Acidic glycosphingolipids, gangliosides are mainly expressed in nervous tissues and cancer cells, and regulate the health of the tissues. We generated mutant mice lacking various gangliosides by knocking out ganglioside synthase genes, and reported that these knockout (KO) mice exhibited various neurodegeneration. As one of roles of gangliosides, it was demonstrated that abnormal construction of lipid rafts due to ganglioside deficiency induced chronic inflammation and neurodegeneration in these KO mice. On the other hand, gangliosides expressed in melanomas and gliomas caused shifts of localization of various molecules into lipid rafts. And shift of molecules into lipid rafts enhanced signals, leading to malignant phenotypes. In this review, we reported how gangliosides play a role in maintaining the integrity of neural tissues and regulating cancer properties, based on our findings.

Glycosyl cations, which have been considered key intermediates for synthetic carbohydrate chemistry since the earliest days of the field, can sometimes act in unexpected and unpredictable ways. A close examination of these cations tells us that some of this behavior relies on well-tuned interactions that allow these cations to avoid undesired or unexpected reactions that would otherwise utilize these glycosyl cations aggressively. This minireview provides selected examples of how glycosyl cations can be “tamed” to favor desirable reactions, particularly for neighboring group participation and S_N2-like reactions.

Oligosaccharides are highly flexible molecules with significant degrees of freedom in their structures. To gain insights into the molecular basis of their biological functions, it is important to describe the conformational dynamics of oligosaccharides. The combination of molecular simulations and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is an effective method for quantitatively interpreting the dynamic behaviors of oligosaccharides. In NMR analyses, paramagnetic-tagging of oligosaccharides provides information on their overall conformations; paramagnetism-assisted NMR methods can facilitate the validation of oligosaccharide dynamical structures originally derived from molecular dynamics simulations. Using this approach, the dynamic conformations of a series of sialyl oligosaccharides found in gangliosides and high-mannose-type oligosaccharides involved in the glycoprotein quality control system were revealed. The quantitative descriptions of their conformational spaces also provided the dynamic views of oligosaccharide–lectin interactions, which complemented static insights from crystallographic analyses. Understanding the oligosaccharide–lectin binding process enables the design of oligosaccharides with enhanced affinity and specificity for target proteins.

The recombinant production of glycoenzymes plays a significant role in industrial biocatalysis. The selection of an expression system which allows the high-level production of recombinant glycoenzymes using extracellular and intracellular expression, and the need for correct protein folding make Gram-positive bacteria interesting alternatives to the commonly used Gram-negative expression host Escherichia coli. In this overview we summarize recent approaches using Gram-positive bacteria as cell factories for the recombinant production of glycoenzymes, with a special focus on the optimization of glycoprotein production in lactic acid bacteria.

Endo-β-N-acetylglucosaminidases (ENGases) are glycoside hydrolases that are commonly used for glycan analysis of glycoproteins. Recently, ENGases have emerged as promising tools for glycoprotein remodeling, especially in synthesizing biotherapeutic products. Furthermore, cytosolic ENGase has been reported to cause serious symptoms of a rare genetic disorder (NGLY1-deficiency). As a tool for further study of ENGases, a pentasaccharide derivative (MM3D) was synthesized to determine the hydrolytic activity of ENGases by a fluorescence-quenching-based assay system. We succeeded in measuring the hydrolytic activities of ENGases belonging to the glycosyl hydrolase family 85, and investigated the inhibitory activities of known inhibitors. We confirmed that this assay system was suitable for high-throughput screening for inhibitors of human ENGase that have a potential to treat NGLY1-deficiency.

酸性スフィンゴ糖脂質、ガングリオシドは、神経組織やがん組織に多く発現し、組織の健常性を制御している。我々は、ガングリオシド合成酵素をノックアウトする事により、種々のガングリオシドを欠損する変異マウスを作製し、様々な神経変性が起こることを報告した。その機構の一つとして、ガングリオシド欠損による脂質ラフトの構築異常が、グリア細胞の活性化を伴う慢性的な炎症を惹起し、神経変性を誘導することを明らかにした。一方、がんであるメラノーマやグリオーマに発現する特異的なガングリオシドは、脂質ラフト上に局在する分子と会合し、悪性形質に関与するシグナルを増強することが明らかになった。本稿では、神経組織の健常性維持やがん形質の制御にガングリオシドがどのように関与するかについて、これまでの知見を踏まえて報告する。

糖質合成化学の歴史が幕を開けて以来、グリコシルカチオンは重要な反応中間体であると見なされてきたが、それはしばしば思わぬ悪さをする。これまでに開発されてきた反応を注意深く見てみると、そのなかにはグリコシルカチオンを経由する反応を回避したり、あるいはより積極的にグリコシルカチオンを利用したりするために、グリコシルカチオンを巧みに制御しているものがある。このミニレビューは、望む反応を実現するためにグリコシルカチオンが如何に制御されてきたか、特に隣接基関与やS_N2様反応について、その実例をいくつか紹介する。

糖鎖機能の構造基盤を正しく理解するためには、立体構造の揺らぎを含めた動態としての描象が重要となる。常磁性効果を活用した核磁気共鳴（NMR）法と、分子シミュレーションを組み合わせることで、糖鎖の動的立体構造を解析する方法論を確立した。この手法により、ガングリオシドの糖鎖構造や、糖タンパク質の品質管理に関わる高マンノース型糖鎖のコンフォメーションを明らかにした。さらに、静的な構造解析だけでは捉えることができない、レクチンと糖鎖の動的な相互作用機構についても理解が進んだ。標的タンパク質に対する親和性や特異性を高めるために、遊離糖鎖の配座空間探査に基づいた新たな分子設計を行うことも可能となってきた。

エンド-β-N-アセチルグルコサミニダーゼ（ENGase）は古くから糖鎖構造解析に利用されるなど、糖鎖研究において重要な酵素である。近年、糖タンパク質糖鎖の均一化（糖鎖リモデリング）研究への応用やNGLY1欠損症との関わりも明らかとなり注目を集めている。本稿では、ENGaseの糖加水分解活性を簡便かつ高感度に検出することを目的に開発した糖鎖分子プローブ：MM3Dについて紹介する。MM3DはFRET消光の解消を作動原理とし、ENGase活性を蛍光強度の増加により検出できるため、マイクロプレートリーダーによる多サンプル解析やENGase阻害剤の網羅的探索研究を可能とした。