Accès gratuit
Numéro
Med Sci (Paris)
Volume 28, Numéro 4, Avril 2012
Page(s) 403 - 408
Section M/S Revues
DOI https://doi.org/10.1051/medsci/2012284018
Publié en ligne 25 avril 2012

© 2012 médecine/sciences – Inserm / SRMS

Les cellules natural killer (NK) sont des lymphocytes de l’immunité innée qui jouent un rôle important dans les réponses antivirales et antitumorales ainsi que dans la défense contre les bactéries ou les parasites intracellulaires. Elles disposent de deux fonctions effectrices principales : la cytotoxicité et la production de cytokines [1]. Leur activité cytotoxique s’exerce contre des cellules reconnues comme cibles via un ensemble de récepteurs, activateurs ou inhibiteurs, et cette activité dépend de la libération de granules cytotoxiques contenant des protéines telles que la perforine ou les granzymes [2]. Les cellules NK sont par ailleurs la principale source précoce d’IFNγ (interféron γ), une cytokine aux effets pléiotropes, capable de potentialiser les effets de l’immunité innée et de l’immunité adaptative. L’activité des cellules NK peut être augmentée par d’autres cellules comme les cellules dendritiques, ce qui les rapproche des lymphocytes T avec lesquels elles partagent beaucoup de caractéristiques. Plusieurs sous-populations de cellules NK ont été décrites. Elles correspondent en fait à des intermédiaires de différenciation dont les fonctions effectrices ne sont pas encore totalement connues [3]. Les cellules NK sont très largement distribuées dans l’organisme. Elles patrouillent notamment en grand nombre dans la circulation sanguine et migrent rapidement vers les zones inflammatoires [4]. L’objectif de cette revue est de faire le point sur les facteurs qui régulent l’homéostasie des cellules NK : leur développement, leur migration, leur prolifération en condition normale ou inflammatoire et leur survie avant ou après leur activation. L’accent sera mis sur les cellules NK murines pour lesquelles le plus d’informations sont disponibles, mais des données sur les cellules NK humaines seront aussi discutées.

Développement et maturation des cellules NK

Les cellules NK sont dérivées de cellules souches hématopoïétiques. Elles se développent principalement dans la moelle osseuse [5]. L’utilisation de souris transgéniques dans lesquelles la green fluorescent protein (GFP) est sous contrôle du promoteur du gène codant pour le facteur de transcription Id2 - qui joue un rôle très important dans le développement des cellules NK - a montré que les cellules GFP+Lin- dans ces souris sont d’authentiques précurseurs NK et que leur potentiel est restreint aux cellules NK. Ces cellules qui sont donc Id2+, baptisées pré-pro-NK, sont par ailleurs Sca1+CD127+CD122- [6]. Leur présence en périphérie n’a pas été étudiée. Les pré-pro-NK prolifèrent tout en se différenciant, ce qui aboutit à la production de cellules NK matures, via un stade NKp.

Les cellules NK périphériques constituent un ensemble hétérogène au regard de leur phénotype, de leur fonction et de leur distribution dans l’organisme. Les cellules NK murines ont d’abord été séparées en deux sous-populations selon le niveau d’expression du marqueur CD11b ou Mac1 [7]. Les cellules NK CD11b- sont localisées préférentiellement dans la moelle osseuse, les ganglions lymphatiques et le foie, et leur capacité proliférative est importante. Elles représentent la quasi-totalité des cellules NK chez le fœtus et le nouveau-né. Les cellules NK CD11b+ sont, elles, préférentiellement localisées en périphérie (rate, sang, poumons), expriment davantage de récepteurs de cellules NK et leurs capacités fonctionnelles sont beaucoup plus développées que celles des cellules CD11b-. Les cellules NK CD11b+ ont ensuite été subdivisées à l’aide du marqueur CD27 [8] en trois populations, CD11b- CD27+, CD11b+ CD27+ et CD11b+ CD27-, qui correspondraient à trois états de maturation successifs in vivo. Enfin, Chiossone et al. ont proposé en 2009 un programme de maturation des cellules NK murines en quatre étapes [9] (Figure 1) : CD11b- CD27- (cellules double négatives : DN), CD11b- CD27+ (CD11b-), CD11b+ CD27+ (cellules double positives : DP) et CD11b+ CD27- (CD27-). Les DN et CD11b-, en faible nombre dans les différents organes, sont décrites comme des cellules précurseurs capables de se différencier en cellules effectrices lorsque cela est nécessaire. Les DP et CD27- sont les formes effectrices, mais leurs rôles respectifs durant la réponse immune restent à éclaircir. Elles gardent des capacités prolifératives suffisantes pour contribuer également à l’expansion du pool de cellules NK lors d’une réponse immunitaire. Elles sont présentes en nombre important dans les différents organes et leurs capacités fonctionnelles semblent relativement comparables, mais elles expriment des récepteurs de chimiokines différents. Les proportions relatives de ces quatre populations NK dans les différents organes sont variables et régulées par l’expression du récepteur au sphingosine-1 phosphate 5 (S1P5), dont la fonction sera abordée plus loin. Au cours de la vie des souris, des facteurs homéostatiques (survie, différenciation, migration) assurent la stabilité du taux de chaque sous-population  Cependant, chez les souris vieillissantes (au-delà de un an), le nombre de cellules NK CD11b+CD27- diminue de façon drastique dans tous les organes, ce qui pourrait être lié à un défaut de survie et de différenciation de ces cellules [10].

thumbnail Figure 1.

Développement et maturation des cellules NK murines. Expression de molécules de surface par les cellules NK au cours de leur développement. CLP : common lymphoid progenitor ; NKp : NK progenitor.

Export de la moelle osseuse vers la périphérie : rôle de S1P5 et CXCR4

Pour rejoindre la circulation sanguine et les organes périphériques, les cellules NK doivent sortir de la moelle osseuse. Elles le font en migrant vers un compartiment intermédiaire constitué par les sinusoïdes veineux de la moelle. Nous avons montré que cet export des cellules NK était dépendant du récepteur S1P5 [11], un membre d’une famille de cinq récepteurs couplés aux protéines G. Le S1P est un lipide présent à la fois au niveau intra- et extracellulaire. Dans sa forme extracellulaire, il est véhiculé par l’albumine et les lipoprotéines du sang et de la lymphe. L’action de différentes enzymes qui le métabolisent ou le dégradent maintient un gradient de S1P avec une concentration forte dans le sang et faible dans les tissus, en particulier dans les organes lymphoïdes. L’expression de S1P5 augmente de façon graduelle à la surface des cellules NK lors de leur maturation pour atteindre un maximum pour les cellules NK CD27- chez la souris ou CD56dim chez l’homme [11]. Dans les souris déficientes pour S1P5, les cellules NK matures s’accumulent dans la moelle osseuse et les ganglions et sont très peu présentes dans le sang, la rate, le foie et les poumons. Nous avons récemment montré que S1P5 était en fait requis pour la sortie des cellules NK à la fois de la moelle osseuse et des ganglions lymphatiques (où cette sortie s’opère via les canaux lymphatiques efférents) [12].

Parallèlement à l’augmentation de l’expression de S1P5 à la surface des cellules NK en cours de maturation, celle de CXCR4 (C-X-C chemokine receptor 4) diminue [12]. CXCR4 est le récepteur de la chimiokine CXCL121 ([C-X-C motif] ligand 12), produite en quantité très importante dans le stroma de la moelle osseuse, et qui permet notamment la rétention des cellules souches hématopoïétiques dans la moelle. Lorsqu’un inhibiteur de CXCR4 est injecté à des souris, les cellules NK sont recrutées de façon importante vers la périphérie, ce qui montre que CXCR4 et S1P5 ont une action opposée sur l’export des cellules NK. De plus, nous avons récemment montré que CXCR4 devait être désensibilisé pour que les cellules NK puissent sortir de la moelle [12]. Cette désensibilisation est probablement due à la forte concentration de CXCL12 dans la moelle. La sortie des cellules NK de la moelle osseuse est donc dépendante de deux signaux distincts et indépendants : l’engagement de S1P5 et la désensibilisation de CXCR4 (Figure 2).

thumbnail Figure 2.

Sortie des cellules NK de la moelle osseuse vers la périphérie. Dans le stroma de la moelle osseuse, les NK CD11b- immatures sont dans un environnement riche en CXCL12, et expriment faiblement S1P5 et fortement CXCR4 à leur surface. Lors de la maturation des précurseurs en NK CD27- matures, l’expression de S1P5 augmente alors que celle de CXCR4 diminue, permettant à ces NK matures de suivre le gradient de S1P et de sortir de la moelle osseuse via les sinusoïdes.

Recirculation des cellules NK

Un facteur important de l’homéostasie des cellules NK est leur recirculation entre les organes. Les cellules NK, présentes en grand nombre dans les organes non lymphoïdes comme le foie ou les poumons, retournent-elles périodiquement dans la circulation sanguine ou meurent-elles in situ et sont-elles remplacées par de nouvelles cellules immigrantes ? Un article récent a analysé l’échange de cellules NK entre souris congéniques parabiotiques (c’est-à-dire dont les circulations sanguines ont été fusionnées, mais en s’assurant que les cellules sanguines de chacun des partenaires pouvaient être distinguées) un mois après la parabiose [13]. Cette étude révèle que le principe de « vases communicants » s’applique aux populations NK du sang, de la rate et du poumon qui se répartissent équitablement (50/50) entre les deux partenaires. En revanche, la population NK des ganglions, de la moelle osseuse et du foie reste majoritairement du génotype des partenaires respectifs, indiquant un faible échange entre ces organes. Pour la moelle, ce résultat reflète probablement la production de cellules NK qui excède largement l’entrée de cellules NK sanguines. Pour le foie et les ganglions, l’interprétation est plus compliquée, et il est possible que des cellules NK y soient également produites. Les cellules NK du foie pourraient également avoir une capacité moindre de recirculation vers la périphérie, comme c’est le cas pour les cellules NKT auxquelles elles sont apparentées.

Facteurs de survie et taux de renouvellement

Le rôle de l’IL-15

L’IL-15 est essentielle au développement des cellules NK ainsi que l’ont montré les études des souris déficientes soit en IL-15, soit en chaîne α de son récepteur IL-15Rα [14]. À l’inverse, l’injection de complexes IL-15/IL-15Rα [15] entraîne une forte expansion des cellules NK et des lymphocytes T CD8. L’IL-15 est produite sous la forme d’un complexe avec IL-15Ra par les cellules présentatrices d’antigènes comme les cellules dendritiques et par certaines cellules stromales [16]. Ce complexe est présenté en trans aux cellules NK et autres lymphocytes exprimant en surface le complexe IL-15Rbg. L’IL-15 a une double fonction : à l’état basal, elle est essentielle à la maintenance des cellules NK et, lors d’une infection virale, son expression accrue conduit à une forte activation de l’activité cytotoxique des cellules NK et à leur prolifération [17]. Ce dernier point a récemment été remis en question par l’observation, chez les souris déficientes pour l’IL-15 ou pour l’une des chaînes de son récepteur, d’une prolifération très importante des cellules NK Ly49H+ résiduelles lors d’une infection par MCMV (murine cytomegalovirus), prolifération qui requiert l’IL-12 [18]. Cette voie dépendante de l’IL-12 est cependant négligeable en présence d’IL-15 : en effet, en l’absence de récepteur à l’IL-12, les cellules NK survivent et prolifèrent de façon tout à fait normale lors d’une infection [17].

Plusieurs articles ont montré que les cellules dendritiques sont également indispensables à la survie des cellules NK matures en périphérie via leur production d’IL-15 [19, 20]. Lorsque le nombre de cellules dendritiques est artificiellement augmenté dans les souris (via l’injection de Flt3-ligand [FMS-like tyrosine kinase 3 ligand] par exemple), la population de cellules NK augmente, augmentation qui dépend de la présence d’IL-15 [19]. D’autres populations myéloïdes comme les monocytes pourraient également jouer un rôle dans la survie/différenciation des cellules NK via la transprésentation d’IL-15. La déplétion des monocytes chez la souris entraîne un rapide déclin de la population NK la plus mature CD11b+ CD27- [21]. L’IL-15 agit via son rôle antiapoptotique : d’une part, elle limite l’expression de Bim, un membre pro-apoptotique de la famille Bcl2 (B-cell lymphoma 2), d’autre part, elle augmente l’expression des membres antiapoptotiques de cette famille Bcl2 [22] et Mcl1 (myeloid cell leukemia protein 1) [23].

Durée de vie des cellules NK

Quelle est la durée de vie des cellules NK en périphérie et quel est leur taux de renouvellement ? Ce point a été abordé en mesurant l’incorporation de BrdU (bromodéoxyuridine) par les cellules NK de souris à l’état basal [24] : 50 % des cellules NK périphériques étaient marquées en 17 jours, suggérant une demi-vie de 17 jours en périphérie. Plus récemment nous avons mesuré le temps nécessaire au repeuplement par des cellules NK des organes périphériques de souris transgéniques chez lesquelles les cellules NK ont été sélectivement éliminées par injection de toxine diphtérique [9] : la population de cellules NK périphérique est reconstituée approximativement en un mois, ce qui confirme les données précédentes. La majorité des cellules NK exportées vers la périphérie sont CD11b+CD27+ ou CD11b+CD27-, mais une partie d’entre elles est immature (CD11b-CD27+), suggérant qu’une fraction des cellules NK accomplit son cycle de maturation complet à la périphérie dans le sang ou les organes lymphoïdes.

Prolifération homéostatique et induite par l’activation

Au cours de leur maturation dans la moelle osseuse ou même en périphérie, les cellules NK perdent leur capacité proliférative tandis qu’elles acquièrent progressivement leurs fonctions effectrices [9]. Ainsi, celles qui n’expriment pas encore l’intégrine CD11b ont un fort niveau de prolifération [7]. Cette prolifération est beaucoup plus forte dans la moelle osseuse que dans les autres organes, ce qui confirme le rôle majeur de ce tissu dans la production des cellules NK [16]. La production de nouvelles cellules NK est contrebalancée par la mort de cellules NK matures CD11b+CD27-KLRG1+ dans différents organes [25]. La prolifération homéostatique des cellules NK peut augmenter lorsque ces cellules sont transférées dans des souris lymphopéniques, selon un phénomène entièrement dépendant de l’IL-15 qui est disponible en plus grande quantité dans ces souris [26]. Il est intéressant de noter que les cellules NK matures transférées dans ces souris sont capables de survivre et de se renouveler pendant des mois [27] même en l’absence d’une production médullaire.

Quelle est l’activité proliférative des cellules NK lors de leur activation ? Le concept d’expansion clonale a été introduit pour les lymphocytes T et B, et traduit la prolifération intense des précurseurs T naïfs lors de leur activation par l’antigène spécifique reconnu par le récepteur à l’antigène des lymphocytes. Cette notion ne semblait pas s’appliquer aux cellules NK qui expriment toutes de façon identique un large panel de récepteurs activateurs. L’étude de la réponse NK lors de l’infection par le cytomégalovirus murin a remis ce dogme en question. En effet, la reconnaissance par les cellules NK des souches de MCMV couramment utilisées au laboratoire dépend du récepteur Ly49H qui reconnaît très spécifiquement une protéine virale, appelée m157, exprimée à la surface des cellules infectées [28]. L’interaction entre m157 et Ly49H entraîne une prolifération intense des cellules NK Ly49H+ qui représentent environ 50 % des cellules NK à l’état basal [29]. Lorsqu’un petit nombre de cellules NK Ly49H+ est transféré à des souris Ly49H- qui sont ensuite infectées par MCMV, l’expansion des cellules NK Ly49H+ est comparable à l’expansion clonale des précurseurs T naïfs qui a lieu lors de leur rencontre avec l’antigène spécifique [30]. Ce résultat a ainsi démontré que les cellules NK partagent dans certains contextes une capacité d’expansion clonale propre aux lymphocytes T et B (Figure 3). Chez l’homme, une expansion importante de la population NK NKG2C+ a été observée dans les infections par le cytomégalovirus [31] ou par les hantavirus [32], suggérant qu’un phénomène d’expansion oligoclonale puisse aussi avoir lieu dans cette espèce.

thumbnail Figure 3.

Activation, expansion et contraction des cellules T CD8+ et NK lors de l’infection par MCMV chez la souris. A. Après infection, les antigènes viraux sont présentés par les cellules dendritiques aux lymphocytes T CD8+. Cette reconnaissance par le TCR constitue le signal 1 d’activation du lymphocyte T. Il est accompagné d’un signal 2 fourni par des récepteurs coactivateurs (tels que CD28), et d’un signal 3, sous la forme d’une stimulation cytokinique qui conditionne la différenciation des lymphocytes T activés. Les clones de lymphocytes T CD8+ spécifiques des antigènes se multiplient (phase d’expansion clonale). Lorsque l’infection est résolue, la plupart de ces lymphocytes spécifiques meurent (phase de contraction), mais une fraction d’entre eux survit sous forme de cellules « mémoires » qui persistent pendant plusieurs années et dont la fréquence est plus importante qu’avant l’infection. B. Après infection, la glycoprotéine virale m157 est exposée à la surface des cellules infectées par MCMV et reconnue par les cellules NK via le récepteur Ly49H, ce qui induit leur prolifération. La cellule NK reçoit également des signaux de costimulation que l’on peut assimiler aux signaux 2 (notamment par les molécules de la famille des récepteurs du TNF [tumor necrosis factor] : CD30, CD27, 4-1BB, etc.) et aux signaux 3 (stimulation cytokinique par l’IL-15, l’IL-12 ou l’IL-18). Après la résolution de l’infection, la population de cellules NK décroît lentement jusqu’à retrouver sa taille d’avant l’infection au bout de quelques mois.

L’hypothèse de cellules NK mémoires

Les cellules NK sont des lymphocytes de l’immunité innée. Il est admis que l’une des différences fondamentales entre les cellules de l’immunité innée et celles de l’immunité adaptative est l’absence de capacité de mémoire pour les premières. Une série d’articles récents remet en cause ce dogme et propose que des cellules NK « mémoires » puissent être produites dans un contexte de réponse à des haptènes chimiques (comme le DNFB, dinitrofluorobenzène) [33] ou à des virus (influenza, MCMV, vaccinia par exemple) [30, 34]. Ces cellules, qui semblent s’accumuler dans le foie, sont plus efficaces et, lorsqu’elles sont isolées puis transférées chez un animal receveur, sont capables d’induire des réponses de type mémoire, c’est-à-dire plus intenses lors d’un nouveau contact avec l’antigène [34, 35]. Cependant, les réponses obtenues via le transfert de lymphocytes T CD8+ ou de cellules NK sont bien différentes dans le modèle d’hypersensibilité de contact aux haptènes [35] et la contribution des cellules NK mémoires à des phénomènes de mémoire immunitaire dans des systèmes physiologiques (souris sauvages, absence de transfert) est, en revanche, encore débattue. Par exemple, il n’est pas sûr que ces cellules puissent sortir du foie et migrer vers la peau pour induire une hypersensibilité de contact aux haptènes [35]. D’autre part, on ne sait pas si leur durée de vie est comparable à celle des cellules T et B mémoires. Dans un article récent, Schlub et al. ont en partie répondu à cette question [36]. Ils ont comparé, à l’aide de modèles mathématiques, les cinétiques d’expansion et de contraction des lymphocytes T CD4, CD8 et NK dans le contexte d’une infection MCMV, publiées par d’autres groupes précédemment. Ils montrent très clairement que la population de cellules NK Ly49H+ qui prolifère au cours de la réponse contre MCMV diminue ensuite lentement au cours du temps pour atteindre un niveau très faible (moins de 10 % des cellules Ly49H+ naïves) un mois après l’infection. Cette étude conclut que la « mémoire » NK est de courte durée au contraire de la mémoire T qui est stable pendant au moins un an après l’infection. À l’inverse, une autre étude dans le modèle MCMV conclut que l’homéostasie des cellules NK et, en particulier, leur prolifération sont encore modifiées plusieurs mois après l’infection [37]. Si la pertinence physiologique de la mémoire NK et la persistance de ces cellules chez des individus normaux restent encore à démontrer [38], il n’en demeure pas moins que le phénomène de « mémoire NK » pourrait être utilisé dans des contextes cliniques en exploitant d’une part, l’amélioration des fonctions des cellules NK « mémoires » et, d’autre part, leur capacité à persister à moyen terme et peut-être même à long terme chez des individus lymphopéniques (suite à une chimiothérapie par exemple).

Conclusion

Les cellules NK représentent le troisième lignage lymphoïde en terme de nombre. Elles sont caractérisées par leur concentration importante dans le sang, qui reflète probablement leur rôle dans la surveillance précoce des infections et des cancers en particulier d’origine hématopoïétique. L’homéostasie des cellules NK est le résultat d’un équilibre complexe entre la production, la différenciation, la circulation et finalement l’apoptose de ces cellules. Le rôle de l’IL-15 présentée par les cellules dendritiques dans la régulation globale de la population NK a été bien élucidé. D’autres paramètres comme la contribution relative des différents organes lymphoïdes (moelle osseuse, ganglions et peut-être foie) à la production des cellules NK, ou les voies de recirculation entre les organes restent à déterminer. Enfin, l’hypothèse récente de l’existence de cellules NK « mémoires » ajoute un degré de complexité à l’homéostasie des cellules NK. Les mécanismes régulant leur survie et leur circulation sont peut-être différents de ceux des cellules NK « naïves », et pourraient leur permettre une plus grande persistance à long-terme.

Conflit d’intérêts

Les auteurs déclarent n’avoir aucun conflit d’intérêts concernant les données publiées dans cet article.


1

Aussi appelé SDF1 (stromal differentiation factor-1).

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Liste des figures

thumbnail Figure 1.

Développement et maturation des cellules NK murines. Expression de molécules de surface par les cellules NK au cours de leur développement. CLP : common lymphoid progenitor ; NKp : NK progenitor.

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thumbnail Figure 2.

Sortie des cellules NK de la moelle osseuse vers la périphérie. Dans le stroma de la moelle osseuse, les NK CD11b- immatures sont dans un environnement riche en CXCL12, et expriment faiblement S1P5 et fortement CXCR4 à leur surface. Lors de la maturation des précurseurs en NK CD27- matures, l’expression de S1P5 augmente alors que celle de CXCR4 diminue, permettant à ces NK matures de suivre le gradient de S1P et de sortir de la moelle osseuse via les sinusoïdes.

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thumbnail Figure 3.

Activation, expansion et contraction des cellules T CD8+ et NK lors de l’infection par MCMV chez la souris. A. Après infection, les antigènes viraux sont présentés par les cellules dendritiques aux lymphocytes T CD8+. Cette reconnaissance par le TCR constitue le signal 1 d’activation du lymphocyte T. Il est accompagné d’un signal 2 fourni par des récepteurs coactivateurs (tels que CD28), et d’un signal 3, sous la forme d’une stimulation cytokinique qui conditionne la différenciation des lymphocytes T activés. Les clones de lymphocytes T CD8+ spécifiques des antigènes se multiplient (phase d’expansion clonale). Lorsque l’infection est résolue, la plupart de ces lymphocytes spécifiques meurent (phase de contraction), mais une fraction d’entre eux survit sous forme de cellules « mémoires » qui persistent pendant plusieurs années et dont la fréquence est plus importante qu’avant l’infection. B. Après infection, la glycoprotéine virale m157 est exposée à la surface des cellules infectées par MCMV et reconnue par les cellules NK via le récepteur Ly49H, ce qui induit leur prolifération. La cellule NK reçoit également des signaux de costimulation que l’on peut assimiler aux signaux 2 (notamment par les molécules de la famille des récepteurs du TNF [tumor necrosis factor] : CD30, CD27, 4-1BB, etc.) et aux signaux 3 (stimulation cytokinique par l’IL-15, l’IL-12 ou l’IL-18). Après la résolution de l’infection, la population de cellules NK décroît lentement jusqu’à retrouver sa taille d’avant l’infection au bout de quelques mois.

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