Распознавание NK клетками

ITAM (immunoreceptor tyrosine-based activation motif)-базисные активирующие NK рецепторы

Early studies of NK cells revealed that they express the CD16-activating Fc receptors that allow them to kill immunoglobulin G (IgG)-coated tumors by the process of ADCC. CD16 signals by association with the immunoreceptor tyrosine-based activation motif (ITAM)-containing FceRI? signaling adapter in humans and mice, as well as with CD3? in humans (Figure 1) (Bournazos et al. 2017, Kurosaki & Ravetch 1989, Lanier et al. 1989). Upon engagement of CD16 by IgG bound to target cells, FceRI? and CD3? are phosphorylated and recruit Syk and ZAP70, resulting in downstream signaling using the same pathway as T cell receptors on T cells and surface Ig on B cells. As discussed below, many of the existing cancer therapeutic antibodies (e.g., rituximab, daratumumab) may rely on NK cells for their efficacy, and other therapeutic agents targeting tumors are under development to engage CD16 with bispecific antibodies or other agents (Figure 2).

Other activating receptors that use ITAM-induced signaling pathways to activate NK cells include the natural cytotoxicity receptors (NCRs) NKp30, NKp44, and NKp46 (Figure 1). Like CD16, NKp30 (Pende et al. 1999) and NKp46 (Pessino et al. 1998) associate with and signal through FceRI? and CD3?, whereas NKp44 (Vitale et al. 1998) associates with and signals through another ITAM-bearing adapter, DAP12 (Lanier 2009). NKp46 and NKp30 are constitutively expressed on NK cells, whereas NKp44 is only expressed after activation, for example by IL-2 (Vitale et al. 1998). Using in vitro assays, antibodies against NKp30, NKp44, and NKp46 have been shown to partially inhibit human NK cells killing certain tumor cell lines, implying the existence of NCR ligands on tumors. However, the precise nature of these NCR ligands on tumors has proven elusive, with exception of the B7-H6 ligand of NKp30. B7-H6 is expressed on certain tumors (Brandt et al. 2009) but is not restricted to tumors, as TLR activation also induces B7-H6 on monocytes and neutrophils (Matta et al. 2013). Genes encoding NKp30 and NKp44 are present in humans, but not mice, limiting researchers’ ability to perform preclinical studies of NKp30 and NKp44 using autologous mouse tumor models to explore these receptors’ therapeutic potential. As with CD16, bispecific antibodies and other agents are under investigation to target NK cells bearing ITAM-based NCRs to tumors for therapeutic application.

Фигура 2. Существует много стратегий, способных повысить противоопухолевую активность естественных киллернных (NK) клеток в адоптивной иммунотерапии: (a) engaging activating receptors through tumor-specific monoclonal antibodies (mAbs), bispecific killer engagers (BiKEs) or trispecific killer engagers (TriKEs) that link CD16 on NK cells to tumor antigens, and a disintegrin and metalloprotease 17 (ADAM17) inhibitor that prevents CD16 shedding in order to increase cytotoxicity of NK cells; (b) using cytokines, particularly interleukin 15 (IL-15), to expand NK cells ex vivo and using ALT-803, which binds to IL-15, to increase NK cell activation; (c) blocking killer cell immunoglobulin-like receptors (KIRs) to release inhibitory signals and activate NK cells; and (d) expanding NK cells through inhibition of glycogen  synthase 3, which promotes NKG2C++ and CD57+ NK cells and increases NK cell activation.

Активирующие NK рецепторы не требуют ITAM-базисных  адаптеров

While T cells and B cells express dominant ITAM-based antigen receptors that regulate their clonal expansion and responses, NK cell responses are often dictated by cooperative signaling through multiple activating receptors, which alone are insufficient to initiate cytolytic function, proliferation, or cytokine secretion, particularly when opposed by signals from their inhibitory receptors. In an elegant study, Bryceson et al. (2006b) demonstrated that when ligated alone by agonist monoclonal antibodies (mAbs) against activating NK receptors, only CD16 was capable of inducing degranulation and cytokine production by freshly isolated peripheral blood NK cells.

Ответы могут быть вызваны другими активирующими рецепторами, но требующими одновременного лигирования множества рецепторов в различных комбинациях, включая NKp46, NKG2D, 2B4, CD2 и DNAM1. Эти результаты предсказывают, что опухоли будут вызывать продуктивный ответ только путем покоящимися NK-клеток, если они обладают подходящим набором лигандов для этих рецепторов при критическом пороге на их клеточной поверхности.

After IL-2 priming, however, cross-linking these individual receptors with agonist antibodies induced degranulation and cytokine production, suggesting that cytokine-priming of NK cells in vivo may be necessary to achieve a therapeutic benefit mediated by NK cells upon treatment with particular agonist antibodies. Several costimulatory receptors on human and mouse NK cells have been identified, and their ligands may be constitutively expressed, induced, or upregulated by cellular stress (Figure 3).

Фигура 3. Активирующие рецепторы естественных киллеров (NK) не нуждаются в ITAM (immunoreceptor tyrosine-based activation motif)-базисных адаптерах.  NK cells express several receptors that can provide activating signals that do not depend on ITAM-containing adapters, including NKG2D, 2B4, DNAM1, and 4-1BB, which use other signaling pathways. The YINM motif in the DAP10 adapter associated with NKG2D recruits a p85 PI3 kinase and the Grb2-Vav1-SLP76 signaling complex. The immunoreceptor tyrosine-based switch motif (ITSM) in the cytoplasmic domain of 2B4 recruits SAP and EAT2 signaling proteins. Motifs in the cytoplasmic domain of DNAM1 recruit PKC and Fyn. Motifs in the cytoplasmic domain of 4-1BB recruit TNF-associated factors (TRAFs) to initiate signaling.

NKG2D (CD314)

NKG2D (CD314) и его лиганды являются наиболее изученными активирующими рецепторами на NK-клетках. У здоровых людей NKG2D также экспрессируется на γδ Т-клетках, NK  T -клетках и CD8 + Т-клетках. В ответ на определенные стимулы NKG2D может индуцироваться на некоторых CD4+ Т-клетках и некоторых миелоидных клетках. У людей сигналы NKG2D ассоциируются с DAP10 адаптерным протеином, который рекрутирует PI3-киназу и Vav1 сигнальный комплекс. У мышей альтернативно сплайсированный транскрипт NKG2D, экспрессируемый на активированных NK-клетках мыши, может формировать пару либо с DAP10, либо с ITAM-несущим DAP12 адаптером; однако это не наблюдается у людей. Люди и мыши обладают несколькими генами, которые кодируют NKG2D лиганды (например, Rae-1, Mult1 и H60 лиганды у мышей и MICA, MICB и ULBP1-6 лиганды у людей), а регуляция экспрессии этих протеинов сложная, включающая как транскрипционные, так и посттранскрипционные механизмы и отличающиеся в различных клеточных типах. NKG2D лиганды типично не экспрессируются или экспрессируются только на низких уровнях в здоровых тканях взрослых, но часто повышаются во время инфекции и часто экспрессируются опухолями. Раковые клетки и вирус- инфицированные клетки развили множество стратегий для нарушения NKG2D -опосредованного иммунитета. В настоящее время разрабатываются терапевтические стратегии для усиления экспрессии NKG2D лигандов на поверхности опухолей, усиления NKG2D функции в NK- и Т-клетках, и создания NKG2D химерных рецепторов для адоптивных клеточных терапий. Для избегания детекции NK-клетками, опухоли часто сбрасывают свои NKG2D-лиганды; например, мембранные протеазы на опухолевых клетках могут расщеплять MICA и MICB протеины на поверхности опухоли, что делает их резистентными к NKG2D-зависимому уничтожению NK-клетками. Для сохранения экспрессии этих NKG2D-лигандов на опухолях, были созданы моноклональные антитела против сайта протеолитического расщепления на MICA и MICB протеинах, предотвращая их сбрасывание и делая их восприимчивыми к атаке NK клетками.

DNAM1 (CD226)

DNAM1 является костимулирующим рецептором, экспрессируемым NK-клетками, Т-клетками, тромбоцитами и миелоидными клетками. Протеины семейства нектинов, CD112 и CD155, служат его лигандами и широко распределены в здоровых тканях. Взаимодействие между DNAM1 и его лигандами способствует повышению адгезии и обеспечивает костимуляцию Т-клеткам и NK-клеткам. Роль DNAM1 в отношении противоопухолевого иммунитета и иммунодефицита подтверждена исследованиями DNAM1-дефицитных мышей. Функция DNAM1 противодействует ингибирующему рецептору TIGIT, который также связывается с CD112 и CD155 и нарушает взаимодействие с DNAM1.

Within this family, another receptor expressed by NK cells and T cells, CD96, also binds to CD155. While CD96 has an (ITIM) in its cytoplasmic domain, initial reports have suggested that it is an activating receptor in human NK cells. Recent studies have shown that -induced adaptive NK cells express lower levels of TIGIT compared to canonical NK cells, making them inherently resistant to CD155-expressing myeloid-derived suppressor cells, highlighting the unique functional attributes of this subset of NK cells. Based on preclinical studies in mouse tumor models demonstrating that blocking TIGIT can enhance tumor immunity, antibodies against TIGIT are presently in clinical trials as a checkpoint blockade for cancer treatment.

Другой рецептор из этого семейства, экспрессируемый NK- и Т-клетками, CD96, также связывается с CD155. Хотя CD96 имеет иммунорецепторный тирозин-базисный ингибиторный участок (immunoreceptor tyrosine-based inhibitory motif, ITIM) в своем цитоплазматическом домене, в ранних статьях указывается, что он является активирующим рецептором в NK-клетках человека. Недавние исследования показали, что CMV-индуцированные адаптивные NK-клетки экспрессируют более низкие уровни TIGIT по сравнению с каноническими NK-клетками, что делает их по своей природе резистентными к CD155-экспрессирующим миелоидным супрессорным клеткам, выделяя уникальные функциональные признаки этого субсета NK-клеток. Основываясь на доклинических исследованиях в мышиных моделях опухолей, демонстрирующих, что блокирование TIGIT может усилить противоопухолевый иммунитет, антитела против TIGIT в настоящее время проходят клинические исследования в качестве блокады контрольной точки для лечения рака.

2B4 (CD244)

2B4 (CD244) is a member of the SLAM family of receptors that includes CD150, CD229, CD84, NTB-A, and CD319 (Wu & Veillette 2016). 2B4 is expressed in NK cells, T cells, and myeloid cells and is a receptor for CD48, which is present on most hematopoietic cells. Signal transduction by 2B4 is complex and can be either activating or inhibitory, depending on the expression of the EAT2, SAP, or ERT (a pseudogene in humans) signaling proteins in the cytoplasm. Mice lacking the Eat2, Sap, and Ert genes are unable to efficiently mediate the so-called “missing self ” rejection of MHC class I–negative cells (Karre et al. 1986) and fail to reject hematopoietic tumors (Dong et al. 2009). In the absence of these adapters, 2B4 is an inhibitory receptor that can recruit SHP-1 to suppress stimulation through other activating NK receptors (Dong et al. 2009). In mature human NK cells, 2B4 predominantly functions as a costimulatory receptor, working in conjunction with other costimulatory or activating receptors on NK cells, such as CD16, to lyse target cells (Bryceson et al. 2006a).

4-1BB (CD137)

4-1BB (CD137) is a member of the TNF family that is expressed on activated T cells and NK cells, as well as on myeloid cells in humans and mice, and can deliver costimulatory signals to T cells. Agonist mAbs to 4-1BB induced impressive CD8+ T cell tumor rejection in mouse models (Melero et al. 1997), leading to the development of agonist antihuman CD137 mAbs (urelumab and utomilumab) for therapeutic use in cancer patients (Chester et al. 2018). With regard to NK cells, in a preclinical model, Kohrt et al. (2011) demonstrated NK cell–dependent elimination of B cell lymphomas in mice by combined treatment with anti-CD20 and the agonist anti-CD137. Similar NK cell–dependent results were observed in xenograft models by using cetuximab and anti-CD137 to treat epithelial growth factor receptor (EGFR)-expressing human tumors (Kohrt et al. 2014) and by using trastuzumab and anti-CD137 to treat HER2-expressing breast tumors (Kohrt et al. 2012). While the initial trials with urelumab were halted due to severe liver toxicity, trials with utomilumab (a less potent agonist) in combination with rituximab are underway in B cell lymphoma patients. It should also be noted that Campana and colleagues (Imai et al. 2005) engineered K562 to express membrane-tethered IL-15 and 4-1BB ligand (4-1BBL) to use as feeder cells in order to expand human NK cells for adoptive immunotherapy. Signals through 4-1BB on activated NK cells greatly enhanced NK cell proliferation and survival. In our own studies, we have observed that 4-1BB can significantly increase human NK cell effector functions other than ADCC. Thus, costimulation of human NK cells provides an attractive strategy to enhance their antitumor activity.

In summary, the activating receptors expressed on NK cells and T cells provide attractive targets for the development of agonists to enhance tumor immunity, provided this can be done without unmanageable toxicity.

Ингибирующие NK рецепторы и блокада чекпоинтов

It is as important to restrain an immune response as it is to initiate an immune-mediated attack in order to avoid collateral damage and pathology. Thus, all immune cells have evolved a diverse array of inhibitory receptors to counter the activity of the activating receptors. Many of these inhibitory receptors are characterized by an ITIM in their cytoplasmic domain, which upon receptor engagement recruits phosphatases to dampen cell activation (Ravetch & Lanier 2000) (Figure 4).

Top.Mail.Ru