The three-dimensional glycan structures dynamically fluctuate in aqueous solutions. The dynamics of these molecular structures govern the interactions with sugar-recognizing molecules and are deeply involved in regulating the functions of sugar-bearing proteins. In glycotechnology and drug discovery targeting the glycan recognition systems, it is crucial to quantitatively understand the conformation of glycans bound to target molecules and the three-dimensional structural dynamics of unbound glycans. By modifying the conformational space of unbound glycans, it is possible to improve their affinity for lectins. Furthermore, the glycans constituting a glycoprotein also influence the conformational dynamics of the protein part. Therefore, in the molecular design of glycoproteins aiming for higher functionality, it is essential to consider the existence of an intramolecular interaction network where the glycan chains and the protein are integrated. Approaches from the perspective of experimental science, computational science, and information science will become increasingly important to decipher the biological information carried by the four-dimensional structures of glycans.

Integrins are αβ dimeric extracellular matrix receptors that exhibit a broad ligand specificity and function in various biological processes, including embryonic morphogenesis, cell migration, inflammatory responses, the malignant transformation of cancer, and invasive metastasis. Integrins are also crucial as carriers of N-glycans. In this mini review, we discuss the functions of N-glycans with a particular focus on integrins. The importance of glycans for integrins has been demonstrated using inhibitor experiments and the overexpression, knockdown, and knockout of glycosyltransferases. Furthermore, specific stimuli in a cancer stimulation have been shown to induce the expression of glycosyltransferases. As a result, the remodeled N-glycosylation of integrins regulate biological functions. To distinguish the significance of individual glycans from all glycan epitopes, our research group prepared an underglycosylated mutant and reintroduced it into integrin-deficient cells. The N-glycosylation of integrins is involved not only in cell adhesion, but also in cell-specific functions, such as cell migration, cell proliferation signaling, endocytosis, tumorigenesis, and malignant transformation. Bisecting- and β1,6-N-acetylglucosamine branching and terminal sialylation modifications in integrins are essential for these functions. Therefore, the N-glycosylation of integrins appears to be involved in diverse cellular functions.

糖鎖の3次元構造は水溶液中で激しく揺らいでいる。こうした分子構造の動態（ダイナミクス）が、糖鎖を認識する分子との相互作用を支配するとともに、糖鎖の担体であるタンパク質の機能の制御にも深く関わっている。糖鎖工学や糖鎖認識系を標的とする創薬において、標的分子と結合した糖鎖のコンフォメーションとともに非結合状態の糖鎖の3次元構造動態を定量的に理解することが極めて重要である。非結合状態の糖鎖のコンフォメーション空間を改変することで、レクチンに対する親和性を向上することが可能となる。さらに、糖タンパク質を構成する糖鎖は、タンパク質部分の立体構造ダイナミクスにも影響を与えている。それゆえ、糖タンパク質の高機能化を目指した分子設計においては、糖鎖とタンパク質が一体となった分子内の相互作用ネットワークの存在を考慮する必要がある。糖鎖の4次元構造が担う生命情報を読み解くためには、実験科学・計算科学・情報科学の観点からのアプローチが今後益々重要となるであろう。

インテグリンは、αβ二量体の細胞外マトリクス受容体である。幅広いリガンド特異性を示し、胚の形態形成、細胞の移動、炎症反応、癌の悪性化、浸潤転移などに深くかかわり、様々な生命現象で機能している。インテグリンはまたN型糖鎖のキャリアとして重要である。このミニレビューでは、インテグリンの機能を制御するN型糖鎖に焦点を絞り概説する。インテグリンにおける糖鎖の重要性は、阻害剤実験、糖転移酵素の過剰発現、ノックダウン、ノックアウトなどによって示されてきた。癌の刺激における特定の刺激によって糖転移酵素が発現誘導される。その結果、糖鎖リモデリングにより、インテグリンの糖鎖は変化し、生体の機能を制御する。インテグリンα5β1のN型糖鎖の修飾の詳細とそれぞれの糖鎖の意義を区別するために、我々の研究グループではN型糖鎖欠損変異体を調製し、機能解析を行ってきた。インテグリンのN型糖鎖は細胞接着のみならず、細胞移動、細胞増殖シグナル、エンドサイトーシス、癌化、悪性化などの細胞固有の機能に関与していることを明らかにした。これらの機能にはインテグリンのバイセクティング、β1,6-N-アセチルグルコサミン分岐および末端のシアリル化修飾が重要である。これらの研究からインテグリンのN型糖鎖修飾は多様な細胞機能に関わることが示唆された。