molécule : nous zoomons sur une séquence qui apparaît différente avec ou sans le Ribn :

Quand un fichier contient plusieurs structures, il est possible de n’obtenir la surface que d’un élément (par exemple, obtenir la surface du récepteur humain à l’interleukine-10 et conserver l’interleukine 10 humaine sous forme d’hélice : fichier 1J7V dans la Protein Data Bank). Pour cela, il suffit de réaliser la manipulation suivante :

Pannel Control -> Sélectionner l’interleukine (groupe L)
Preferences -> Surfaces ... -> cocher Ignore Selected residues
Tools -> Compute Molecular Surface

Le résultat a ensuite été retouché pour les apparences (voir figure 3.1) :

Color -> Act on surface
Color -> By selection
Pannel Control : tout sélectionner et changer la couleur en orange clair.

Figure 3.1 : un monomère d’interleukine 10 associé à son récepteur (représenté en surface).

Il se peut que la position de l’ombre ne vous convainque pas. Dans ce cas, rien de plus simple pour la changer ! Il suffit d’aller dans :

Preferences -> 3D Lights ...

Dans ce menu, vous avez le choix entre trios lampes virtuelles, leur intensité, leur position.

c) Représenter les atomes

Dans ce dernier travail, nous allons représenter les atomes de l’interleukine-10 humaine (résolution 1,8 Å, code PDB : 1ILK). Cette étape peut vous sembler facultative, aussi vous pouvez continuer votre lecture et y revenir plus tard si bon vous semble.

Après avoir chargé ce fichier, effectuer les opérations suivantes :

Display -> Use GPL Rendering
Display -> Render in solid 3D
Control Pannel -> désactiver toute la colonne ribn
Control Pannel -> cocher toute la colonne show et toute la colonne side
Control Pannel -> sélectionner le mode Van Der Waals (VDW) et cocher toute la colonne

Le résultat donne une représentation de la molécule selon les rayons de Van Der Waals des atomes. Ce modèle est moins « réaliste » que la représentation en surface, mais permet d’obtenir un modèle intéressant :

Il est également possible de créer son propre modèle de représentations des atomes, comme un jeu de construction de boules ou de polygones représentant les atomes. Pour cela, il faut suivre les instructions suivants. On prendra soin de désactiver dans Control Pannel la représentation de Van Der Waals. On obtient donc en zoomant sur la molécule des images de ce type :

Maintenant, aller dans :

Preferences -> 3D Rendering

Dans ces options, vous pouvez modifier le smoothness des liaisons (bond) ou des atomes pour définir le nombre de faces que votre représentation doit utiliser pour approximer la sphère (atome) ou le cylindre (liaison). Vous pouvez aussi définir le rayon des atomes (radius) ou encore demander à ce que les proportions soient respectées. Voilà un exemple de réglage :

Qui donne le résultat suivant :

d) Display : désactiver les représentations

Le logiciel propose dans son menu un onglet display servant à afficher ou non différentes représentations. Cet onglet est très important, car il évite de désactiver certaines représentation en devant fermer le fichier (de peur d’enregistrer des paramètres par erreur).

4. Calculs d’énergies

Swiss-Pdb Viewer est capable de calculer des énergies en mécanique moléculaire. Ces énergies, basées sur les interactions atomiques, donnent une idée de la valeur énergétique de la représentation dans l’espace de la molécule : en effet, l’énergie sera minimale pour l’état le plus stable et le plus probable. Par conséquent, un acide aminé qui serait à plusieurs nanomètres de l’acide aminé voisin aurait une énergie associée à la liaison peptidique énorme pour conserver l’interaction !

a) La minimisation de l’énergie d’un système

Nous allons tester cette fonctionnalité en faussant volontairement la représentation d’un récepteur d’interleukine. Nous avons pour celà utilisé le fichier 1J7V.pdb (disponible sur la Protein Data Bank) représentant l’Interleukine IL-10 et son récepteur chez l’Homme.

Tout d’abord, il faut afficher les hydrogènes (non visibles en cristallographie).

Build -> Add Hydrogens

Maintenant, il suffit d’aller charger la page des énergies de la molécule (ou du complexe de molécules) pour obtenir nos informations :

Tools -> Energy Mimisation

Vous aurez peut-être à sélectionner tous les résidus dans Control Pannel avec « show » si jamais un message d’erreur vous indique qu’aucun résidu n’a été sélectionné.

Pour la suite, nous allons déplacer librement un acide aminé particulier (se reporter au chapitre 1 pour plus de détails sur les déplacements). Le but est d’obtenir n’importe quelle position, la plus farfelue possible si l’on veut !

Après avoir recalculé l’ Energy mimisation, nous obtenons des valeurs extrêmement élevées !

 Avant modification : E = -13240,79 kJ/mol
 Après modification : E = 4703898112 kJ/mol

Ceci s’explique très bien en atomistique. Deux molécules très éloignées vont nécessiter une énergie très forte pour rester en interaction ; il n’y a donc rien d’étonnant qu’un acide aminé déplacé de plusieurs nanomètres n’aura de liaison peptidique avec son acide aminé voisin qu’au prix d’une énergie dantesque !

Minimiser l’énergie du système peur également être nécessaire lorsque vous effectuez des calculs d’énergie fréquents, car cette option calcule une énergie minimale et l’utilise par la suite, ce qui évite d’avoir des approximations et des incohérences persistantes basées sur une mauvaise « actualisation » de ce paramètre au fur et à mesure de votre travail.

b) Calcul des champs de force

Afin de valider des mutations, il est possible de simuler ces mutations et de les tester par des calculs d’énergie de champ de force. Cet outil est basé sur une version du champ de force de GROMOS 43B1. Il évalue l’énergie d’une structure et prend en compte les torsions géométriques apparues lors de la minimisation d’énergie. Dans cette exécution, tous les calculs sont faits in vacuo (sous vide), sans champ de réaction.

Pour l’exploitation des résultats d’une mutation d’un récepteur protéique par calcul d’énergie de champ de forces, il est possible d’utiliser la méthode suivante :

Les résultats ne sont comparables que pour la différence entre un complexe protéine-ligand en contact et le complexe protéine-ligand séparés par une distance d. Il faut que pour le récepteur muté et non-muté, la distance d et la direction du vecteur soient la même (sous peine de calculer des énergies de champ de force à des positions spatiales différentes et donc non comparables).

La différence d’énergie de champ de force est calculée par la formule suivante :

exprimée en kJ/mol

Si la différence est positive, cela signifie que le complexe est énergiquement favorable. Si elle est négative, le complexe est énergiquement défavorable : il n’est probablement pas réalisable chimiquement.

Lorsque l’on compare deux différences d’énergie , comme dans notre cas, le complexe le plus favorable est celui ayant la plus haute .

Exemple : étude in silicio de la mutation du récepteur humain de l’interleukine-10 (hIL-10R) :

Energies (kJ/mol)	Non muté	Muté
Proche	-9952	-9491
Eloigné	-9603	-9126
	349	365

Pour le complexe hIL-10R / IL-10 humaine, nous obtenons le résultat suivant : non-muté < muté Notre mutation ne nuit pas à la fixation de l’interleukine-10 sur son récepteur muté.

5. Rechercher des interactions entre deux structures

Lors de la recherche d’interactions entre une protéine et son récepteur, par exemple, il est important de connaître les sites d’interaction entre les deux molécules. C’est ce que nous nous proposons d’effectuer maintenant.

a) La méthode directe par sélection

Grâce à l’onglet select, il est possible de sélectionner tous les acides aminés au contact d’un résidu. Piur se faire :

Sélectionner un acide aminé ou un groupe d’aa

Select -> Neightbors of selected aa

Il vous suffit ensuite de rentrer vos préférences et d’exécuter la commande. Les groupes ainsi retenus sont colorés en rouge dans le control pannel, mais n’apparaissent pas à l’écran dans une couleur spécifique !

b) La méthode graphique

D’abord, il faut activer un mode permettant de « découper » l’espace 3D en portions parallèles à notre écran, et nous permettant d’afficher à volonté les différents plans (voir figure 4.1) :

Display -> Slab

Ensuite, il faut, afin de passer d’un plan à l’autre, cliquer droit et F7, maintenir enfoncé les deux et bouger la souris.

Il est possible de modifier la profondeur de notre volume dans :

Preferences -> Display

Pour mieux s’y retrouver, il est utile de colorier les protéines différemment :

Color -> Act on Ribbon
Color -> By Chain

Il suffit maintenant d’afficher la structure entière dans Control Pannel (show) et d’afficher les liaisons hydrogène :

Tools -> Compute H-Bonds

Nous allons également afficher les acides aminés mis en jeu. Pour cela, dans la barre de menu, un bouton permet d’afficher le « label », il est représenté avec un Leu 41 et un point d’interrogation.

Voici le résultat :

6. Mutations

Swiss-Pdb Viewver permet de réaliser des mutations dans la séquence protéique. Cette option, fort intéressante pour un logiciel gratuit, est disponible directement sur la barre d’outils (voir section 1).

La mutation s’effectue ainsi :

Barre de menu -> Bouton Mutate
Ecran -> Sélectionner un acide aminé ou un acide nucléique et sélectionner en quel élément le muter
Barre de menu -> Sélectionner le rotamère qui vous intéresse.
Barre de menu -> Cliquer sur Mutate pour valider la mutation.

Le choix du rotamère est noté. Il permet de savoir si la conformation est favorable à une énergie minimale (note négative) ou non (note positive) du système.

Cet outil permet, lors de la réalisation de projets, d’effectuer des mutations afin de mieux comprendre comment affecter la structure et modifier l’activité biologique d’une molécule : en effet telle mutation rompra des liaisons hydrogènes, par exemple, ou créera un encombrement stérique empêchant la fixation d’une autre molécule ...

7. Boîte à outils de calculs atomistiques

Swiss Pdb Viewer permet de réaliser différents calculs, dont les icônes sont disponibles dans la barre d’outils. De gauche à droite (voir figure 1.3) :

Calcul de distances inter-atomiques : Permet de donner les distances entre deux atomes. Calcul d’angles : Permet de calculer l’angle entre trois atomes repérés. Calcul d’angles dièdres : Attention, l’angle dièdre a une signification particulière en atomistique. Vous avez besoin de pointer quatre atomes pour se faire. Label : Quel est cet élément ? : permet, comme vu précédemment, d’obtenir le nom d’un acide aminé ou d’un acide nucléique.

8. Les propriétés électrostatiques

a) Les plans de densité électronique

Dans le logiciel, cette application est dénommée « Electron Density Maps ». Cette option est accessible pour les structures dérivant de cristallographie par rayons X.

Pour cela, il faut tout d’abord télécharger le plan de densité électronique de la molécule. Pour cela, après l’avoir acquise sur une base de données, il suffit de l’importer en suivant la ligne de commande suivante :

File -> Open Electron Density map -> Sélectionner le format correspondant

b) Les potentiels électrostatiques

Pour calculer les potentiels électrostatiques d’une molécule, aller dans :

Tools -> Compute Electrostatic Potentiel

Il est possible de modifier les préférences pour ces deux options dans l’onglet preferences.

8.8 Potentiel électrostatique d’un monomère de l’Interleukine 10 Humaine

(fichier pdb : 1ILK ; résolution : 1.80 Å ; les volumes bleus représentent des charges positives, les rouges des charges négatives).

9. Pour aller plus loin avec Swiss-Pdb Viewer ...

Durant ce tutorial, nous vous avons présenté la version 3.7 de ce logiciel gratuit. Il est bien entendu évident que ce guide n’est pas complet et ne couvre pas toutes les possibilités de ce programme.

Néanmoins, nous sommes conscients que l’utilisateur expérimenté recherchera d’autres supports que ce tutorial. Aussi lui conseillons-nous la consultation du tutorial mis en ligne par swissprot sur son site internet. En plus de détails techniques, y est présenté la création de scripts pour Swiss-Pdb Viewer, amplifiant considérablement les possibilités du logiciel !

Enfin, nous n’aurons de cesse de le répéter : swiss-pdb viewer est une freeware des plus intéressantes, elle ne présente en rien un outil probant de recherche fondamentale ou d’investigation en mutagénèse dirigée. Ce logiciel permet d’effectuer des représentations graphiques, des mutations et des calculs, rendant de grands services aux étudiants et universitaires, mais ses fonctions restent limitées. A chaque travail son outil, donc.

N’hésitez pas à me faire part de vos critiques, remarques, en me contactant sur ma page auteur, je me ferai un plaisir de vous répondre et d’échanger nos avis et astuces sur Swiss-Pdb viewer !