Nature 349, 117 - 127 (10 January 1991); doi:10.1038/349117a0

The GTPase superfamily: conserved structure and molecular mechanism

Henry R. Bourne, David A. Sanders & Frank McCormick

Departments of Pharmacology and Medicine and the Cardiovascular Research Institute, University of California, San Francisco, California 94143-0450, USA.
formerly at the University of California and the CETUS Corporation and is now at the Whitehead Institute for Biomedical Research, Cambridge, Massachusetts 02142, USA.
Department of Molecular Biology, CETUS Corporation, Emeryville, California 94608, USA.

GTPases are conserved molecular switches, built according to a common structural design. Rapidly accruing knowledge of individual GTPases—crystal structures, biochemical properties, or results of molecular genetic experiments—support and generate hypotheses relating structure to function in other members of the diverse family of GTPases.

References

1.	Jurnak, F. Science 230, 32−36 (1985). | PubMed | ISI | ChemPort |
2.	La Cour, T. F. M., Nyborg, J., Thirup, S. & Clark, B. F. C. EMBO J. 4, 2385−2388 (1985). | PubMed | ISI | ChemPort |
3.	de Vos, A. M. et al. Science 239, 888−893 (1988). | PubMed | ChemPort |
4.	Pai, E. F. et al. Nature 341, 209−214 (1989). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
5.	Milburn, M. V. et al. Science 247, 939−945 (1990). | PubMed | ISI | ChemPort |
6.	Brünger, A. T. et al. Proc. natn. Acad. Sci. U.S.A. 87, 4849−4853 (1990). | ChemPort |
7.	Pai, E. F. et al. EMBO J. 9, 2351−2359 (1990). | PubMed | ISI | ChemPort |
8.	Bourne, H. R., Sanders, D. A. & McCormick, F. Nature 348, 125−132 (1990). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
9.	Jurnak, F., Heffron, S. & Bergmann, E. Cell 60, 525−528 (1990). | Article | PubMed | ChemPort |
10.	Romero, G., Chau, V. & Biltonen, R. L. J. biol. Chem. 260, 6167−6174 (1985). | PubMed | ISI | ChemPort |
11.	Stryer, L. & Bourne, H. R. A. Rev. Cell Biol. 2, 391−419 (1986). | ChemPort |
12.	Powers, S., O'Neill, K. & Wigler, M. Molec. Cell. Biol. 9, 390−395 (1989). | PubMed | ChemPort |
13.	Hwang, Y. W., Sanchez, A. & Miller, D. L. J. biol. Chem. 264, 8304−8309 (1989). | PubMed | ChemPort |
14.	Kaziro, Y. Biochim. biophys. Acta 505, 95−127 (1978). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
15.	Dholakia, J. N. & Wahba, A. J. J. biol. Chem. 264, 546−550 (1989). | PubMed | ChemPort |
16.	Gilman, A. G. A. Rev. Biochem. 56, 615−649 (1987). | Article | ChemPort |
17.	Neer, E. J. & Clapham, D. E. Nature 333, 129−134 (1988). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
18.	Birnbaumer, L. et al. Kidney Internatn. (Suppl.) 32, S14−S37 (1987). | ChemPort |
19.	Freissmuth, M., Casey, P. J. & Gilman, A. G. FASEB J. 3, 2125−2131 (1989). | PubMed | ChemPort |
20.	Lefkowitz, R. J. & Caron, M. G. J. biol. Chem. 263, 4993−4996 (1988). | PubMed | ChemPort |
21.	Ross, E. M. Neuron 3, 141−152 (1989). | Article | PubMed | ChemPort |
22.	Fung, B. K.-K. J. biol. Chem. 258, 10495−10502 (1983). | PubMed | ChemPort |
23.	Fung, B. K.-K. & Nash, C. R. J. biol. Chem. 258, 10503−10510 (1983). | PubMed | ChemPort |
24.	FLorio, V. A. & Sternweis, P. C. J. biol. Chem. 264, 3909−3915 (1989). | PubMed | ChemPort |
25.	Higashijima, T., Ferguson, K. M., Sternweis, P. C., Smigel, M. D. & Gilman, A. G. J. biol. Chem. 262, 762−766 (1987). | PubMed | ISI | ChemPort |
26.	Cerione, R. A. et al. Nature 318, 293−295 (1985). | Article | PubMed | ChemPort |
27.	Navon, S. E. & Fung, B. K.-K. J. biol. Chem. 262, 15746−15751 (1987). | PubMed | ChemPort |
28.	Neer, E. J., Pulsifer, L. & Wolf, L. G. J. biol. Chem. 263, 8996−9000 (1988). | PubMed | ChemPort |
29.	Navon, S. E. & Fung, B. K.-K. J. biol. Chem. 263, 489−496 (1988). | PubMed | ChemPort |
30.	Masters, S. B., Stroud, R. M. & Bourne, H. R. Protein Engng 1, 47−54 (1986). | ChemPort |
31.	Schlichting, I. et al. Nature 345, 309−315 (1990). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
32.	Feuerstein, J., Goody, R. S. & Webb, M. R. J. biol. Chem. 264, 6188−6190 (1989). | PubMed | ISI | ChemPort |
33.	Ahnn, J., March, P. E., Takiff, H. E. & Inouye, M. Proc. natn. Acad. Sci. U.S.A. 83, 8849−8853 (1986). | ChemPort |
34.	Bender, A. & Pringle, J. R. Proc. natn. Acad. Sci. U.S.A. 86, 9976−9980 (1989). | ChemPort |
35.	Barbacid, M. A. Rev. Biochem. 56, 779−827 (1987). | Article | ISI | ChemPort |
36.	Krengel, U. et al. Cell 62, 539−548 (1990). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
37.	Neal, S. E., Eccleston, J. F., Hall, A. & Webb, M. R. J. biol. Chem. 263, 19718−19722 (1988). | PubMed | ISI | ChemPort |
38.	Neal, S. E., Eccleston, J. F. & Webb, M. R. Proc. natn. Acad. Sci. U.S.A. 87, 3562−3565 (1990). | ChemPort |
39.	Schlichting, I. et al. Proc. natn. Acad. Sci. U.S.A. 86, 7687−7690 (1989). | ChemPort |
40.	Miller, R. T., Masters, S. B., Sullivan, K. A., Beiderman, B. & Bourne, H. R. Nature 334, 712−715 (1988). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
41.	Hwang, Y. W., Jurnak, F. & Miller, D. L. in The Guanine-Nucleotide Binding Proteins: Common Structural and Functional Properties (eds Bosch, I., Kraal, B. & Parmeggiani, A.) 77−85 (Plenum, New York, 1989). | ChemPort |
42.	Hurley, J. B., Simon, M. I., Teplow, D. B., Robishaw, J. D. & Gilman, A. G. Science 226, 860−862 (1984). | PubMed | ISI | ChemPort |
43.	Graziano, M. & Gilman, A. G. J. biol. Chem. 264, 15475−15482 (1989). | PubMed | ISI | ChemPort |
44.	Masters, S. B. et al. J. biol. Chem. 264, 15467−15474 (1989). | PubMed | ISI | ChemPort |
45.	Landis, C. A. et al. Nature 340, 692−696 (1989). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
46.	Der, C. J., Finkel, T. & Cooper, G. M. Cell 44, 167−176 (1986). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
47.	Bourne, H. R., Landis, C. A. & Masters, S. B. Proteins 6, 222−230 (1989). | PubMed | ChemPort |
48.	Lyons, J. et al. Science 249, 655−659 (1990). | PubMed | ISI | ChemPort |
49.	Van Dop, C., Tsubokawa, M., Bourne, H. R. & Ramachandran, J. J. biol. Chem. 259, 696−698 (1984). | PubMed | ISI | ChemPort |
50.	Cassel, D. & Pfeuffer, T. Proc. natn. Acad. Sci. U.S.A. 75, 2669−2673 (1978). | ChemPort |
51.	Abood, M. E., Hurley, J. B., Pappone, M.-C., Bourne, H. R. & Stryer, L. J. biol. Chem. 257, 10540−10543 (1982). | PubMed | ChemPort |
52.	Freissmuth, M. & Gilman, A. G. J. biol. Chem. 264, 21907−21914 (1989). | PubMed | ISI | ChemPort |
53.	Masters, S. B. et al. Science 241, 448−451 (1988). | PubMed | ChemPort |
54.	Woon, C. W., Soparkar, S., Heasley, L. & Johnson, G. L. J. biol. Chem. 264, 5687−5693 (1989). | PubMed | ChemPort |
55.	Winslow, J. W., Bradley, J. D., Smith, J. A. & Neer, E. J. J. biol. Chem. 262, 4501−4507 (1987). | PubMed | ISI | ChemPort |
56.	Sigal, I. S., Gibbs, J. B., D'Alonzo, J. S. & Scolnick, E. M. Proc. natn. Acad. Sci. U.S.A. 83, 4725−4729 (1986). | ChemPort |
57.	McCormick, F. Cell 56, 5−8 (1989). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
58.	Gibbs, J. B., Schaber, M. D., Schofield, T. L., Scolnick, E. M. & Sigal, I. S. Proc. natn. Acad. Sci. U.S.A. 86, 6630−6634 (1989). | ChemPort |
59.	Gibbs, J. B. & Marshall, M. S. Microbiol. Rev. 53, 171−185 (1989). | PubMed | ISI | ChemPort |
60.	Hall, A. Cell 61, 921−923 (1990). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
61.	Srivastava, S. K., Di Donato, A. & Lacal, J. C. Molec. cell. Biol. 9, 1779−1783 (1989). | PubMed | ChemPort |
62.	Zhang, K., Noda, M., Vass, W. C., Papageorge, A. G. & Lowy, D. R. Science 249, 162−165 (1990). | PubMed | ISI | ChemPort |
63.	Schejter, E. D. & Shilo, B. Z. EMBO J. 4, 407−412 (1985). | PubMed | ChemPort |
64.	Lowe, D. G., Ricketts, M., Levinson, A. D. & Goeddel, D. V. Proc. natn. Acad. Sci. U.S.A. 85, 1015−1019 (1988). | ChemPort |
65.	Zengel, J. M., Archer, R. H. & Lindahl, L. Nucleic Acid Res. 12, 2181−2192 (1984). | PubMed | ChemPort |
66.	Buttarelli, F. R., Calogero, R. A., Tiboni, O., Gualerzi, C. O. & Pon, C. L. Molec. gen. Genet 217, 97−104 (1989). | PubMed | ChemPort |
67.	Meng, B. Y., Shinozaki, K. & Sugiura, M. Molec. gen. Genet. 216, 25−30 (1989). | Article | PubMed | ChemPort |
68.	March, P. E. & Inouye, M. J. biol. Chem. 260, 7206−7213 (1985). | PubMed | ChemPort |
69.	Laursen, R. A., L'ltalien, J. J., Nagarkatti, S. & Miller, D. L. J. biol. Chem. 256, 8102−8109 (1981). | PubMed | ChemPort |
70.	Bachleitner, M., Ludwig, W., Stetter, K. O. & Schleifer, K. H. FEMS Microbiol. Lett. 57, 115−120 (1989). | ChemPort |
71.	Kushiro, A., Shimizu, M. & Tomita, K.-I. Eur. J. Biochem. 170, 93−98 (1987). | Article | PubMed | ChemPort |
72.	Ohama, T., Yamao, F., Muto, A. & Osawa, S. J. Bact 169, 4770−4777 (1987). | PubMed | ChemPort |
73.	Montandon, P.-E. & Stutz, E. Nucleic Acids Res. 11, 5877−5892 (1983). | PubMed | ISI | ChemPort |
74.	Nagata, S., Tsunetsugu-Yokota, Y., Naito, A. & Kaziro, Y. Proc. natn. Acad. Sci. U.S.A. 80, 6192−6196 (1983). | ChemPort |
75.	Lechner, K. & Böck, A. Molec. gen. Genet. 208, 523−528 (1987). | Article | ChemPort |
76.	Brands, J. H. G. M., Maassen, J. A., Van Hemert, F. J., Amons, R. & Möller, W. Eur. J. Biochem. 155, 167−171 (1986). | PubMed | ChemPort |
77.	Schirmaier, F. & Philippsen, P. EMBO J. 3, 3311−3315 (1984). | PubMed | ChemPort |
78.	Pokalsky, A. R. et al. Nucleic Acids Res. 17, 4661−4673 (1989). | PubMed | ChemPort |
79.	Hoshino, S.-I. et al. EMBO J. 8, 3807−3814 (1989). | PubMed | ISI | ChemPort |
80.	Kikuchi, Y., Shimatake, H. & Kikuchi, A. EMBO J. 7, 1175−1182 (1988). | PubMed | ISI | ChemPort |
81.	Kohno, K. et al. Proc. natn. Acad. Sci. U.S.A. 83, 4978−4982 (1986). | ChemPort |
82.	Toda, K. et al. J. biol. Chem. 264, 15489−15493 (1989). | PubMed | ChemPort |
83.	Sacerdot, C., Dessen, P., Hershey, J. W. B., Plumbridge, J. A. & Grunberg-Manago, M. Proc. natn. Acad. Sci. U.S.A. 81, 7787−7791 (1984). | ChemPort |
84.	Friedrich, K., Brombach, M. & Pon, C. L. Molec. gen. Genet. 214, 595−600 (1988). | PubMed | ChemPort |
85.	Trach, K. & Hoch, J. A. J. Bact. 171, 1362−1371 (1989). | PubMed | ChemPort |
86.	McGrath, J. P., Capon, D. J., Goeddel, D. V. & Levinson, A. D. Nature 310, 644−649 (1984). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
87.	Capon, D. J., Chen, E. Y., Levinson, A. D., Seeburg, P. H. & Goeddel, D. V. Nature 302, 33−37 (1983). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
88.	Taparowsky, E., Shimizu, K., Goldfarb, M. & Wigler, M. Cell 34, 581−586 (1983). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
89.	Powers, S. et al. Cell 36, 607−612 (1984). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
90.	Lowe, D. G. et al. Cell 48, 137−146 (1987). | Article | PubMed | ChemPort |
91.	Reymond, C. D., Gomer, R. H., Mehdy, M. C. & Firtel, R. A. Cell 39, 141−148 (1984). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
92.	Mozer, B., Marlor, R., Parkhurst, S. & Corces, V. Molec. cell. Biol. 5, 885−889 (1985). | PubMed | ChemPort |
93.	Bishop, J. G. III, & Corces, V. G. Genes Dev. 2, 567−577 (1988). | PubMed | ChemPort |
94.	Neumann-Silberberg, F. S., Schejter, E., Hoffmann, F. M. & Shilo, B.-Z. Cell 37, (1984).
95.	Fukui, Y. & Kaziro, Y. EMBO J. 4, 687−692 (1985). | PubMed | ISI | ChemPort |
96.	Pizon, V., Chardin, P., Lerosey, I., Olofsson, B. & Tavitian, A. Oncogene 3, 201−204 (1988). | PubMed | ISI | ChemPort |
97.	Polakis, P. G. et al. J. biol. Chem. 264, 16383−16389 (1989). | PubMed | ISI | ChemPort |
98.	Yeramian, P., Chardin, P., Madaule, P. & Tavitian, A. Nucleic Acids Res. 15, 1869 (1987). | PubMed | ISI | ChemPort |
99.	Chardin, P., Madaule, P. & Tavitian, A. Nucleic Acids Res. 16, 2717 (1988). | PubMed | ISI | ChemPort |
100.	Madaule, P., Axel, R. & Myers, A. M. Proc. natn. Acad. Sci. U.S.A. 84, 779−783 (1987). | ChemPort |
101.	Didsbury, J., Weber, R. F., Bokoch, G. M., Evans, T. & Snyderman, R. J. biol. Chem. 264, 16378−16382 (1989). | PubMed | ISI | ChemPort |
102.	Johnson, D. I. & Pringle, J. R. J. Cell Biol. (in the press).
103.	Matsui, M., Sasamoto, S., Kunieda, T., Nomura, N. & Ishizaki, R. Gene 76, 313−319 (1989). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
104.	Miyake, S. & Yamamoto, M. EMBO J. (in the press).
105.	Zahraoui, A., Touchot, N., Chardin, P. & Tavitian, A. J. biol. Chem. 264, 12394−12401 (1989). | PubMed | ISI | ChemPort |
106.	Gallwitz, D., Donath, C. & Sander, C. Nature 306, 704−707 (1983). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
107.	Saxe, S. A. & Kimmel, A. R. Devl Genet. 9, 259−265 (1988). | ChemPort |
108.	Salminen, A. & Novick, P. J. Cell 49, 527−538 (1987). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
109.	Bucci, C. et al. Nucleic Acids Res. 16, 9979−9993 (1988). | PubMed | ChemPort |
110.	Bobak, D. A. et al. Proc. natn. Acad. Sci. U.S.A. 86, 6101−6105 (1989). | ChemPort |
111.	Sewell, J. L. & Kahn, R. A. Proc. natn. Acad. Sci. U.S.A. 85, 4620−4624 (1988). | ChemPort |
112.	Botstein, D. et al. Cold Spring Harbor Symp. quant Biol. 53, 629−636 (1988). | PubMed | ChemPort |
113.	Nakano, A. & Muramatsu, M. J. Cell Biol. 109, 2677−2691 (1989). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
114.	Robishaw, J. D., Russell, D. W., Harris, B. A., Smigel, M. D. & Gilman, A. G. Proc. natn. Acad. Sci. U.S.A. 83, 1251−1255 (1986). | ChemPort |
115.	Jones, D. T. & Reed, R. R. J. biol. Chem. 262, 14241−14249 (1987). | PubMed | ISI | ChemPort |
116.	Medynski, D. C. et al. Proc. natn. Acad. Sci. U.S.A. 82, 4311−4315 (1985). | ChemPort |
117.	Fong, H. K. W., Yoshimoto, K. K., Eversole-Cire, P. & Simon, M. I. Proc. natn. Acad. Sci. U.S.A. 85, 3066−3070 (1988). | ChemPort |
118.	Matsuoka, M., Itoh, H., Kozasa, T. & Kaziro, Y. Proc. natn. Acad. Sci. U.S.A. 85, 5384−5388 (1988). | ChemPort |
119.	Nakafuku, M., Itoh, H., Nakamura, S. & Kaziro, Y. Proc. natn. Acad. Sci. U.S.A. 84, 2140−2144 (1987). | ChemPort |
120.	Dietzel, C. & Kurjan, J. Cell 50, 1001−1010 (1987). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
121.	Nakafuku, M. et al. Proc. natn. Acad. Sci. U.S.A. 65, 1374−1378 (1988).
122.	Pupillo, M., Kumagai, A., Pitt, G. S., Firtel, R. A. & Devreotes, P. N. Proc. natn. Acad. Sci. U.S.A. 86, 4892−4896 (1989). | ChemPort |
123.	Bernstein, H. D. et al. Nature 340, 482−486 (1989). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
124.	Römisch, K. et al. Nature 340, 478−482 (1989). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
125.	Hann, B. C., Poritz, M. A. & Walter, P. J. Cell Biol. 109, 3223−3230 (1989). | Article | PubMed | ChemPort |
126.	Byström, A. S., Hjalmarsson, K. J., Wikström, P. M. & Björk, G. R. EMBO J. 2, 899−905 (1983). | PubMed | ISI |
127.	Gill, D. R., Hatfull, G. F. & Salmond, G. P. C. Molec. gen. Genet. 205, 134−145 (1986). | PubMed | ChemPort |
128.	Lauffer, L. et al. Nature 318, 334−338 (1985). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
129.	Broek, D. et al. Cell 48, 789−799 (1987). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
130.	Camonis, J. H. et al. EMBO J. 5, 375−380 (1986). | PubMed | ISI |