Glycans (monosaccharides and oligosaccharides) and their conjugates (glycoproteins, glycolipids, and proteoglycans) are structurally diverse biomolecules that are involved in many biological processes of health and disease. The structural diversity of glycans and glycoconjugates is owed to their monosaccharide composition, anomeric state, glycosidic linkage, modification (phosphorylation, sulfation, acetylation, etc.) and aglycone (protein, lipid, etc.). These diverse structures are controlled by complex glycosylation processes in cells, which are mediated by various glycosyltransferases and glycosidases. Glycosylation processes can be chemically regulated by inhibition of glycosyltransferases or glycosidases with natural and synthetic molecules. Treatment of cells with inhibitors of these enzymes results in the production of glycans or glycoconjugates containing missing or altered glycan chains. This approach is highly useful for examining the potential functional role(s) of glycans and glycoconjugates in cells or tissues, and in biological processes of health and disease. Eventually, it will provide novel mechanisms for disease treatment. This review highlights recent developments in chemical regulation of glycosylation processes with specific targets including: inhibition of (1) N-glycosylation, (2) O-glycosylation, (3) O-linked GlcNAc glycosylation, (4) proteoglycan biosynthesis, (5) glycolipid biosynthesis, and (6) terminal glycosylation. The goal of this review is to provide researchers with more competent choices in their research and lay a foundation on which continued advancements can be made to promote further explorations in glycoscience and biomedical research and applications.

A novel lectin, termed “MytiLec,” was isolated and characterized from the mussel Mytilus galloprovincialis, an important food and environmental indicator species found in marine coastal areas worldwide. MytiLec binds to the sugar moiety of globotriose (Gb3), an α-galactoside, leading to apoptosis of Gb3-expressing Burkitt’s lymphoma cells. The amino acid sequence of MytiLec is unusual, but 3-dimensional structural analysis reveals the presence of β-trefoil fold, a well-known feature in “R-type” lectins, a family of galactose-binding proteins found in many types of organisms. To date, MytiLec has been found only in a few species of the mollusk family Mytilidae and the phylum Brachiopoda, which also express typical R-type lectins. In this minireview, we discuss: (i) possible reasons for the unusual coexistence of two distinct lectin families in the same animal family; (ii) structural models of MytiLec that are useful for design of lectins with improved anti-cancer properties; (iii) construction of “Mitsuba,” an artificial lectin based on MytiLec that has similar carbohydrate-binding activity but a more stable monomeric form; (iv) regulation of cell growth by MytiLec and related lectins through binding to glycans.

Recently, homogenous glycoprotein has been prepared by using a chemoenzymatic approach to investigate the function of glycoproteins. Glycoproteins produced by cultured cells generally have heterogeneous glycans, so it is unclear which glycan is associated with the function of the glycoprotein. Moreover, because glycoproteins are heterogeneous, it is difficult to analyze their structure by X-ray crystal diffraction or NMR measurement. To solve this problem, transgenic cells have been developed to produce homogeneous glycoproteins through control of the biosynthetic pathway, but it is difficult to prepare glycoproteins with various kinds of homogeneous glycan by using this approach. Therefore, a chemoenzymatic approach using ENGase has been developed, and it enables the replacement of various glycans. Because antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity (ADCC) exists as an example of glycan function in glycoproteins, there have been many studies of glycan remodeling of antibodies. Here, I introduce recent research and technologies, and their progress, in the field of glycan remodeling.

Avian IgGs, also called IgYs, are a major immunoglobulin in serum and egg yolk. Unlike mammalian IgGs, avian IgGs lack a highly flexible hinge between the Fab and Fc regions, but possess one additional immunoglobulin domain (CH2 domain) on the constant region of a heavy chain. By contrast, the CH3 domain of avian IgGs resembles the CH2 domain of mammalian IgGs, and one N-glycosylation site is located at a corresponding position in these two domains. N-Glycans at this position are located inside a cavity of two heavy chains, and are considered important for stabilization of the Fc region. However, only high mannose-type N-glycans including monoglucosylated forms (Glc₁Man_8–9GlcNAc₂), are present at the conserved N-glycosylation site in the CH3 domain of avian IgGs, whereas biantennary complex-type N-glycans are generally present on mammalian IgGs. On the other hand, the structures of complex-type N-glycans of avian IgGs, which are most likely located on the CH2 domain and variable regions, are highly heterogeneous due to alteration of glycan sequences at non-reducing termini. N-Glycan structures from chicken, quail, pigeon, gull, turkey, guineafowl, and peafowl IgGs, revealed that some contain Galα1-4Gal and/or Galβ1-4Gal sequences in a species-specific manner. The data suggested that the glycan structures of avian IgGs are very useful indicators to explore species-specific glycan differentiations among avian species.

C-linked glycosylation, one of the protein glycosylations, is a unique type of glycosylation in which an α-mannose is attached to the indole C2 carbon of a tryptophan residue via a C–C linkage and is so named C-mannosylation. C-mannosylation is enzymatically catalyzed in the endoplasmic reticulum (ER) lumen, and the N-terminal side Trp residue of the consensus amino acid sequence Trp-Xaa-Xaa-Trp/Cys (Xaa represents any amino acid) is often C-mannosylated. It has been reported that about 30 proteins are C-mannosylated, and the functions of C-mannosylation are becoming clear. In 2013, C. elegans dumpy-19 (dpy-19) was identified as a C-mannosyltransferase, and we revealed that DPY19L3, one of the human homologs of dpy-19, has similar activity in 2016. In this review, we describe previous studies about C-mannosylation, including our results and future research perspectives.

世界の沿岸に棲み、食材や環境指標動物として重要な二枚貝イガイ科ムラサキイガイから、新たなレクチン「マイティレック（MytiLec）」が発見された。それは、α-ガラクトシドであるグロボトリオース（Gb3）糖鎖と結合し、Gb3を持つリンパ腫細胞に投与するとプログラム細胞死を誘導した。このレクチンは、これまでに知られていなかった新たな一次構造から作られていたが、その立体は、レクチンの代表一次構造家系のひとつ「R-型レクチン」の立体であるβ-トレフォイル（三つ葉）骨格を成していた。マイティレックの類似遺伝子を探してゆくと、イガイ科と一部の軟体動物門二枚貝、そして腕足動物門に限定して存在し、ここに「マイティレクチン」という新たなタンパク質の一次構造家系の存在していることが判明した。一方、イガイ科にはR-型レクチン家系も存在した。なぜ二枚貝には、同一の骨格を持つ、異なる二つのレクチン家系が存在したのか、その理由を推論したい。マイティレックの持つ抗がん作用を創薬へ活かす目的から、立体をコンピューターで解析し祖先アミノ酸配列を推定した。それを改良して、マイティレックよりも対称性と安定性に冨み、糖鎖結合性を同じくする人工レクチン「ミツバ（Mitsuba）-1」が造られた。ミツバ-1の立体構造と作用とをマイティレックのそれらと比較して、マイティレクチン家系の持つ糖鎖を介した細胞制御のしくみを考察する。

近年、酵素化学的手法を用いた均一化された糖タンパク質の調製を行い、その糖タンパク質の機能を調査する研究が盛んになっている。通常、培養細胞によって生産された糖タンパク質は、不均一な糖鎖構造を持つ為、どの糖鎖構造が糖タンパク質の機能に作用しているかが不明瞭である。また、糖タンパク質が不均一性を示している為、X線結晶解析やNMRによる糖タンパク質の構造解析も困難にしていた。この問題点を解決する手法として、細胞の遺伝子改変技術による生合成経路の制御等が行われてきたが、均一化した様々な種類の糖鎖を持つ糖タンパク質を調製するのは、非常に困難である。その為、様々な糖鎖の付け替えを可能とするエンドグリコシダーゼを用いた酵素化学的手法が開発された。現在、糖タンパク質上の糖鎖構造が機能に寄与している例として、抗体の細胞障害活性がある為、抗体の糖鎖改変が数多く行われている。今回、これらの研究や技術を紹介して、今後の糖鎖研究の進展を議論する。

鳥類のIgGは血清および卵黄に存在する主要な免疫グロブリンで、IgYとも呼ばれている。哺乳類のIgGではFabとFc領域の間に柔軟性に富んだヒンジ領域が存在するが、鳥類のIgGではその代わりに重鎖の定常領域に免疫グロブリンドメイン（CH2ドメイン）を一つ多くもつ。これに対し、鳥類IgGのCH3ドメインは、哺乳類IgGのCH2ドメインに似ており、1つのN型糖鎖の付加部位はこれらのドメイン上の相当するアミノ酸配列の位置に局在している。この位置のN型糖鎖は2つの重鎖によって形成される間隙の内側に面して存在し、Fc領域の安定化に寄与していると考えられている。しかし、この領域のN型糖鎖は、哺乳類IgGでは通常2本鎖の複合型糖鎖であるのに対し、鳥類IgGでは高マンノース型糖鎖のみ付加している。しかも分泌タンパク質では珍しいグルコースが1つ付加した高マンノース型糖鎖（Glc₁Man_8–9GlcNAc₂）が含まれている。一方、鳥類IgGに存在する複合型糖鎖はCH2ドメインおよび可変領域に局在すると考えられ、非還元末端側に多様な糖鎖配列が存在するため極めて不均一な構造をしている。ニワトリ、ウズラ、ハト、カモメ、シチメンチョウ、ホロホロチョウ、およびクジャクのIgGのN型糖鎖を比較すると、生物種特異的にGalα1-4GalやGalβ1-4Gal配列が存在する。この結果から、鳥類IgGの糖鎖構造は鳥類における種特異的な糖鎖構造の違いを探索する上で有用であると考えられる。

タンパク質糖鎖修飾の1種であるC型糖修飾は、単糖のα-マンノースがトリプトファン（Trp）残基のインドール環2位の炭素原子に対し炭素–炭素結合を介して付加するユニークな糖修飾であり、これらの特徴からC-マンノシル化と呼ばれている。C-マンノシル化は小胞体（ER）内腔において酵素により触媒され、そのコンセンサス配列はTrp-Xaa-Xaa-Trp/Cys（Xaa：任意のアミノ酸）であると報告されており、この配列中のアミノ末端側のTrpにおいてよく確認される。これまでにおよそ30種類のタンパク質でC-マンノシル化が報告されており、我々の研究成果を中心にその機能が徐々に明らかになりつつある。2013年には線虫のdumpy-19（dpy-19）がC-マンノシル化を触媒する酵素として報告され、2016年には線虫dpy-19のヒトホモログの1つDPY19L3が同様にC-マンノシル化酵素としての活性を有していることを我々は報告した。本レビューでは、C-マンノシル化のこれまでの研究を我々の研究成果を含めながら概説するとともに、これまでの研究成果から予想される今後の研究展望についてご紹介する。