蛋白激酶 CK2 是一種具有多種功能的絲胺酸/蘇胺酸蛋白質激酶，CK2 作用的受質眾多且廣泛表現在哺乳類動物細胞中，對於細胞週期的發展、轉錄作用以及抗細胞凋亡等機制扮演非常重要的角色。在神經系統中，CK2 已知可以保護神經細胞以抵抗外來的傷害，但是其分子層面的機制目前尚未釐清。本篇論文的研究重點在於探討 CK2 保護作用可能參與的細胞分子機制。血清反應因子 SRF 是一種哺乳類動物細胞的轉錄因子，調控基因的轉錄作用來促進細胞的存活。Mcl-1 是抗細胞凋亡家族 Bcl-xL 家族蛋白成員之一，可以促進細胞的存活能力。先前研究指出，SRF 會受到 CK2 的磷酸化作用而增加本身的 DNA 結合能力。在其他研究也指出，Mcl-1 會受到 SRF 的調控。在本篇論文的第一部份，著重於 Mcl-1 的表現是否會受到 CK2 調控 SRF 的路徑所影響，實驗結果顯示，轉染野生型 CK2α 質體 DNA 可以增加海馬迴 CA1 腦區的 SRF 磷酸化，而轉染不活化的突變型 CK2αΑ156 質體 DNA 則會減少 SRF 的磷酸化。更進一步，轉染野生型 CK2α 會增加 Mcl-1 的 mRNA 及蛋白質表現，轉染突變型 CK2αΑ156 則減少 Mcl-1 的表現。此外，轉染突變型 SRF99A 也會減少 Mcl-1 的 mRNA 及蛋白質表現；而且在共同轉染實驗中，SRF99A 會拮抗野生型 CK2α 對促進的 Mcl-1 蛋白質表現的作用。 另一方面，DARPP-32 是一個在新紋狀體神經細胞中具有調控多巴胺訊息效力的訊息傳遞分子。先前研究指出，DARPP-32 具有抗細胞凋亡的功能，且發現在 DARPP-32 Ser102 氨基酸會受 CK2 的磷酸化作用。因此，本篇論文的第二部份主要是探討 CK2 的抗細胞凋亡能力是否是透過磷酸化 DARPP-32 來調控。實驗結果顯示，轉染野生型 CK2α 可以增加紋狀體 DARPP-32 的磷酸化，而轉染不活化的突變型 CK2αΑ156 則會減少 DARPP-32 的磷酸化。此外，轉染 CK2α 的小干擾 RNA (siRNA) 可以抑制內生性的 CK2 表現，同時也會減少 DARPP-32 的磷酸化以及抗細胞凋亡蛋白, Bcl-xL 的表現。綜合這些實驗結果，CK2α可以分別透過 SRF 或 DARPP-32 調控的訊息傳遞來促進 Mcl-1 或 Bcl-xL 的表現進而調控神經系統的抗細胞凋亡機制。 / Protein kinase CK2 is a multifunctional serine/threonine protein kinase with many protein substrares and is ubiquitously expressed in mammalian cells to play an important role in cell cycle progression, transcription, and anti-apoptosis. In the nervous system, CK2 is shown to protect neurons against injury, but the cellular mechanisms are not well studies. In the present studies, we investigate which cellular mechanism might involve in the CK2 protection effects. The serum response factor (SRF) is a mammalian transcription factor which mediates some gene transcriptions relevent to promote the cell survival. The Myeloid cell leukemin 1 (Mcl-1) is one of the anti-apoptotic Bcl-2 family members and is involved in promoting cell viability. Previous studied have revealed that the SRF phosphorylation by CK2 can enhance its DNA-binding activity. The regulation of Mcl-1 by SRF has also been reported in other studies. In the first part of the present studies, we investigate whether the Mcl-1 expression is regulated by CK2 through SRF mediated pathway. The results from wildtype CK2α plasmid DNA transfection revealed that the phosphorylated SRF were increased in hippocampus CA1 region, whereas transfection of the catalytically inactive CK2αA156 mutant plasmid DNA decreased phosphorylated SRF. Further, wildtype CK2α increased, whereas CK2αA156 mutant decreased the mRNA and protein levels of Mcl-1. Moreover, transfection of the mutant SRF99A also decreased the mRNA and protein levels of Mcl-1. Furthermore, the mutant SRF99A antagonized the upregulatory effects of wildtype CK2α on Mcl-1 protein level in the co-transfection experiments. In the other side, DARPP-32 (dopamine- and cAMP-regulated phosphoprotein of Mr 32 kDa) is a signal transduction molecule that regulates the efficacy of dopamine signaling in neostriatal neurons. Previous studies have revealed that DARPP-32 might involve in the anti-apoptosis and its Ser102 residue is phosphorylated by CK2. Therefore, in the second part of this study, we investigate whether one of the anti-apoptotic effects of CK2 is through DARPP-32 phosphorylation by CK2 in the present study. The results revealed that the phosphorylated DARPP-32 is increased in stratum by wildtype CK2α transfection and decreased by catalytically inactive CK2αA156 mutant transfection. Further, transfection of CK2α siRNA can inhibit endogenous CK2 expression and also decrease phosphorylation of DARPP-32 as well as the anti-apoptotic protein, Bcl-xL. These results together suggest that CK2α-mediated anti-apoptotic effects are partially through SRF mediated or DARPP-32 mediated signaling to regulate Mcl-1 or Bcl-xL expression, respectively.

One of the main difficulties of addiction treatment is the high risk of relapse even after a longabstinence and fully detoxification. Therefore, discovering the underlying molecular principlesof relapse is essential. The metabotropic glutamate receptor, mGluR5, is considered to beinvolved in this aspect. One of the brain structures expressing mGluR5 is the striatum, an areawith well-established role in addiction which is largely composed of medium-sized spinyneurons (MSNs). These neurons are basically divided into two major subpopulationscharacterized based on their projections and protein properties. It is known that the mGluR5receptor is expressed on both subpopulations of MSNs. Consequently, it can be used to establishthe proportional contribution of each of MSNs subpopulations in relapse to addiction. In ourconstellation, we have generated a mouse line designed to have a selective mGluR5 knock-downin one of these subpopulations – the dopamine D1 receptor (D1R) expressing neurons. It hashowever been unclear if the expression of the transgene is indeed limited to only D1R-expressingneurons. By immunofluorescence technique, I here show that the construct is expressed only inMSNs and is restricted to the D1R-expressing cell population in the striatum. Thus the transgenicmouse line is a good tool for the study of mGluR5 selectively in D1R expressing neurons.

蛋白激酶 CK2 是一種具有多種功能的絲胺酸/蘇胺酸蛋白質激酶，其作用的受質眾多且普遍存在於哺乳類動物細胞中。從許多的研究結果顯示，蛋白激酶 CK2 參與調節許多的神經系統功能其中包括有神經保護作用，但是其分子層面的機制目前尚未釐清。DARPP-32（Dopamine- and cAMP-regulated phosphoprotein, Mr 32 kDa）主要表現在紋狀體中型多刺狀 GABA 神經元中的蛋白質，參與調控與藥物成癮相關的多巴胺訊息傳遞路徑，不過，近年來的一些研究報告指出DARPP-32亦參與了細胞的抗凋亡作用。雖然先前已有研究發現DARPP-32 Ser102胺基酸是CK2的磷酸化作用受質，但是並沒有進一步的研究證實，該胺基酸的磷酸化作用是否參與CK2所調控的細胞機制。屬於抗細胞凋亡蛋白Bcl-2 家族成員之ㄧ的bcl-x基因會經由pre-mRNA選擇性剪裁機制（alternative splicing）而產生兩種異構蛋白Bcl-xL和Bcl-xS，其中Bcl-xL蛋白被證實會促進細胞存活；而Bcl-xS蛋白則會造成細胞死亡。實驗室先前的研究結果發現，在神經滋養因子BDNF的刺激下，CK2可以促進Bcl-xL基因的表現，因此本論文欲進一步探討CK2對DARPP-32 Ser102的磷酸化作用是否參與CK2的抗細胞凋亡訊息傳遞，進而影響Bcl-xL和Bcl-xS的表現。實驗結果顯示，轉染野生型CK2α DNA質體會增加DARPP-32 Ser102的磷酸化現象、Bcl-xL的蛋白質表現以及Bcl-xL/Bcl-xS mRNA的比例；而處理 CK2 抑制劑 TBB 或轉染 CK2α siRNA則會降低 DARPP-32 Ser102的磷酸化現象、Bcl-xL的蛋白質表現以及Bcl-xL/Bcl-xS mRNA的比例。此外，轉染 DARPP-32 siRNA會降低 Bcl-xL的蛋白質表現。轉染模擬之磷酸化構型的DARPP-32 S102D DNA質體會增加Bcl-xL的蛋白質表現以及Bcl-xL/Bcl-xS mRNA的比例；但是，轉染突變型DARPP-32 S102A DNA質體則會降低Bcl-xL的蛋白質表現以及Bcl-xL/Bcl-xS mRNA的比例。進一步利用野生型CK2α和DARPP-32 S102A DNA質體進行細胞共同轉染的實驗結果則發現，DARPP-32 S102A會拮抗野生型 CK2α對促進Bcl-xL蛋白質表現的作用；另外，利用過氧過氫產生細胞氧化逆境下，CK2α或DARPP-32 siRNA處理可以顯著降低 DARPP-32 Ser102的磷酸化現象、Bcl-xL的蛋白質表現以及Bcl-xL/Bcl-xS mRNA的比例，同時會顯著造成細胞凋亡。綜合本論文的實驗結果，顯示CK2會透過DARPP-32 Ser102的磷酸化作用而調控Bcl-xL以及Bcl-xS的表現，而且在氧化逆境下，此條細胞訊息傳遞路徑應參與了細胞的抗凋亡機制。 / Protein kinase CK2 is a multifunctional serine/threonine protein kinase with many protein substrares and is ubiquitously expressed in mammalian cells. Many studies have shown that CK2 is involved in many neuronal functions including neuroprotection, but its cellular mechanisms are not well-studied. DARPP-32 (Dopamine- and cAMP-regulated phosphoprotein, Mr 32 kDa) is highly enriched in striatal medium-size spiny GABA neurons and is a prominent mediator of dopamine signalling which relates with drug abuse. Beside its well-known function in drug abuse, recent studies also reveal that DARPP-32 may be involved in the anti-apoptotic effects. Although the Ser102 residue of DARPP-32 is a phosphorylation site for CK2, this phosphorylation-mediated CK2 signaling has not been studied yet. The bcl-x gene, one member of the Bcl-2 family, encodes two isoform proteins Bcl-xL and Bcl-xS by the pre-mRNA alternative splicing. The former increases cell survival and the later enhances cell apoptosis. Our previous study found that CK2 can increase Bcl-xL expression by BDNF treatment. In the present study, we investigate whether DARPP-32 ser102 phosphorylation also mediates the CK2 signaling for cell survival. Our results revealed that DARPP-32 Ser102 phosphorylation, Bcl-xL protein level and Bcl-xL/Bcl-xS mRNA ratio were all increased by wild-type CK2α plasmid DNA transfection. Meanwhile, CK2 inhibitor TBB treatment or CK2α siRNA transfection decreased DARPP-32 Ser102 phosphorylation, Bcl-xL protein level and Bcl-xL/Bcl-xS mRNA ratio. On the other hand, DARPP-32 siRNA transfection decreased Bcl-xL protein level. Furthermore, transfection of DARPP-32 S102D, which mimics the constitutive phosphorylation form, increased whereas transfection of mutant S102A decreased the Bcl-xL protein level and Bcl-xL/Bcl-xS mRNA ratio. Further, the mutant DARPP-32 S102A antagonized the up-regulatory effects of wild-type CK2α on Bcl-xL protein level in the co-transfection experiments. From the results of H2O2-induced oxidative stress experiments, we also found that prior knock-down of CK2 or DARPP-32 can aggravate the decrease in DARPP-32 Ser102 phosphorylation, Bcl-xL protein level and Bcl-xL/Bcl-xS mRNA ratio by H2O2 treatment. These results together suggest that DARPP-32 mediates CK2α signaling in regulating Bcl-xL/Bcl-xS expression and this signaling pathway might be involved in cell survival under oxidative stress.

蛋白激酶 CK2 是一種具有多功能的絲胺酸/蘇胺酸蛋白激酶，大量表現於哺乳類動物的腦中，對於調控細胞週期的發展、基因表現、訊息傳遞以及抗細胞凋亡機制扮演相當重要的角色。許多研究顯示 CK2 也參與調節許多神經系統功能，包括神經保護及神經存活，但是其中調控機制目前尚未釐清。DARPP-32 (dopamine- and cAMP- regulated phosphoprotein with a molecular mass of 32 kDa) 主要表現在紋狀體中型多刺狀神經元中，過去研究已證實 DARPP-32 Ser102 胺基酸是CK2 的磷酸化作用受質。雖然DARPP-32 被發現主要透過抑制蛋白磷酸水解酶 PP1 參與藥物成癮的細胞調控機制，但近年研究指出DARPP-32 也參與抗細胞凋亡作用。PP1 是真核細胞的絲胺酸/蘇胺酸磷酸水解酶，能調節多種細胞功能，如轉錄、細胞訊息傳遞及細胞凋亡。過去文獻已指出 PP1 可以調節 Bcl-x 基因的 pre-mRNA 選擇性剪切，再經由轉譯過程合成抗細胞凋亡 Bcl-xL 異構蛋白，研究也發現抑制 PP1 可以防止細胞週期的停滯及細胞凋亡，強調細胞在壓力的情況下，PP1 扮演了相當關鍵性的角色。因此論文以人類神經母細胞瘤 SH-SY5Y 為實驗模式，探討透過 CK2 調控 DARPP-32 Ser102 的磷酸化是否具有抑制 PP1 的活性並促進細胞存活的作用。實驗結果顯示，抑制 CK2或DARPP-32 蛋白含量會導致細胞存活率下降，轉染 CK2 siRNA 會降低 DARPP-32 Ser102 的磷酸化現象、Bcl-xL 的蛋白質表現；轉染DARPP-32 siRNA 及突變型DARPP-32 S102A DNA 質體也會降低 Bcl-xL 的蛋白質表現，PP1 活性則會因轉染突變型DARPP-32 S102A DNA 質體而增加；此外，給予 PP1 抑制劑的實驗結果發現會促進 Bcl-xL/Bcl-xS mRNA 的比例以及 Bcl-xL 的蛋白質表現量。利用過氧化氫誘導細胞造成氧化壓力狀況下，同時給予 PP1 抑制劑，發現 Bcl-xL 的蛋白質表現量會回復以及促進細胞存活。轉染 CK2-EGFP 或 DARPP-32 S102D DNA 質體可以顯著回復Bcl-xL 的蛋白質表現量及Bcl-xL/Bcl-xS mRNA 的比例，轉染 DARPP-32 S102D DNA 質體亦可降低 PP1 的活性。論文的實驗結果提供 CK2 調節抗細胞凋亡基因表現的新機制，是經由促進 DARPP-32 Ser102 磷酸化作用進而抑制 PP1 活性，此條細胞訊息傳遞路徑將可提供應用於在氧化壓力下提升神經存活的臨床治療。 / Protein kinase casein kinase II (CK2) is a multifunctional serine/threonine protein kinase and is highly abundant expression in the mammalian brain. CK2 plays an important role in the regulation of the cell cycle, gene expression, signal transduction and anti-apoptotic mechanisms. A number of studies have indicated that CK2 is involved in several neuronal functions including the neuroprotection and neuron survival, but its cellular mechanisms are not well-studied. The DARPP-32 (dopamine- and cAMP-regulated phosphoprotein with a molecular mass of 32 kDa) is highly enriched in the striatal medium spiny neurons and the Ser102 residue is identified as the phosphorylation site for CK2. Although DARPP-32 is known as a prominent cellular mediator of drug abuse through the inhibition of protein phosphatase 1 (PP1), the recent studies indicate that DARPP-32 may also be involved in the anti-apoptotic effects. Protein phosphatase PP1 is a major eukaryotic serine/threonine phosphatase that regulates diverse cellular functions such as transcription, cell signaling and apoptosis. PP1 is indicated to regulate the pre-mRNA alternative splicing of Bcl-x gene to encode the anti-apoptotic Bcl-xL isoform. Inhibition of PP1 prevents the induction of cell cycle arrest and apoptosis, underlines the crucial role of PP1 in the cellular response to the stress. In my thesis study, the neuroblastoma SH-SY5Y cell line system was used to investigate whether the promotion of cell survival by PP1 inhibition is through the signaling pathway of DARPP-32 Ser102 phosphorylation by CK2. The current results reveals that the cell viability is decreased under down-regulations of CK2 and DARPP-32. The Ser102 phosphorylation status of DARPP-32, Bcl-xL mRNA and protein level are decreased by CK2 siRNA transfection. Transfection of either DARPP-32 siRNA or mutant DARPP-32 S102A plasmid DNA decreased the Bcl-xL protein level. The PP1 activity was increased by mutant DARPP-32 S102A plasmid DNA transfection. Furthermore, the PP1 inhibitor treatment increased the Bcl-xL/Bcl-xS mRNA ratio and Bcl-xL protein level. Under oxidative stress, inhibition of PP1 activity can reverse the H2O2-induced decrease in Bcl-xL protein level and promote the cell viability. The transfection of CK2-EGFP or DARPP-32 S102D plasmid DNA both can antagonize the effects of H2O2 on Bcl-xL protein level and the Bcl-xL/Bcl-xS mRNA ratio. The DARPP-32 S102D plasmid DNA transfection also attenuated the induction of PP1 activity under oxidative stress. These findings provide another insight for the regulation of anti-apoptotic gene expression by inhibition of PP1 activity through DARPP-32 phosphorylation on Ser102 by CK2. This signaling pathway might be applied in the clinical therapy for neuronal survival under oxidative stress.

Η παρούσα εργασία αφορά στη μελέτη της ανταγωνιστικής αλληλεπίδρασης των Α1/D1 υποδοχέων στο επίπεδο έκφρασης του πρώιμου γονιδίου zif/268 (δείκτης νευρωνικής δραστηριότητας) και της in vivo μεταγωγής σήματος των Α1 και Α2Α υποδοχέων αδενοσίνης κάτω από τη ντοπαμινεργική απονεύρωση στο μυ weaver. Ο μυς weaver αποτελεί ένα γενετικό μοντέλο ντοπαμινεργικής απονεύρωσης, η οποία συμβαίνει σταδιακά, έτσι ώστε το μοντέλο αυτό να προσομοιάζει τη Νόσο Πάρκινσον (ΝΠ) στον άνθρωπο. Στο πρώτο στάδιο της μελέτης προέκυψε το ενδιαφέρον αποτέλεσμα ότι με την ταυτόχρονη ενεργοποίηση των Α1 και D1 υποδοχέων παρατηρήθηκε η αναμενόμενη ανταγωνιστική αλληλεπίδραση (ενδεχομένως μέσω σχηματισμού του ετεροδιμερούς), ενώ με την ενεργοποίηση μόνο των Α1 υποδοχέων στους weaver μύες παρατηρήθηκε αυξημένη ενεργοποίηση των νευρώνων του ραβδωτού σώματος και συγκεκριμένων περιοχών του εγκεφαλικού φλοιού. Η ενεργοποίηση αυτή ήταν μη αναμενόμενη, δεδομένου ότι οι Α1 υποδοχείς (A1Rs) είναι συζευγμένοι με Gi πρωτεΐνες και καταστέλλουν τη μεταγωγή σήματος που οδηγεί στην επαγωγή του zif/268 μέσω του D1R/Gs/cAMP/PKA/pDARPP-32/pCREB μονοπατιού. Η ακόλουθη διερεύνηση του μηχανισμού έδειξε ότι η Α1R-επαγόμενη ενεργοποίηση του zif/268 καταστέλλεται από τον ειδικό ανταγωνιστή των Α2Α υποδοχέων αδενοσίνης (A2ARs) ZM241385 και από τον ειδικό αγωνιστή των D2 υποδοχέων ντοπαμίνης Quinpirole, υποδεικνύοντας την ενεργοποίηση των Α2ΑRs και άρα ενεργοποίηση της έμμεσης οδού. Το αποτέλεσμα αυτό επιβεβαιώθηκε, δεδομένου ότι η διέγερση των Α1Rs προκάλεσε αύξηση της έκφρασης του mRNA της εγκεφαλίνης, αλλά όχι της δυνορφίνης, που αποτελούν δείκτες ενεργοποίησης της έμμεσης και της άμεσης οδού, αντίστοιχα. Το γεγονός ότι ο αγωνιστής των Α1Rs δεν προκαλεί στα φυσιολογικά ζώα ενεργοποίηση του zif/268 mRNA υποδεικνύει την υπερευαίσθητη απόκριση των Α2ARs. Η μελέτη της υπερευαίσθητης αυτής απόκρισης στο μυ weaver έγινε με τη διερεύνηση της μεταγωγής σήματος μετά από in vivo ενεργοποίηση των Α2ΑRs: α) του καθιερωμένου μονοπατιού Α2ΑRs/Gs/AC/cAMP/PKA/pDARPP-32/pCREB, το οποίο οδηγεί στη επαγωγή του zif/268 και β) του μονοπατιού των ΜΑΡΚ. Τα αποτελέσματα έδειξαν αυξημένα βασικά επίπεδα φωσφορυλίωσης της DARPP-32 στη θέση Thr-34. Τα αυξημένα επίπεδα της φωσφορυλιωμένης DARPP-32 πολλαπλασιάζουν τη δράση της ΡΚΑ και άρα διευκολύνουν τη μεταγωγή σήματος μέσω Α2ΑRs/Gs/AC/cAMP/PKA/pDARPP-32/pCREB μονοπατιού. Επομένως, η υπερευαίσθητη απόκριση των Α2ΑRs κάτω από την έλλειψη ντοπαμίνης στο μυ weaver φαίνεται να οφείλεται στα αυξημένα ενδογενή επίπεδα της φωσφορυλιωμένης DARPP-32. Ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι τα βασικά επίπεδα φωσφορυλίωσης των πρωτεϊνών ERK1/2(MAPK44/42) είναι αυξημένα στον μυ weaver, αλλά μειώνονται σημαντικά μετά από την ενεργοποίηση των Α2ΑRs. Δεν γνωρίζουμε το μηχανισμό μέσω του οποίου αυξάνονται τα ενδογενή επίπεδα των ERK1/2 και πρέπει να διερευνηθεί περαιτέρω. Το συμπέρασμα όμως που εξάγεται είναι ότι κάτω από τη ντοπαμινεργική απονεύρωση η μεταβίβαση σήματος μέσω των Α2ΑRs δεν ενεργοποιεί την οδό των MAP κινασών. Στην παρούσα in vivo μελέτη αναδεικνύεται ο ρόλος των Α1 και Α2Α υποδοχέων στην λειτουργία των βασικών γαγγλίων κάτω από τη ντοπαμινεργική απονεύρωση. Τα αποτελέσματα αυτά έχουν ιδιαίτερη σημασία δεδομένου ότι εμφανίζονται σε ένα γενετικό μοντέλο παρκινσονισμού, στο οποίο η εκφύλιση των ντοπαμινεργικών νευρώνων είναι σταδιακή και προσομοιάζει τη ΝΠ, και όχι οξεία, όπως σε άλλα τοξικά μοντέλα. Επιπλέον, τα αποτελέσματα αυτά παρουσιάζουν ενδεχομένως κλινικό ενδιαφέρον, δεδομένου ότι η ενεργοποίηση της έμμεσης οδού μέσω Α1Rs από την ενδογενή αδενοσίνη θα επιδείνωνε περαιτέρω τις κινητικές δυσλειτουργίες της ΝΠ. Η πληροφορία αυτή, καθώς και η γνώση για την ενισχυμένη μεταγωγή σήματος μέσω των Α2Α υποδοχέων ενισχύουν την πρόταση για χρήση των Α2Α ανταγωνιστών ως αντιπαρκινσονικά φάρμακα. Δεδομένου ότι σήμερα το ενδιαφέρον είναι στραμμένο στη δημιουργία διμερών προσδεμάτων (bivalent ligands) που μπορούν να δρουν ταυτόχρονα σε δύο υποδοχείς, η συγκεκριμένη πληροφορία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για μελλοντική δημιουργία φαρμακευτικού σχήματος που να δρα ταυτόχρονα ως αγωνιστής των D2 υποδοχέων ντοπαμίνης και ως ανταγωνιστής των Α2Α υποδοχέων αδενοσίνης. / The present work studied the antagonistic interaction of A1/D1 receptors at the level of mRNA expression of the immediate early gene zif/268 (used as a marker of neuronal function). In parallel we studied the in vivo signal transduction of A1 and A2A adenosine receptors under dopamine deficiency in weaver mutant. The weaver mutant represents the only genetic animal model of gradual nigrostriatal neuron degeneration, which can be characterized as a pathophysiological phenocopy of Parkinson’s Disease. In the first part of the study, the co-activation of A1 and D1 receptors revealed the well-known antagonistic interaction of these receptors (possibly through the formation of A1/D1 heterodimer) in weaver mutant. An interesting result was that the activation of A1 receptors alone did induce zif/268 mRNA expression in stiatal and specific cortical neurons in weaver mutant. This induction was not expected, since A1 receptors are Gi-coupled and suppress the signal transduction pathway that leads to zif/268 induction through AC/PKA/p-DARPP-32/pCREB cascade. Further study, revealed that the A1 receptor-induced zif/268 mRNA expression is counteracted by the A2A receptor selective antagonist ZM241385 and by the D2 receptor selective agonist Quinpirole, suggesting the activation of A2A receptors and thus the activation of the “indirect pathway”. Moreover, A1 receptors activation induced the expression of enkephalin mRNA, but not of dynorphin, which are considered as marker of neuronal activation of the “indirect” and the “direct” pathway, respectively. The fact that the A1 receptor agonist did not induced zif/268 mRNA expression in +/+ animals indicates that under dopamine deficiency the A2A receptors react with a supersensitive response. This response was analyzed in weaver mouse after in vivo A2A receptor activation: a) by examining the classical signal transduction pathway of A2A receptors/AC/PKA/p-DARPP-32/pCREB, which leads to zif/268 expression and b) by studying the MAPK cascade. Results showed increased basal phosphorylation levels of DARPP-32 (dopamine- and cAMP-regulated phosphoprotein, MW 32kDa) of Thr-34 in weaver compared to control mice. Increased phosphoThr34-DARPP-32 would amplify the effects of the PKA and thus facilitating the signal transduction through A2A receptors/AC/PKA/p-DARPP-32/pCREB. Therefore, the A2A receptors supersensitive response under dopamine deficiency in weaver mutant seems to be due to elevated endogenous phosphorylation levels of DARPP-32. Interestingly, while the basal phosphorylation levels of ERK1/2 (MAPK44/42) are elevated in weaver mutant, they are significantly reduced after A2A receptor activation. Although we do not know the mechanism through which the endogenous ERK1/2 levels are elevated, the conclusion is that, under dopamine deficiency, A2A receptors do not activate MAPK cascade. The present in vivo study demonstrates the role of A1 and A2A adenosine receptors in the function of basal ganglia under dopamine deficiency. Our results are significant since the expreriments were performed in a genetic parkinsonian model, in which the dopaminergic neurons are gradually degenerated and thus simulate the human PD, and not in an acute toxic model. Moreover, these results could be of possible clinical relevance, since the activation of A1 receptors by endogenous adenosine would exaggerate the motor dysfunctions of PD. Furthermore, the enhanced signal transduction pathway through A2A receptors supports the suggestion that the A2A receptor antagonists as antiparkinsonian agents. Given the well-known A2A/D2 antagonistic interaction, new therapeutical prospectives would involve the development of pharmacological bivalent ligands, which can interact with the A2A/D2 receptors and act simultaneously as A2A receptor antagonists and as D2 receptor agonists.

蛋白激酶CK2（Casine kinase 2）為四單體所構成，針對配受質蛋白之絲胺酸或蘇胺酸位置進行磷酸化，先前研究已經發現在紋狀體腦區之CK2的表現量與活性皆高於大腦中其餘腦區，而紋狀體腦區主要神經細胞為-氨基丁酸神經元（GABAergic neurons）的medium spiny neuron（MSN），會受到來自黑質多巴胺神經細胞（dopaminergic neurons）的調控。此外，DARPP-32（dopamine- and cAMP-regulated phosphoprotein, Mr 32 kDA）蛋白亦被發現大量表現於在MSN細胞中，且為CK2之受質蛋白質。雖然CK2已被證實參與多巴胺神經元的神經保護機制，但是否參與MSN細胞對運動行為調控之生理機制仍未清楚。由於已有研究發現施予1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶（MPTP）藥物處理造成黑質-紋狀體腦區受損之老鼠腦內-氨基丁酸（GABA）的生合成酵素─麩胺酸脫羧酵素67（GAD67）表現量與正常老鼠不同，因此本論文研究的主題擬在大鼠實驗模式中利用MPP+造成投射至紋狀體之多巴胺神經細胞受損，探討當多巴胺調控紋狀體神經細胞能力缺失的狀態下，MSN細胞之CK2、DARPP-32和GAD蛋白表現與動物運動行為之相關性。 實驗結果發現，直接於紋狀體給予1-甲基-4-苯基碘化啶 （MPP+ Iodide）皆會造成CK2、DARPP-32以及GAD67之蛋白質含量的減少，多巴胺及其代謝物和GABA等神經化學傳遞物質亦有減少的現象；另外，在MPP+給予前分別操弄CK2或DARPP-32 胺基酸Ser102磷酸化的表現，皆會改變GAD67蛋白質含量與黑質酪胺酸羥化酶（Tyrosine Hydroxylase, TH）蛋白質含量，同時神經化學傳遞物質的含量或代謝亦有改變。由現有之結果推測CK2/DARPP-32/GAD67細胞訊息傳遞機制可能參與巴金森氏症運動行為失常之細胞層面的調控。 / Protein kinase CK2 is a heterotetrameric and serine/threonine protein kinase. Its protein levels and activity are found to be elevated in the striatum when compared to other brain areas. CK2 is known to involve in the neuroprotective effects of dopaminergic neurons, whether it also regulates the neuronal function relative to motor behaviors is still unclear. DARPP-32 protein is known as one of the substrates for CK2 and is highly expressed in the GABAergic medium spiny neurons (MSN) responsible for dopamine stimulation in the striatum. Furthermore, other studies have indicated that the expression of glutamic acid decarboxylase 67 (GAD67) mRNA and protein was different in the striatum of MPTP vs. naïve animals, which is one of the enzymes responsible for the synthesis of neurotransmitter GABA. In the present study, we observed that the parallel changes in protein levels of CK2, DARPP-32 and GAD67 in the striatum and TH in the substantia nigra of MPP+-treated. We also found that manipulation of CK2 or DARPP-32 gene expression aggravated the MPP+-induced neuropathological dificts. The present results suggest that CK2/DARPP-32/GAD67 signaling pathway might involve in the cellular mechanism of motor-deficit in Parkinson’s disease.