Thimic Natural Killer cells as mediators of cell competition

Abstract

As células Natural Killer (NK) são linfócitos granulares do sistema imune inato cuja função é mediada por recetores expressos na sua superfície celular. A interação entre recetores inibitórios e o complexo principal de histocompatibilidade I (MHC-I), expresso em células saudáveis, impede o desencadear de respostas citotóxicas contra as mesmas. Contudo, em células infetadas ou que sofram transformações, a expressão de MHC-I diminui, despoletando citotoxicidade mediada por células NK. Convencionalmente, a diferenciação destas células ocorre na medula óssea e termina no baço. Não obstante, as células NK estão presentes em diferentes órgãos onde exibem um fenótipo particular. Nomeadamente, células NK tímicas expressam o recetor da interleucina 7 (IL-7) e GATA-3 e desenvolvem-se no timo, contrariamente a células NK convencionais. Apesar de ambas coexistirem no timo, a sua função ainda não foi determinada. Este projeto propõe que as células NK poderão promover a diferenciação de linfócitos T. Especificamente, as células NK poderão estar envolvidas em competição celular, um processo que consiste na eliminação de timócitos menos aptos, e persistência dos mais competentes. A competição celular foi descrita pelo nosso grupo como sendo um processo supressor de tumor, capaz de impedir a acumulação de timócitos menos aptos (com maior tempo de persistência no timo), prevenindo o desenvolvimento de leucemia. Dados preliminares revelam que timócitos “velhos” expressam níveis inferiores de MHC-I relativamente a células competentes. Assim sendo, as células NK poderão reconhecer estas diferenças de MHC-I, eliminando timócitos com menor expressão deste complexo. Os nossos resultados sugerem que a diferenciação das células NK tímicas se assemelha à estabelecida para células NK convencionais. No entanto, as células NK tímicas não apresentam os estadios mais citotóxicos e, relativamente a células convencionais, uma menor percentagem expressa recetores ativadores. Recorrendo a experiências de transplantação de timo, determinámos que as células NK são renovadas em menos de 7 dias e que células recirculantes e residentes exibem cinéticas diferentes. Ainda, estabelecemos um ensaio ex vivo onde confirmámos que células NK do baço e do timo são capazes de eliminar timócitos que não expressem MHC-I. Em suma, os nossos dados revelam que no timo, células NK convencionais recirculantes e células que se desenvolvem especificamente no mesmo coexistem e que estes são, de facto, capazes de desencadear uma resposta citotóxica contra timócitos com ausência de expressão de MHC-I.

Natural killer (NK) cells are granular lymphocytes of the innate immune system whose responses are controlled by cell-surface receptors. Inhibitory receptors bind to class I major histocompatibility complex (MHC-I) on healthy cells and inhibit NK cytotoxicity. When cells are infected or transformed, MHC-I is downregulated, which elicits NK cytotoxicity towards the unhealthy cells. Conventional NK cell differentiation occurs in the bone marrow and terminates in the spleen. Nevertheless, some NK cells are found in other organs and exhibit unique tissue-specific characteristics. One example are thymic NK cells, which develop in the thymus and can be exported. These cells express interleukin 7 receptor (IL-7r) and GATA-3, opposite to their conventional counterparts. Both conventional and thymic derived NK cells can be found in the thymus. However, their function is still to be explored. Here, we hypothesize that NK cells are involved in promoting T lymphocyte differentiation. Specifically, we propose that NK cells play a role in cell competition, a process whereby unfit thymocytes are outcompeted by their fit counterparts. Cell competition in the thymus has been described by our group as a tumor suppressor mechanism that inhibits the accumulation of the unfit thymocytes, thereby preventing leukemia. Preliminary data showed that “old”, unfit thymocytes express lower levels of MHC-I than “young”, fit cells. This supports that differential levels of MHC-I might be measured by NK cells, that eliminate the unfit thymocytes with low MHC-I. We show that thymic NK cells express markers consistent with a differentiation path resembling the one established for conventional NK cells. However, the most cytotoxic stages were absent from thymic NK cells. In addition, the percentage of thymic NK cells expressing activating receptors was lower than for conventional NKs. Thymus transplantation experiments revealed that NK cells have a fast turnover, that was under 7 days for both thymic and conventional NK cells. Nevertheless, circulating and thymus derived NK cells differed in turnover. Finally, we established an ex vivo cytotoxic assay that confirmed that both spleen and thymus NK cells can kill MHC-I deficient thymocytes. These data show that NK cells in the thymus are comprised of two main subsets: one of conventional circulating cells, and the other that originates in the thymus. Furthermore, we characterized NK cells immunophenotypically taking into account differentiation and functional markers. Finally, we could show ex vivo that NK cells from the thymus can indeed mount a cytotoxic response towards thymocytes that lacked MHC-I.