Glycosaminoglycans (GAGs) such as chondroitin sulfates and heparan sulfates are linear polysaccharide chains that are covalently attached to multiple core proteins to form proteoglycans (PGs). GAG chain assembly begins with the synthesis of common protein linkage region tetrasaccharide (glucuronic acid-galactose-galactose-xylose; GlcA-Gal-Gal-Xyl); this linkage region tetrasaccharide is attached to specific serine residues of core proteins. The GAG-protein linkage region tetrasaccharide of PGs transiently exhibited 2-O-phosphorylation of xylose. We identified a Xyl kinase that phosphorylates C-2 of the xylose residue and phosphoxylose phosphatase. This review focuses on the biological significance of phosphorylation and dephosphorylation of Xyl residues in the linkage region tetrasaccharide of PGs.

Glycosphingolipids that play crucial roles in various physiological contexts are ubiquitous components of the eukaryotic plasma membrane. Complex structures of glycan chains found in glycosphingolipids are accurately synthesized by glycosyltransferases including the GM3 and GM2 synthases in the Golgi apparatus. We have identified three isoforms of mouse GM3 synthase (M1-, M2-, and M3-GM3S), which have distinct lengths of an NH₂-terminal cytoplasmic domain. These isoforms are co-expressed within a single cell, although they exhibit significant differences in their subcellular localization and protein stability. We have also found that GM2 synthase has two protein isoforms (M1- and M2-GM2S) with varying length of the NH₂-terminal. Notably, M1-GM2S enhances the stability of M2-GM2S through disulfide-linked heterodimerization. These isoforms could participate in spatiotemporally fine regulation of the functions of GM3 and GM2 synthases and contribute to the maintenance of the balance of glycosphingolipid synthesis. This review summarizes our current understanding of regulatory mechanisms underlying the glycosphingolipid biosynthesis, particularly focusing on the intracellular dynamics and isoform production of GM3 and GM2 synthases.

O-linked N-acetylglucosaminylation (O-GlcNAcylation) is a glycosylation characterized by the attachment of a single N-acetylglucosamine (GlcNAc) to the serine/threonine residues of nuclear, mitochondrial, and cytoplasmic proteins. Proteins modified by O-GlcNAc include signaling components, transcription factors, epigenetic regulators, and histones. O-GlcNAc has various functions such as inhibition of phosphorylation, regulation of transcriptional activity, stabilization of proteins, and regulation of intracellular localization. In recent years, O-GlcNAc has been drawing attention as a key factor for regulating the undifferentiated/differentiated state in mouse/human pluripotent stem cells, and the functions of O-GlcNAc have been gradually clarified. In this review, we introduce the versatile functions of O-GlcNAc in mouse/human pluripotent stem cells.

In demyelinating diseases such as multiple sclerosis, the regeneration of lost myelin sheaths (remyelination) is clinically important. N-acetyl glucosaminyl transferase IX (GnT-IX, GnT-Vb) is a branching enzyme on O-mannosyl glycan that is expressed exclusively in the brain in vivo. GnT-IX-deficient mice showed enhanced remyelination compared to wild-type mice in a cuprizone-induced demyelination model. In GnT-IX-deficient mice, astrocyte activation was attenuated while oligodendrocyte differentiation was simultaneously promoted, suggesting they are the causes of enhanced remyelination. HNK-1-capped branched O-mannosyl glycan is attached to should-be receptor-type protein tyrosine phosphatase ζ (PTPRZ) and expressed in reactive astrocytes. Moreover, GnT-IX was shown to be involved in PTPRZ lipid raft targeting. GnT-IX-deficient mice showed no obvious abnormalities; therefore, GnT-IX is a potential therapeutic target that promotes remyelination in demyelinating diseases.

グリコサミノグリカン（GAG）であるコンドロイチン硫酸およびへパラン硫酸は、直鎖の多糖で、コアタンパク質に共有結合し、プロテオグリカンとして存在している。GAG鎖は、特定のコアタンパク質のセリン残基に、結合領域四糖（グルクロン酸-ガラクトース-ガラクトース-キシロース；GlcA-Gal-Gal-Xyl）構造を介して生合成される。プロテオグリカンのGAG-結合領域四糖におけるキシロースの2位のヒドロキシ基はリン酸化修飾される場合があり、著者らはこの2位にリン酸基を転移するキシロースキナーゼとキシロースリン酸脱リン酸化酵素を同定した。本総説では、プロテオグリカンの結合領域四糖におけるキシロースのリン酸化および脱リン酸化の生物学的意義についての知見を紹介する。

スフィンゴ糖脂質は様々な生理現象で重要な役割を担う、真核生物の細胞膜を構成する普遍的な分子である。スフィンゴ糖脂質の複雑な糖鎖構造はGM3合成酵素（GM3S）やGM2合成酵素（GM2S）を含む糖転移酵素によってゴルジ体で正確に作り出される。我々はマウスGM3SにおいてN末端の細胞質領域の長さが異なる三種類のアイソフォーム（M1-、M2-、M3-GM3S）を同定した。これらアイソフォームは一つの細胞内に共存し、細胞内局在と安定性が大きく異なる。我々はGM2SにもN末端の長さが異なる二種類のアイソフォーム（M1-、M2-GM2S）が存在することを見出した。M1-GM2Sはジスルフィド結合を介したヘテロダイマー形成によって、M2-GM2Sの安定性を上昇させる。これらアイソフォームは、GM3S及びGM2Sの機能を時空間的に微調節し、スフィンゴ糖脂質合成のバランスを維持することに貢献していると考えている。本レビューでは、特にGM3SとGM2Sの細胞内動態とそれらのアイソフォーム産生に焦点を当て、スフィンゴ糖脂質合成の制御機構に関して、最近の我々の知見を紹介する。

核やミトコンドリア、細胞質に存在する種々のタンパク質は、セリン／スレオニン残基にN-アセチルグルコサミン（GlcNAc）が1分子結合したO-GlcNAc（O-結合型N-アセチルグルコサミン）修飾を受けている。O-GlcNAc修飾を受けるタンパク質は、シグナル構成因子、転写因子、エピジェネティック制御因子、ヒストンなど多種多様であることが明らかにされている。O-GlcNAcの機能も多種多様で、リン酸化抑制、転写活性の調節、タンパク質の安定化、細胞内局在の調節などがある。近年、マウス／ヒトの多能性幹細胞において、O-GlcNAcは未分化／分化状態を調節する主要因子として注目され始めており、O-GlcNAcの機能について徐々に明らかにされている。本稿では、マウス／ヒトの多能性幹細胞におけるO-GlcNAcの多彩な機能を紹介する。

多発性硬化症などの脱髄疾患の治療において、髄鞘の再生（再ミエリン化）は重要な課題である。N-アセチルグルコサミン転移酵素IX（GnT-IXまたはGnT-Vb）は、生体内で分岐型O-マンノース糖鎖の合成を担う酵素であり、脳で特異的に発現する。GnT-IX欠損マウスは、クプリゾン誘発性脱髄モデルにおいて、野生型マウスと比べて有意な再ミエリン化の亢進を示した。GnT-IX欠損マウスではアストロサイトの活性化抑制と、髄鞘再生を担うオリゴデンドロサイト前駆細胞の分化亢進が観察され、これらが再ミエリン化亢進の要因であると考えられた。GnT-IXが形成するHNK-1末端分岐型O-マンノース糖鎖は、受容体型プロテインチロシンホスファターゼζ（PTPRZ）を修飾しており、脱髄誘導時、活性化アストロサイトにおいて高発現した。また、GnT-IXはPTPRZの局在を調節することが示唆された。GnT-IX欠損マウスに大きな異常は認められなかったことから、GnT-IXは脱髄疾患において再ミエリン化を促進するための治療標的となる可能性が示唆される。