Shank is a recently described family of postsynaptic proteins that function as part of the NMDA receptor–associated PSD-95 complex (Naisbitt et al., 1999 [this issue of Neuron]). Here, we report that Shank proteins also bind to Homer. Homer proteins form multivalent complexes that bind proline-rich motifs in group 1 metabotropic glutamate receptors and inositol trisphosphate receptors, thereby coupling these receptors in a signaling complex. A single Homer-binding site is identified in Shank, and Shank and Homer coimmunoprecipitate from brain and colocalize at postsynaptic densities. Moreover, Shank clusters mGluR5 in heterologous cells in the presence of Homer and mediates the coclustering of Homer with PSD-95/GKAP. Thus, Shank may cross-link Homer and PSD-95 complexes in the PSD and play a role in the signaling mechanisms of both mGluRs and NMDA receptors.

Group 1 metabotropic glutamate receptors (mGluRs) activate PI turnover and thereby trigger intracellular calcium release. Previously, we demonstrated that mGluRs form natural complexes with members of a family of Homer-related synaptic proteins. Here, we present evidence that Homer proteins form a physical tether linking mGluRs with the inositol trisphosphate receptors (IP3R). A novel proline-rich “Homer ligand” (PPXXFr) is identified in group 1 mGluRs and IP3R, and these receptors coimmunoprecipitate as a complex with Homer from brain. Expression of the IEG form of Homer, which lacks the ability to cross-link, modulates mGluR-induced intracellular calcium release. These studies identify a novel mechanism in calcium signaling and provide evidence that an IEG, whose expression is driven by synaptic activity, can directly modify a specific synaptic function.

The molecular determinants of gating and regulation of the calcium channel Orai1 by the ER Ca2+ sensor STIM1 during store-operated calcium entry are now defined. Influx of Ca2+ through store-operated Ca2+ channels (SOCs) is a central component of receptor-evoked Ca2+ signals1. Orai channels are SOCs2,3,4 that are gated by STIM1, a Ca2+ sensor located in the ER5,6 but how it gates and regulates the Orai channels is unknown. Here, we report the molecular basis for gating of Orais by STIM1. All Orai channels are fully activated by the conserved STIM1 amino acid fragment 344–442, which we termed SOAR (the STIM1 Orai activating region). SOAR acts in combination with STIM1 (450–485) to regulate the strength of interaction with Orai1. Activation of Orai1 by SOAR recapitulates all the kinetic properties of Orai1 activation by STIM1. However, mutations of STIM1 within SOAR prevent activation of Orai1 but not co-clustering of STIM1 and Orai1 in response to Ca2+ store depletion, indicating that STIM1–Orai1 co-clustering is not sufficient for Orai1 activation. An intact carboxy terminus α-helicial region of Orai is required for activation by SOAR. Deleting most of the Orai1 amino terminus impaired Orai1 activation by STIM1, but Orai1Δ1–73 interacted with and was fully activated by SOAR. Accordingly, the characteristic inward rectification of Orai is mediated by an interaction between the polybasic STIM1 (672–685) and a Pro-rich region in the N terminus of Orai1. Hence, the essential properties of Orai1 function can be rationalized by interactions with discrete regions of STIM1.

Abstract

 Homer is a neuronal immediate early gene (IEG) that is enriched at excitatory synapses and binds group 1 metabotropic glutamate receptors (mGluRs). Here, we characterize a family of Homer-related proteins derived from three distinct genes. Like Homer IEG (now termed Homer 1a), all new members bind group 1 mGluRs. In contrast to Homer 1a, new members are constitutively expressed and encode a C-terminal coiled-coil (CC) domain that mediates self-multimerization. CC-Homers form natural complexes that cross-link mGluRs and are enriched at the postsynaptic density. Homer 1a does not multimerize and blocks the association of mGluRs with CC-Homer complexes. These observations support a model in which the dynamic expression of Homer 1a competes with constitutively expressed CC-Homers to modify synaptic mGluR properties.

Receptor signaling at the plasma membrane often releases calcium from intracellular stores. For example, inositol triphosphate (IP3) produced by receptor-coupled phospholipase C activates an intracellular store calcium channel, the IP3R. Conversely, stores can induce extracellular calcium to enter the cell through plasma membrane channels, too. How this “reverse” coupling works was unclear, but store IP3Rs were proposed to bind and regulate plasma membrane TRP cation channels. Here, we demonstrate that the adaptor protein, termed Homer, facilitates a physical association between TRPC1 and the IP3R that is required for the TRP channel to respond to signals. The TRPC1-Homer-IP3R complex is dynamic and its disassembly parallels TRPC1 channel activation. Homer's action depends on its ability to crosslink and is blocked by the dominant-negative immediate early gene form, H1a. Since H1a is transcriptionally regulated by cellular activity, this mechanism can affect both short and long-term regulation of TRPC1 function.

Stromal interacting molecule 1 (STIM1) is a Ca2+ sensor that conveys the Ca2+ load of the endoplasmic reticulum to store-operated channels (SOCs) at the plasma membrane. Here, we report that STIM1 binds TRPC1, TRPC4 and TRPC5 and determines their function as SOCs. Inhibition of STIM1 function inhibits activation of TRPC5 by receptor stimulation, but not by La3+, suggesting that STIM1 is obligatory for activation of TRPC channels by agonists, but STIM1 is not essential for channel function. Through a distinct mechanism, STIM1 also regulates TRPC3 and TRPC6. STIM1 does not bind TRPC3 and TRPC6, and regulates their function indirectly by mediating the heteromultimerization of TRPC3 with TRPC1 and TRPC6 with TRPC4. TRPC7 is not regulated by STIM1. We propose a new definition of SOCs, as channels that are regulated by STIM1 and require the store depletion-mediated clustering of STIM1. By this definition, all TRPC channels, except TRPC7, function as SOCs.