Homer蛋白与疾病关系的研究进展*

罗萍，景伟，李南迪，涂建成

(武汉大学中南医院检验科/基因诊断中心，武汉 430071)

Homer蛋白与疾病关系的研究进展*

罗萍，景伟，李南迪，涂建成

(武汉大学中南医院检验科/基因诊断中心，武汉 430071)

Homer是一种突触后支架蛋白，由Homer1、Homer2、Homer3蛋白及其剪接体组成。Homer蛋白参与调节细胞信号转导、突触形成、受体聚集及细胞外谷氨酸水平，越来越多的研究表明其构成的改变与药物成瘾、阿尔茨海默病、听力障碍、急性髓细胞性白血病及实体肿瘤等多种疾病的发生、发展机理密切相关，提示其在疾病中可能具有重要的作用，该文通过综述Homer蛋白在疾病中的研究进展，展望其可能的临床应用价值。

Homer蛋白；疾病；展望

Homer蛋白家族由Homer1、Homer2、Homer3 3种蛋白质及它们的剪接体组成[1]。它们通过结合Ca2+相关的受体如代谢性谷氨酸受体、三磷酸肌醇受体、瞬时受体电位通道[2]、兰尼碱受体[3]等，参与体内Ca2+信号的调节，在维持大脑的多种功能方面发挥重要作用。近年来，越来越多的研究从不同角度探讨Homer与疾病的相关关系，发现其构成的改变可能与药物成瘾[4]、阿尔茨海默病[5]、急性髓细胞性白血病[6]、胆管癌[7]等多种疾病发生、发展相关，提示Homer可能是某些疾病进展的重要调节分子并有望作为疾病诊断或者预后判断的标志物，相关的临床和基础研究数据也更加丰富。本文就Homer的结构功能和其与疾病关系作一综述。

1 Homer的结构和功能

1.1 Homer蛋白的结构 Homer蛋白家族差异表达于脑、视网膜、心肌、骨骼肌、平滑肌、肝肾脾、睾丸、胸腺、胎盘、小肠多种不同的组织[8]，根据其C末端结构域的不同，可将其分为长类型和短类型。Homer蛋白N末端均含有1个高度保守的激活/血管扩张刺激磷蛋白同族体1(Enabled/vasodilator-stimulated phosphoprotein homology 1， EVH1)同源结构域[9]，而C端的卷曲螺旋结构和2个亮氨酸拉链基序仅存在于长Homer蛋白中。Homer1是最先被发现的Homer蛋白，由短类型Homer1a和长类型Homer1b/c组成[10]。长Homer蛋白在突触后持续表达，短Homer在无突触活动时处于一种相对较低的表达状态，但是突触活动可以引起未成熟的外显子向内含子转换，从而激活位于内含子中的转录终止信号，使经常转录的Homer1b/c变成Homer1a[11]。

1.2 Homer蛋白的功能 Homer蛋白氨基末端EVH1同源结构域是一个配体结合区，可以和代谢型谷氨酸受体(metabotropic glutamate receptor, mGluR)、瞬时受体电位通道(transient receptor potential channel, TRPC)[12]、三磷酸肌醇受体(inositol-1,4,5-triphosphate, IP3R)等多种钙通道蛋白相结合调节细胞内外Ca2+的平衡。静息状态下，Homer1b/c与TRPC1形成TRPC1-Homer1b/c-IP3R复合体，阻止TRPC1通道的自我激活，但当TRPC1 C端或N端的Homer蛋白结合位点突变时，此复合体解离，导致TRPC1的激活[2]，促进细胞外Ca2+进入到细胞内。缺少C末端卷曲螺旋结构域的Homer1a不能在TRPC1通道周围形成支架结构[2]，从而与Homer1b竞争结合TRPC1，使复合体解离，促进TRPC1通道开放。多数情况下EVH1同源结构域与其他蛋白质结合发挥作用，而C末端结构域多为自我组装，从而使长Homer形成四聚体。Homer1b/c已被证实能与其他长Homer蛋白相互作用，这个过程涉及到C端的卷曲螺旋结构或亮氨酸拉链，但氨基末端EVH1样结构域和P-基序并未参与其中[13]。

2 Homer与疾病

2.1 Homer和阿尔茨海默病 阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease, AD)是由于大脑中淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein, APP)水解产生的淀粉样β蛋白(amyloid β protein, Aβ)集聚造成的[14]，从而导致早期学习、记忆缺陷及认知障碍。Aβ缩肽易形成寡聚体，具有神经毒性[15]。在前皮质神经元中注入可溶性的Aβ会导致突触后密度蛋白的快速减少和Homer1b/c在突触后的解聚。Homer1a是活动依赖性诱导的，可以在AD的早期调节Aβ的毒性。在皮层椎体细胞中注入Homer1a蛋白可易化大电导Ca2+-激活的 K+通道(large-conductance Ca2+-activated K+,即BK通道)，而减弱神经的兴奋性[16]。在淀粉样前体蛋白-早衰素1转基因的小鼠AD模型中，Homer1amRNA的表达量降低[17]。原因为抑制BK通道会导致Ca2+平衡紊乱、谷氨酸过度释放[18]、易受低氧的损害，故而在AD大脑中抑制Homer1a的活动性可通过消除BK通道的易化性而导致神经元的退化[5]，相反，诱导Homer1a的表达会使Aβ抑制的BK通道重新激活，这可能成为一种治疗AD的新方法。

除了Aβ的作用，Ca2+稳态的失调也参与AD的形成过程。Homer蛋白可与mGluR、TRPC、IP3R等调节钙平衡的蛋白相互作用，同时参与诸如长时程增强，记忆形成、神经的可塑性等在AD中发生损伤的生理活动。APP可特异性与Homer2、Homer3作用而抑制APP向Aβ转化[19]。细胞内钙离子浓度的升高会促进APP/Homer复合体的解离[16]，Ca2+内流引起的APP/Homer的解离又反馈调节Ca2+对APP代谢的作用。以上研究提示Homer和Ca2+参与AD的病理发展过程,并具有重要作用，研制同时具备调节Aβ的产生和阻止钙离子的失衡的药物分子，可能达到有效治疗AD的目的。

2.2 Homer与药物成瘾 药物成瘾的主要原因是其直接或间接的拟神经递质作用。由药物诱导的突触可塑性改变会导致谷氨酸能和γ氨基丁酸能在中脑腹侧盖区(ventral tegmental area，VTA)、伏核(nucleus accumbens，NAc)和前额叶皮质(prefrontal cortex，PFC)处的突触传递的改变[20]，而Homer蛋白调节代谢型谷氨酸受体1/5(metabotropic glutamate receptor1/5, mGluR1/5)的功能和表达，表明其在药物成瘾中的重要作用。Homer作为突触后支架蛋白，既影响细胞外谷氨酸的水平又可影响mGluR1/5和N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartate ,NMDA)作用，还能调节前额叶谷氨酸的传递[1]。Rezvani等[21]研究表明，急性吸食可卡因、尼古丁和其他药物使PFC和NAc处的Homer1a蛋白表达升高,而反复可卡因给药后撤药可导致大鼠伏核内Homer1b/c蛋白表达下调。Homer1a的上调会破坏Homer蛋白与mGluR1及IP3的相互作用，从而使突触后神经元在形态结构上发生改变及泡内蛋白在分布上重排，继而易化可卡因对相关脑区神经元的可塑性改变[22]。尽管多数研究都集中在Homer1与可卡因的相互作用关系上，但Ary等[23]研究结果表明在长期限制吸食毒品时，可卡因会上调腹内侧前额叶皮质(ventromedial prefrontal cortex, vmPFC)处Homer2蛋白的表达水平。近期研究显示，可卡因诱导的Homer2和Homer1蛋白在vmPFC 处表达的失衡与觅求药物行为有关，表明药物引起的Homer蛋白在vmPFC处表达的改变会导致复吸[4]。

2.3 Homer与创伤性脑损伤 创伤性脑损伤(traumatic brain injury, TBI)是最常见的神经系统疾病，可引起神经元细胞的急性损伤，进而导致脑部损害及神经系统缺陷[24]。由谷氨酸升高引起的脑部兴奋性的增加在外伤所引起的TBI损害中起着重要作用。Luo等[24]的研究表明，发生TBI后，Homer1a表达水平快速升高，并通过调节mGluR1-Ca2+-ERK 信号减轻脑部损伤，改善神经系统的功能。越来越多的证据表明，Homer1b/c在mGluRs复合物的形成和维持中起着重要作用，如Fei等[25]研究发现，损伤后下调Homer1b/c可增加神经细胞的活力，从而为治疗TBI提供了新的靶向位点。

2.4 Homer与急性髓细胞白血病 急性髓细胞白血病(Acute myeloid leukemia, AML)临床表现及预后多样，高发人群主要是青少年[26]。Stirewalt等[27]用微阵列检测到Homer3在AML的原母细胞中呈异常表达，其表达水平与白血病FAB分型密切相关，且在M3型中表达水平最高。Homer3在预后良好的AML患者中的表达升高，而在预后不良的患者中却表达降低，提示Homer3表达水平与预后不良密切相关[6]。在白血病细胞系K562中转染Homer3可抑制细胞增生，影响细胞周期特性，使其停留在G2/M期，同时Homer3的高表达可使抑制凋亡蛋白Bcl2的表达明显下降[6]。以上结果表明Homer3可抑制AML的进展，可能成为AML的新的靶向治疗基因，并作为一个疗效评价指标。

2.5 Homer与其他疾病 Wagner等[28]研究表明，慢性压力会使Homer1b/c的表达升高,但不影响Homer1a的表达，在压力动物中Homer与mGluR5的相互作用减弱，敲除Homer1基因可导致对压力的易感性增加。Azaiez等[29]用测序的方法发现在听力缺陷的患者中Homer2蛋白的C末端结构域存在突变，并进一步证明突变的Homer2在内耳发育缺陷斑马鱼中呈高表达，此外，Homer2在小鼠中的缺失也可导致早发性进行性耳聋。 Jing等[30]的研究表明，Homer1在冠心病患者中呈高表达(P<0.05)，可作为诊断冠心病的指标。Wu等[7]研究表明，Homer1在胆管癌患者癌组织中的表达水平高于癌旁组织，且其表达水平与患者5年生存率成负相关(P=0.001)。

3 小结与展望

Homer结构的改变在疾病的发生、发展中起着重要作用。与以往局限于研究Homer在神经系统作用不同，目前的重点更多放在寻找Homer与冠心病、胆管癌、急性髓细胞白血病等疾病的关联关系。但其多为探索性研究，Homer蛋白家族在这些疾病发病过程中的详细分子机理及临床价值还有待深入。相信随着新技术的引入及作用机制的进一步揭示，Homer作为新的疾病诊断的分子标识和治疗靶点的用途也会不断被发掘。

[1]Shiraishi-Yamaguchi Y, Furuichi T. The Homer family proteins[J]. Genome Biol, 2007, 8(2): 206-218.

[2]Yuan JP, Kiselyov K, Shin DM,etal. Homer binds TRPC family channels and is required for gating of TRPC1 by IP3 receptors[J]. Cell, 2003, 114(6): 777-789.

[3]Huang G, Kim JY, Dehoff M,etal. Ca2+signaling in microdomains: Homer1 mediates the interaction between RyR2 and Cav1.2 to regulate excitation-contraction coupling[J]. J Biol Chem, 2007, 282(19): 14283-14290.

[4]Gould AT, Sacramento AD, Wroten MG,etal. Cocaine-elicited imbalances in ventromedial prefrontal cortex Homer1 versus Homer2 expression: implications for relapse[J]. Addict Biol, 2015, 20(1): 148-157.

[5]Yamamoto K, Ueta Y, Wang L,etal. Suppression of a neocortical potassium channel activity by intracellular amyloid-beta and its rescue with Homer1a[J]. J Neurosci, 2011, 31(31): 11100-11109.

[6]Li Z, Qiu HY, Jiao Y,etal. Growth and differentiation effects of Homer3 on a leukemia cell line[J]. Asian Pac J Cancer Prev, 2013, 14(4): 2525-2528.

[7]Wu SY, Yu MX, Li XG,etal. Identification of Homer1 as a potential prognostic marker for intrahepatic cholangiocarcinoma[J]. Asian Pac J Cancer Prev, 2014, 15(7): 3299-3304.

[8]Duncan RS, Hwang SY, Koulen P. Effects of Vesl/Homer proteins on intracellular signaling[J]. Exp Biol Med(Maywood), 2005, 230(8): 527-535.

[9]Guo W, Ceolin L, Collins KA,etal. Elevated CaMKIIalpha and hyperphosphorylation of homer mediate circuit dysfunction in a fragile X syndrome mouse model[J]. Cell Rep, 2015, 13(10): 2297-2311.

[10]Luo P, Li X, Fei Z,etal. Scaffold protein Homer 1: implications for neurological diseases[J]. Neurochem Int, 2012, 61(5): 731-738.

[11]Marton TM, Hussain Shuler MG, Worley PF. Homer 1a and mGluR5 phosphorylation in reward-sensitive metaplasticity: A hypothesis of neuronal selection and bidirectional synaptic plasticity[J]. Brain Res, 2015, 1628(Pt A): 17-28.

[12]Mast TG, Brann JH, Fadool DA. The TRPC2 channel forms protein-protein interactions with Homer and RTP in the rat vomeronasal organ[J]. BMC Neurosci, 2010, 11(61): 2-16.

[13]Hayashi MK, Ames HM, Hayashi Y. Tetrameric hub structure of postsynaptic scaffolding protein homer[J]. J Neurosci, 2006, 26(33): 8492-8501.

[14]刘俊恒, 潘继承, 朱建一, 等. 脑脊液中Aβ_(1-42)、tau蛋白及IL-6的检测在阿尔茨海默病诊断中的意义[J]. 临床检验杂志, 2004, 22(5): 383-383.

[15]Benilova I, Karran E, De Strooper B. The toxic Abeta oligomer and Alzheimer′s disease: an emperor in need of clothes[J]. Nat Neurosci, 2012, 15(3): 349-357.

[16]Kyratzi E, Efthimiopoulos S. Calcium regulates the interaction of amyloid precursor protein with Homer3 protein[J]. Neurobiol Aging, 2014, 35(9): 2053-2063.

[17]Dickey CA, Loring JF, Montgomery J,etal. Selectively reduced expression of synaptic plasticity-related genes in amyloid precursor protein + presenilin-1 transgenic mice[J]. J Neurosci, 2003, 23(12): 5219-5226.

[18]Yu Y, Maureira C, Liu X,etal. P/Q and N channels control baseline and spike-triggered calcium levels in neocortical axons and synaptic boutons[J]. J Neurosci, 2010, 30(35): 11858-11869.

[19]Parisiadou L, Bethani I, Michaki V,etal. Homer2 and Homer3 interact with amyloid precursor protein and inhibit Abeta production[J]. Neurobiol Dis, 2008, 30(3): 353-364.

[20]Luscher C, Malenka RC. Drug-evoked synaptic plasticity in addiction: from molecular changes to circuit remodeling[J]. Neuron, 2011, 69(4): 650-663.

[21]Rezvani K, Teng Y, Shim D,etal. Nicotine regulates multiple synaptic proteins by inhibiting proteasomal activity[J]. J Neurosci, 2007, 27(39): 10508-10519.

[22]Zhang GC, Mao LM, Liu XY,etal. In vivo regulation of Homer1a expression in the striatum by cocaine[J]. Mol Pharmacol, 2007, 71(4): 1148-1158.

[23]Ary AW, Szumlinski KK. Regional differences in the effects of withdrawal from repeated cocaine upon Homer and glutamate receptor expression: a two-species comparison[J]. Brain Res, 2007, 1184(2007): 295-305.

[24]Luo P, Chen T, Zhao Y,etal. Postsynaptic scaffold protein Homer 1a protects against traumatic brain injury via regulating group I metabotropic glutamate receptors[J]. Cell Death Dis, 2014, 10(5): e1174.

[25]Fei F, Rao W, Zhang L,etal. Downregulation of Homer1b/c improves neuronal survival after traumatic neuronal injury[J]. Neuroscience, 2014, 267(2014): 187-194.

[26]Burnett A, Wetzler M, Lowenberg B. Therapeutic advances in acute myeloid leukemia[J]. J Clin Oncol, 2011, 29(5): 487-494.

[27]Stirewalt DL, Meshinchi S, Kopecky KJ,etal. Identification of genes with abnormal expression changes in acute myeloid leukemia[J]. Genes Chromosomes Cancer, 2008, 47(1): 8-20.

[28]Wagner KV, Hartmann J, Labermaier C,etal. Homer1/mGluR5 activity moderates vulnerability to chronic social stress[J]. Neuropsychopharmacology, 2015, 40(5): 1222-1233.

[29]Azaiez H, Decker AR, Booth KT,etal. HOMER2, a stereociliary scaffolding protein, is essential for normal hearing in humans and mice[J]. PLoS Genet, 2015, 11(3): e1005137.

[30]Jing X, Chen SS, Jing W,etal. Diagnostic potential of differentially expressed Homer1, IL-1beta, and TNF-alpha in coronary artery disease[J]. Int J Mol Sci, 2015, 16(1): 535-546.

(本文编辑：许晓蒙)

10.13602/j.cnki.jcls.2017.03.14

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2012CB720605);NSFC-NIH生物医学合作研究项目(81261120403/H09298)。

罗萍，1990年生，女，硕士研究生，研究方向为临床检验诊断学。

涂建成，博士研究生导师，E-mail:jianchengtu@uhu.edu.cn。

R741

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2016-08-25)