Untersuchungen zur Entstehung des humanen NK-Zellrepertoires: Einfluss von HLA Klasse I und KIR Polymorphismus
Zusammenfassung der Projektergebnisse
NK-Zellen spielen eine zentrale Rolle in der frühzeitigen Bekämpfung von viralen Infektionen und Tumoren. Dabei wird die Spezifität und Effektorfunktion von NK-Zellen wesentlich von Rezeptoren der KIR-Familie gesteuert, die in verschiedenen Kombinationen auf der Zelloberfläche exprimiert werden und so eine Vielzahl von NK-Zellklonen definieren, die zusammen das sogenannte NK-Zellrepertoire bilden. Der Hauptfokus dieses Antrags war es daher die zugrundeliegenden Mechanismen für die Ausprägung des NK-Zellrepertoires besser zu charakterisieren. Eine wichtige neue Technik, die von uns entwickelt wurde und im Rahmen dieses Projekts erstmals zur Anwendung kam ist der Einsatz von humanen mesenchymalen Stammzellen (MSC) als Stammzellnische für die Entwicklung von NK-Zellen aus hämatopoietischen Stamm- und Progenitorzellen (HSPC). Hierzu wurden HSPC aus Nabelschnurblut isoliert und diese in einem in vitro Differenzierungsprotokoll zu NK-Zellen ausgereift. Zum einen ermöglicht diese Technik erstmals die Untersuchung der NK-Zellentwicklung in einer humanen Stammzellnische was eine notwendige Voraussetzung darstellt um die Rolle der HLA Klasse I-kodierten KIR-Liganden für die Bildung des NK-Zellrepertoires zu untersuchen. Zum anderen entstehen im Vergleich mit den bisherigen Methoden, die entweder ohne supportive Zellen oder mit murinen supportiven Zellinien durchgeführt wurden, eine wesentlich höhere Frequenz an KIR-exprimierenden NK-Zellen was ebenfalls eine wichtige Voraussetzung für die Untersuchung der Rolle der KIR/KIR-Liganden Expression für die NK-Zelltoleranzentwicklung ist. Da die hier verwendeten MSC unter GMP-Bedingungen hergestellt wurden besitzt die Methode zudem das Potential, große Mengen an NK-Zellen für zukünftige immuntherapeutische Anwendungen unter GMP-Bedingungen zu generieren. So lassen sich aus den CD34+ HSPC eines Apherese-Produkts mehr als 1 x 10 hoch 9 NK-Zellen herstellen. Um der Frage nachzugehen welchen Einfluss die Expression der KIR-Liganden für die Entwicklung des KIR-Repertoires spielt, wurde ein ganzes Panel verschiedenen MSC-Linien in den Assays miteinander verglichen, die sich in ihrem HLA-Klasse I-Typ und damit in ihren KIR-Liganden unterschieden. Es zeigte sich dabei eindeutig, dass die NK-Zelldifferenzierung aus hämatopoietischen Stammzellen des Nabelschnurbluts nicht durch das Vorhandensein eines bestimmten KIR-Liganden beeinflusst wurde, sondern das die KIR-Expression in einer genetisch festgelegten Reihenfolge erfolgt, bei der KIR2DL3 als C1-spezifischer inhibitorischer KIR als erstes exprimiert wird und der C2-spezifische KIR2DL1 Rezeptor erst zu einem späteren Zeitpunkt exprimiert wurde. Verschiedene Variationen dieses experimentellen Aufbaus inklusive des Einsatzes einer anderen Stammzellquelle (Knochenmark) sowie dem vollständigen knockdown der HLA Klasse I-Expression der MSC mittels siRNA änderten an der zuvor beobachteten sequentiellen KIR-Expression nichts. In der Zusammenschau mit früheren Arbeiten unserer Gruppe ergibt sich ein Modell, bei dem die Anpassung der KIR-Frequenz an autologe HLA Klasse I Liganden kein intrinsischer Prozess ist sondern erst durch die Auseinandersetzung mit relevanten Pathogenen z.B. im Rahmen von Virusinfektionen erfolgt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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KIR ligand C2 is associated with increased susceptibility to childhood ALL and confers an elevated risk for late relapse. Blood, 124:2248-51
Babor F, Manser AR, Fischer JC, Scherenschlich N, Enczmann J, Chazara O, Moffett A, Borkhardt A, Meisel R, and Uhrberg M
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Human KIR repertoires: shaped by genetic diversity and evolution. Immunol Reviews, 267:178-96
Manser AR, Weinhold S, and Uhrberg M
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Impaired cytotoxicity associated with defective natural killer cell differentiation in myelodysplastic syndromes. Haematologica, 100:643-52
Hejazi M, Manser AR, Fröbel J, Kündgen A, ZhaoX, Schönberg K, Germing U, Haas R, Gattermann N, and Uhrberg M
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Selective downregulation of HLA-C and HLA-E in childhood acute lymphoblastic leukemia, Br. J. Haematol, 174:477-80
Reusing S, Manser AR, , Enczmann J, Mulder A, Claas FH, Carrington M, Fischer JC, Borkhardt A, Babor F, and Uhrberg M
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Age-related changes in NK cell repertoires: impact on NK cell function and immune surveillance, Cancer Immunol and Immunother, 65:417-26
Manser AR and Uhrberg M
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NK cell development in a human stem cell niche: KIR expression occurs independently of the presence of HLA class I ligands.
Blood Advances, Vol 2. 2018, Issue 19, pp. 2452-2461.
Xiaoyi Zhao, Sandra Weinhold, Jens Brands, Maryam Hejazi, Özer Degistirici, Gesine Kögler, Roland Meisel, and Markus Uhrberg
