Review
Full Access
G Proteins and Regulation of Adenylate Cyclase (Nobel Lecture)†
Prof. Alfred G. Gilman,
Corresponding Author
Prof. Alfred G. Gilman
Department of Pharmacology, The University of Texas Southwestern, Medical Center at Dallas, Dallas, TX 75235 (USA). Telefax: Int. code +(214) 648-8812
Department of Pharmacology, The University of Texas Southwestern, Medical Center at Dallas, Dallas, TX 75235 (USA). Telefax: Int. code +(214) 648-8812Search for more papers by this authorProf. Alfred G. Gilman,
Corresponding Author
Prof. Alfred G. Gilman
Department of Pharmacology, The University of Texas Southwestern, Medical Center at Dallas, Dallas, TX 75235 (USA). Telefax: Int. code +(214) 648-8812
Department of Pharmacology, The University of Texas Southwestern, Medical Center at Dallas, Dallas, TX 75235 (USA). Telefax: Int. code +(214) 648-8812Search for more papers by this author†
Copyright© The Nobel Foundation 1995. We thank the Nobel Foundation, Stockholm, for permission to print this lecture.
Abstract
How is the hormone-activated synthesis of the second messenger cyclic AMP regulated? Or, in more general terms, how does the interaction of an extracellular agonist with a receptor lead to intracellular enzyme activity when receptor and enzyme are not distinct macromolecules? The mediators are membrane-bound, guanine nucleotide binding regulatory proteins (G proteins). When the receptor is activated, G proteins dissociate into their subunits. These in turn activate or inhibit enzymes such as adenylate cyclases, which catalyze the synthesis of cyclic AMP. In these signal transmission processes G proteins act as molecular switches and amplifiers.
References
- 1 T. W. Rall, E. W. Sutherland, J. Berthet, J. Biol. Chem. 1957, 224, 463–475.
- 2 F. Murad, Y.-M. Chi, T. W. Rall, E. W. Sutherland, J. Biol. Chem. 1962, 237, 1233–1238.
- 3 T. W. Rall, E. W. Sutherland, Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 1961, 26, 347–354.
- 4 L. Birnbaumer, M. Rodbell, J. Biol. Chem. 1969, 244, 3477–3482.
- 5 L. E. Limbird, R. J. Lefkowitz, J. Biol. Chem. 1977, 252, 799–802.
- 6 T. Haga, K. Haga, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1977, 252, 5776–5782.
- 7 M. Rodbell, L. Birnbaumer, S. L. Pohl in The Role of Adenyl Cyclase and Cyclic 3′, 5′-AMP in Biological Systems (Eds.: T. W. Rall, M. Rodbell, P. Condliffe) (Fogarty Int. Cent. Proc. n4), National Institutes of Health, Bethesda, MD, 1969, pp. 59–76.
- 8 M. Rodbell, L. Birnbaumer, S. L. Pohl, H. M. J. Krans, J. Biol. Chem. 1971, 246, 1877–1882.
- 9 K. H. Jakobs, K. Aktories, G. Schultz, Arch. Pharm. (Weinheim Ger.) 1979 310, 113–119.
- 10 D. Cassel, Z. Selinger, Biochem. Biophys, Acta 1976, 452, 538–551.
- 11 C. Londos, Y. Salomon, M. C. Lin, J. P. Harwood, M. Schramm, J. Wolff, M. Rodbell, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1974, 71, 3087–3090.
- 12 M. Schramm, M. Rodbell, J. Biol. Chem. 1975, 250, 2232–2237.
- 13 M. E. Maguire, P. M. Van Arsdale, A. G. Gilman, Mol. Pharmacol. 1976, 12, 335–339.
- 14 E. J. Neer, J. Biol. Chem. 1974, 249, 6527–6531.
- 15 V. Daniel, G. Lietwack, G. M. Tomkins, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1973, 70, 76–79.
- 16 H. R. Bourne, P. Coffino, G. M. Tomkins, Science 1975, 187, 750–752.
- 17 P. A. Insel, M. Maguire, A. G. Gilman, H. R. Bourne, P. Coffino, K. L. Melmon, Mol. Pharmacol. 1976, 12, 1062–1069.
- 18 T. Haga, E. M. Ross, H. J. Anderson, A. G. Gilman, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1977, 74, 2016–2020.
- 19 E. M. Ross, A. G. Gilman, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1977, 74, 3715–3719.
- 20 E. M. Ross A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1977, 252, 6966–6969.
- 21 E. M. Ross, A. C. Howlett, K. M. Ferguson, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1978, 253, 6401–6412.
- 22 T. Pfeuffer, J. Biol. Chem. 1977, 252, 7224–7234.
- 23 A. C. Howlett, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1980, 255, 2861–2866.
- 24 J. K. Northup, P. C. Sternweis, M. D. Smigel, L. S. Schleifer, E. M. Ross, A. G. Gilman Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1980, 77, 6516–6520.
- 25 P. C. Sternweis, J. K. Northup, M. D. Smigel, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1981, 256, 11517–11526.
- 26 J. K. Northup, M. D. Smigel, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1982, 257, 11416–11423.
- 27 J. K. Northup, M. D. Smigel, P. C. Sternweis, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1983, 258, 11369–11376.
- 28 A. C. Howlett, P. C. Sternweis, B. A. Macik, P. M. Van Arsdale, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1979, 254, 2287–2295.
- 29 P. C. Sternweis, A. G. Gilman, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1982, 79, 4888–4891.
- 30 D. M. Gill, R. Meren, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1978, 75, 3050–3054.
- 31 J. Moss, M. Vaughan, J. Biol. Chem. 1977, 252, 2455–2457.
- 32 H. R. Kaslow, Z. Farfel, G. L. Johnson, H. R. Bourne, Mol. Pharmacol. 1979, 15, 472–483.
- 33 L. S. Schleifer, R. A. Kahn, E. Hanski, J. K. Northup, P. C. Sternweis, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1982, 257, 20–23.
- 34 R. A. Kahn, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1984, 259, 6228–6234.
- 35 R. A. Kahn, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1986, 261, 7906–7911.
- 36 J. E. Rothman, Nature (London) 1994, 372, 55–63.
- 37 H. A. Brown, S. Gutowski, C. R. Moomaw, C. Slaughter, P. C. Sternweis, Cell 1993, 75, 1137–1144.
- 38 O. Hazeki, M. Ui, J. Biol. Chem. 1981, 256, 2856–2862.
- 39 T. Katuda, M. Ui, J. Biol. Chem. 1982, 257, 7210–7216.
- 40 G. M. Bokoch, T. Katada, J. K. Northup, E. L. Hewlett, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1983, 258, 2072–2075.
- 41 G. M. Bokoch, T. Katada, J. K. Northup, M. Ui, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1984, 259, 3560–3567.
- 42 T. Katada, G. M. Bokoch, J. K. Northup, M. Ui, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1984, 259, 3568–3577.
- 43 T. Katada, J. K. Northup, G. M. Bokoch, M. Ui, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1984, 259, 3578–3585.
- 44 T. Katada, G. M. Bokoch, M. D. Smigel, M. Ui, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1984, 259, 3586–3595.
- 45 N. Miki, J. J. Keirns, F. R. Marcus, J. Freeman, M. W. Bitensky, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1973, 70, 3820–3824.
- 46 G. L. Wheeler, M. W. Bitensky, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1977, 74, 4238–4242.
- 47 H. Kuhn, Nature (London) 1980, 283, 587–589.
- 48 B. K.-K. Fung, J. B. Hurley, L. Stryer, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1981, 78, 152–156.
- 49 D. R. Manning, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1983, 258, 7059–7063.
- 50 J. D. Hildebrandt, J. Codina, R. Risinger, L. Birnbaumer, J. Biol. Chem. 1984, 259, 2039–2042.
- 51 D. C. May, E. M. Ross, A. G. Gilman, M. D. Smigel, J. Biol. Chem. 1985, 260, 15829–15833.
- 52 P. C. Sternweis, J. D. Robishaw, J. Biol. Chem. 1984, 259, 13806–13813.
- 53 E. J. Neer, J. M. Lok, L. G. Wolf, J. Biol. Chem. 1984, 259, 14222–14229.
- 54 I. Litosch, C. Wallis, J. N. Fain, J. Biol. Chem. 1985, 260, 5464–5471.
- 55 S. Cockcroft, B. D. Gomperts, Nature (London) 1985, 314, 534–536.
- 56 J. B. Hurley, M. I. Simon, D. B. Teplow, J. D. Robishaw, A. G. Gilman, Science 1984, 226, 860–862.
- 57 M. A. Lochrie, J. B. Hurley, M. I. Simon, Science 1985, 228, 96–99.
- 58 K. Yatsunami, H. G. Khorana, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1985, 82, 4316–4320.
- 59 A. G. Gilman, Annu. Rev. Biochem. 1987, 56, 615–649.
- 60 E. M. Ross, Neuron 1989, 3, 141–152.
- 61 A. M. Brown, L. Birnbaumer, Annu. Rev. Physiol. 1990, 52, 197–213.
- 62 H. R. Bourne, D. A. Snaders, F. McCormick, Nature (London) 1990, 348, 125–132.
- 63 H. R. Bourne, D. A. Sanders, F. McCormick, Nature (London) 1991, 349, 117–127.
- 64 H. G. Dohlman, J. Thorner, M. G. Caron, R. J. Lefkowitz, Annu. Rev. Biochem. 1991, 60, 653–688.
- 65 Y. Kaziro, H. Itoh, T. Kozasa, M. Nakafuku, T. Satoh, Annu. Rev. Biochem. 1991, 60, 349–400.
- 66 M. I. Simon, M. P. Strathmann, N. Gautam, Science 1991, 252, 802–808.
- 67 A. M. Spiegel, P. S. Backlund, Jr., J. E. Butrynski, T. L. Z. Jones, W. F. Simonds, Trends Biochem. Sci. 1991, 16, 338–341.
- 68 J. R. Hepler, A. G. Gilman, Trends Biochem. Sci. 1992, 17, 383–387.
- 69 D. E. Clapham, E. J. Neer, Nature (London) 1993, 365, 403–406.
- 70 J. Iñiguez-Lluhi, C. Kleuss, A. G. Gilman, Trends Cell Biol. 1993, 3, 230–236.
- 71 J. E. Buss, S. M. Mumby, P. J. Casey, A. G. Gilman, B. M. Sefton, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1987, 84, 7493–7497.
- 72 S. M. Mumby, R. O. Heuckeroth, J. I. Gordon, A. G. Gilman, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1990, 87, 728–732.
- 73 T. L. Z. Jones, W. F. Simonds, J. J. Merendino, Jr., M. R. Brann, A. M. Spiegel, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1990, 87, 568–572.
- 74 M. E. Linder, I.-H. Pang, R. J. Duronio, J. I. Gordon, P. C. Sternweis, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1991, 266, 4654–4659.
- 75 R. Taussig J. Iñiguez-Lluhi, A. G. Gilman, Science 1993, 261, 218–221.
- 76 M. E. Linder, P. Middleton, J. R. Hepler, R. Taussig, A. G. Gilman, S. M. Mumby, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1993, 90, 3675–3679.
- 77 S. M. Mumby, C. Kleuss, A. G. Gilman, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1994, 91, 2800–2804.
- 78 P. B. Wedegaertner, H. R. Bourne, Cell 1994, 77, 1063–1070.
- 79 Y. Fukada, T. Takao, H. Ohguro, T. Yoshizawa, T. Akino, Y. Shimonishi, Nature (London) 1990, 346, 658–660.
- 80 H. K. Yamane, C. C. Farnsworth, H. Xie, W. Howald, B. K.-K. Fung, S. Clarke, M. H. Gelb, J. A. Glomset, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1990, 87, 5868–5872.
- 81 S. M. Mumby, P. J. Casey, A. G. Gilman, S. Gutowski, P. C. Sternweis, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1990, 87, 5873–5877.
- 82 J. A. Iñiguez-Lluhi, M. I. Simon, J. D. Robishaw, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1992, 267, 23409–23417.
- 83 M. P. Graziano, M. Freissmuth, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1989, 264, 409–418.
- 84 C. Van Dop, M. Tsubokawa, H. R. Bourne, J. Ramachandran, J. Biol. Chem. 1984, 259, 696–698.
- 85 R. E. West, Jr., J. Moss, M. Vaughan, T. Liu, T.-Y. Liu, J. Biol. Chem. 1985, 260, 14428–14430.
- 86 J. P. Noel, H. E. Hamm, P. B. Sigler, Nature (London) 1993, 366, 654–663.
- 87 D. G. Lambright, J. P. Noel, H. E. Hamm, P. B. Sigler, Nature (London) 1994, 369, 621–628.
- 88 D. E. Coleman, A. M. Berghuis, E. Lee, M. E. Linder, A. G. Gilman, S. R. Sprang, Science 1994, 265, 1405–1412.
- 89 J. Bigay, P. Deterre, C. Pfister, M. Chabre, FEBS Lett. 1985, 191, 181–185.
- 90 T. Higashijima, M. P. Graziano, H. Suga, M. Kainosho, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1991, 266, 3396–3401.
- 91 M. P. Graziano, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1989, 264, 15475–15482.
- 92 C. A. Landis, S. B. Masters, A. Spada, A. M. Pace, H. R. Bourne, L. Vallar, Nature (London) 1989, 340, 692–696.
- 93 M. Freissmuth, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1989, 264, 21907–21914.
- 94 S. B. Masters, R. T. Miller, M.-H. Chi, F.-H. Chang, B. Beiderman, N. G. Lopez, H. R. Bourne, J. Biol. Chem. 1989, 264, 15467–15474.
- 95 M. Mixon, D. E. Coleman, A. M. Berghuis, E. Lee, A. G. Gilman, S. R. Sprang, unpublished.
- 96 S. Coulter, M. Rodbell, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1992, 89, 5842–5846.
- 97 J. D. Robishaw, M. D. Smigel, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1986, 261, 9587–9590.
- 98 P. Bray, A. Carter, C. Simons, V. Guo, C. Puckett, J. Kamholz, A. Spiegel, M. Nirenberg, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1986, 83, 8893–8897.
- 99 T. Kozasa, H. Itoh, T. Tsukamoto, Y. Kaziro, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1988, 85, 2081–2085.
- 100 D. T. Jones, R. R. Reed, Science 1989, 244, 790–795.
- 101 A. Yatani, J. Codina, Y. Imoto, J. P. Revees, L. Birnbaumer, A. M. Brown, Science 1987, 238, 1288–1292.
- 102 B. Schubert, A. M. J. VanDongen, G. E. Kirsch, A. M. Brown, Science 1989, 245, 516–519.
- 103 C. L. Lerea, D. E. Somers, J. B. Hurley, I. B. Klock, A. H. Bunt-Milam, Science 1986, 234, 77–80.
- 104 S. K. McLaughlin, P. J. McKinnon, R. F. Margolskee, Nature (London) 1992, 357, 563–569.
- 105 R. Taussig, W.-J. Tang, J. R. Hepler, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1994, 269, 6093–6100.
- 106 J. Codina, A. Yatani, D. Grenet, A. M. Brown, L. Birnbaumer, Science 1987, 236, 442–444.
- 107 D. E. Logothetis, Y. Kurachi, J. Galper, E. J. Neer, D. E. Clapham, Nature (London) 1987, 325, 321–326.
- 108 J. L. Stow, J. B. de Almeida, N. Narula, E. J. Holtzman, L. Ercolani, D. A. Ausiello, J. Cell. Biol. 1991, 114, 1113–1124.
- 109 J. G. Donaldson, R. A. Kahn, J. Lippincott-Schwartz, R. D. Klausner, Science 1991, 254, 1197–1199.
- 110 N. T. Ktistakis, M. E. Linder, M. G. Roth, Nature (London) 1992, 356, 344–346.
- 111 Y. H. Wong, B. R. Conklin, H. R. Bourne, Science 1992, 255, 339–341.
- 112 T. Kozasa, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1995, 270, 1734–1741.
- 113 P. J. Casey, H. K. W. Fong, M. I. Simon, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1990, 265, 2383–2390.
- 114 J. Hescheler, W. Rosenthal, W. Trautwein, G. Schultz, Nature (London) 1987, 325, 445–447.
- 115 S. M. Strittmatter, D. Valenzuela, T. E. Kennedy, E. J. Neer, M. C. Fishman, Nature (London) 1990, 344, 836–841.
- 116 S. M. Strittmatter, D. Valenzuela, Y. Sudo, M. E. Linder, M. C. Fishman, J. Biol. Chem. 1991, 266, 22465–22471.
- 117 M. Strathmann, T. M. Wilkie, M. I. Simon, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1989, 86, 7407–7409.
- 118 S. J. Taylor, J. A. Smith, J. H. Exton, J. Biol. Chem. 1990, 265, 17150–17156.
- 119 G. L. Waldo, J. L. Boyer, A. J. Morris, T. K. Harden, J. Biol. Chem. 1991, 266, 14217–14225.
- 120 A. V. Smrcka, J. R. Hepler, K. O. Brown, P. C. Sternweis, Science 1991, 251, 804–807.
- 121 G. Berstein, J. L. Blank, D. Y. Jhon, J. H. Exton, S. G. Rhee, E. M. Ross, Cell 1992, 70, 411–418.
- 122 S. Parks, E. Wieschaus, Cell 1991, 64, 447–458.
- 123 A. M. L. Chan, T. P. Fleming, E. S. McGovern, M. Chedid, T. Miki, S. A. Aaronson, Mol. Cell, Biol. 1993, 13, 762–768.
- 124 N. Z. Xu, L. Bradley, I. Ambdukar, J. S. Gutkind, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1993, 90, 6741–6745.
- 125 T. Higashijima, K. M. Ferguson, P. C. Sternweis, M. D. Smigel, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1987, 262, 762–766.
- 126 R. A. Cerione, C. Staniszewski, M. G. Caron, R. J. Lefkowitz, J. Codina, L. Birnbaumer, Nature (London) 1985, 318, 293–295.
- 127 A. G. Gilman, Cell 1984, 36, 577–579.
- 128 V. A. Florio, P. C. Sternweis, J. Biol. Chem. 1985, 260, 3477–3483.
- 129 C. Dietzel, J. Kurjan, Cell 1987, 50, 1001–1010.
- 130 W.-J. Tang, J. Krupinski, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1991, 266, 8595–8603.
- 131 W.-J. Tang, A. G. Gilman, Science 1991, 254, 1500–1503.
- 132 R. Taussig, L. M. Quarmby, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1993, 268, 9–12.
- 133 M. Camps, C. Hou, D. Sidiropoulos, J. B. Stock, K. H. Jakobs, P. Gierschik, Eur. J. Biochem. 1992, 206, 821–831.
- 134 M. Camps, A. Carozzi, P. Schnabel, A. Scheer, P. J. Parker, P. Gierschik, Nature (London) 1992, 360, 684–686.
- 135 N. Ueda, J. A. Iñiguez-Lluhi, E. Lee, A. V. Smrcka, J. D. Robshaw, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1994 269, 4388–4395.
- 136 O. Kisselev, N. Gautam, J. Biol. Chem. 1993, 268, 24519–24522.
- 137 C. Kleuss, J. Hescheier, C. Ewel, W. Rosenthal, G. Schultz, B. Wittig, Nature (London) 1991, 353, 43–48.
- 138 C. Kleuss, H. Scherubl, J. Hescheler, G. Schultz, B. Wittig, Nature (London) 1992, 358, 424–426.
- 139 C. Kleuss, H. Scherubl, J. Hescheler, G. Schultz, B. Wittig, Science 1993, 259, 832–834.
- 140 T. Pfeuffer, H. Metzger, FEBS Lett. 1982, 146, 369–375.
- 141 M. D. Smigel, J. Biol. Chem. 1986, 261, 1976–1982.
- 142 J. Krupinski, F. Coussen, H. A. Bakalyar, W.-J. Tang, P. G. Feinstein, K. Orth, C. Slaughter, R. R. Reed, A. G. Gilman, Science 1989, 244, 1558–1564.
- 143 W.-J. Tang, A. G. Gilman, Cell 1992, 70, 869–872.
- 144 R. Iyengar, FASEB J. 1993, 7, 768–775.
- 145 R. Taussig, A. G. Gilman, J. Biol. Chem. 1995, 270, 1–4.
- 146 T. Kataoka, D. Broek, M. Wigler, Cell 1985, 43, 493–505.
- 147 T. Toda, I. Uno, T. Ishikawa, S. Powers, T. Kataoka, D. Brock, S. Cameron, J. Broach, K. Matsumoto, M. Wigler, Cell 1985 40, 27–36.
- 148 M. Nakane, K. Arai, S. Saheki, T. Kuno, W. Buechler, F. Murad, J. Biol. Chem. 1990, 265, 16841–16845.
- 149 M. Chinkers, E. M. Wilson, J. Biol. Chem. 1992, 267, 18589–18597.
- 150 B. Gao, A. G. Gilman, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1991 88, 10178–10182.
- 151 A. Sattin, T. W. Rall, J. Zanella, J. Pharmacol. Exp. Ther. 1975, 192, 22–32.
- 152 W.-J. Tang, A. G. Gilman, Science 1995, in press.
- 153 D. R. Brandt, E. M. Ross, J. Biol. Chem. 1986, 261, 1656–1664.
- 154 M. E. Linder, A. G. Gilman, Sci. Am. 1992, 267 (1), 56–65.
