1 L NK :t

SYNTHÈSE

médecine/sciences 1992 ; 8 : 359-65

Nathalie Rochet

Paul Anderson

_"'

Eric Vivier

ADRESSE

---N. Rochet : docteur en médecine, docteur ès scien­ ces. P. Anderson : docteur en médecine, docteur ès sciences. E. Vivier : docteur vétérinaire, doc­

teur ès sciences. Division of tumor immuno­ logy, Dana Farber Cancer lnstitute and department of rheumatology and immuno­ logy, Brigham and Women's Hospital, Har­ vard Medical School, Boston, MA 02 1 1 5, USA.

mis n ° 4, vol. 8, avril 92

Structure et fonction

du complexe CD 1 6

:t

_:y

des cellules

NK

Les cellules natural killer sont de grands lymphocytes gra­ nuleux impliqués dans les mécanismes de défense con­ tre les cellules tumorales et les cellules infectées par les virus . Outre une cytotoxicité directe indépendante du CMH, elles peuvent aussi induire la lyse de cellules cibles recouvertes d'anticorps (ADCC) grâce au seul récepteur Fe exprimé à leur surface , Fc')'RIIIAa ou C D 1 6 . C D 1 6 est associé à des dimères formés de deux sous-unités transmembranaires homologues, r et 'Y. En fait, r et 'Y sont aussi des sous-unités de transduction associées au récepteur de l' antigène des lymphocytes T (CD3 : TCR) et au récepteur des IgE (FceRI) des baso­ philes et des mastocytes . Cela démontre que des récep­ teurs de surface distincts peuvent utiliser des éléments de transduction communs. Néanmoins, le dimère ')'-')' est préférentiellement associé à CD16 et à FceRI , suggérant que des combinaisons spécifiques de ces sous-unités de transduction pourraient être à l 'origine de voies de signalisation différentes et de l'hétérogénéité fonc­ tionnelle existant au sein de ces différentes cellules .

L

es cellules natural killer (NK) représentent 5 à 15 % des lymphocytes du sang péri­ phérique humain et sont principalement impliquées dans la surveillance immunitaire anti­ tumorale et antivirale.

1

Les cellules

NK

sont de grands lymphocytes granuleux cytotoxiques

Les cellules NK exercent, en effet, une activité cytotoxique contre de nombreux types de cellules

tumora-les et de cellutumora-les infectées par certains virus [ 1 , 2 ] . Leur effet an ti tumoral est potentialisé par l'interleukine 2 (IL-2), et l ' injection de cellules NK cultivées en présence d 'I L-2 (lympho­ kine activated killer cells : cellules LAK) à des patients atteints de carcinome rénal ou de mélanome a permis d'induire des régressions tumora­ les [3, 4] . Leur rôle dans la défense antivirale a été étayé par l 'apparition d'infections virales opportunistes chez des patients présentant un déficit sélectif en cellules NK [5] .

Les cellules NK exercent deux types

3 60

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d'activité cytotoxique complémentai­ res [ 1 ] . Premièrement, la cytotoxicité naturelle ou directe, non restreinte par le complexe majeur d'histocom­ patibilité (CMH), qui permet l'élimi­ nation rapide des éléments pathogè­ nes avant l 'établissement de l'immu­ nité spécifique liée aux lymphocytes B et T. Deuxièmement, la cytotoxi­ cité dépendante des anticorps ( antiboby-dependent cell cytotoxicity : ADCC) qui leur permet de reconnaî­ tre et de tuer des cellules cibles recouvertes d'anticorps, après induc­ tion de la réponse spécifique de l ' antigène [ 1 ] .

Alors que l'analyse des mécanismes cellulaires à l'origine de la cytolyse a beaucoup évolué (libération de pro­ téases et de perforine, induction de l'apoptose des cellules cibles), les interactions moléculaires responsables

de la reconnaissance des cellules cibles et de la transduction du signal cytoly­

tique à l'intérieur des cellules NK sont encore très mal connues [ 1 ] . Notre but est de présenter une synthèse des résultats récents contri­ buant à l'élucidation des bases molé­ culaires de la transduction des signaux d'activation dans les cellules NK.

1

Phénotype

Les cellules NK sont de grands lymphocytes granuleux qui n'expri­ ment aucune des chaînes du récep­ teur T de l ' antigène (TCRa-{3 : CD3-yÔE) mais expriment, en revan­ che, les marqueurs de surface CD16 et CD56 (NKH-1) (Tableau I) [6]. Elles expriment aussi des molécules d'adhérence contribuant à la forma­ tion de conjugués entre elles et leurs

Tableau 1

COMPARAISON DES CELLULES NK ET DES LYM PHOCYTES T

Phénotype ! 1 l Morphologie Fonction Cellules NK CD3:TCR -(pas de réarrangements) CD2 + ( 70-80 %) CD4-C D 8 + ( 1 5-20 %) CD 1 6 + C D 5 6 + !3l Grands lymphocytes granuleux Rapport C/N élevé !4l Présence de tubules parallèles Cytotoxicité non restreinte au C M H ADCC Réponse proliférative faible Lymphocytes T C D3:TC R + (réarrangements du TCR) C D 2 + C D 4 + ( 5 5-60 %) C D S + ( 3 5-45 %) C D 1 6 - !21 C D 56 - !21 Petits lymphocytes non granuleux Rapport C/N bas Reconnaissance de l 'antigène dans le contexte d u C M H (he/per/cytotoxiques) Réponse proliférative forte

( 1) Pourcentages d'expression des antigènes obtenus par immunofluorescence et cyto­ métrie en flux : nuls ( - ), ou > 90 % ( + ), ou indiqués.

(2) A l'exception de la sous-population des lymphocytes T cytotoxiques non restreints au CMH, de phénotype CD2 + , CD3:TCR + , CD56 + , et qui expriment CD 16 chez cer­ tains individus.

(3) CD56, aussi appelée NKH 1, est une molécule d'adhérence (N-CAM : neural cell adhe­ sion moleculel présente aussi sur les cellules du système nerveux central et sur les cel­ lules musculaires.

(4) Rapport cytoplasme/noyau.

Tableau I l

RÉCEPTEURS Fe-y E T Fee HUMAINS

Fc-yRI Fc-yRII Fc-yRIII FceRI

CD64 CD32 CD 1 6

Distribution cellulaire Monocytes Monocytes Monocytes Mastocytes

Macrophages Macrophages Macrophages (IliA) Basophiles

Neutrophiles activés Neutrophiles ( l iA) Cellules NK

Lymphocytes B (118) Neutrophiles (1118) Spécificité lgG 1 = 3 > 4 > > 2 lgG 1 = 3 >> 2.4 lgG 1 , 3 > > 2,4 lgGE (lg humaines) Affinité (Ka, M - 1 ) 1 08- 1 09 < 1 07 < 1 07 1 010 Localisation 1 q 23 1 q23 1 q23 1 q 23 chromosomique

Poids moléculaire 7 2 40 50-70 (a) 45-65 (a)

apparent (kDa) 1 6 _(tl 32 (,8)

7- 1 2 (-y) 7- 1 2 _(-y) Forme moléculaire une chaîne TM une chaîne TM IliA : chaîne TM

1118 : ancrage PIG

Chaînes associées - - _{a : -y--y : -y-.t : .t-.t} a:{1:-y--y

TM : transmembranaire, PIG : phosphatidyl-inositol glycane.

cibles : CD18/CD 1 1a (LFA- 1), CD54 (ICAM-1), CD2 et CD58 (LFA3) [ 7 ] . Cependant, aucune de ces molé­ cules ne semble jouer le rôle de récepteur responsable de la cytotoxi­ cité naturelle. Dans l'ADCC , au con­ traire, les cellules cibles recouvertes d'anticorps sont reconnues par le seul récepteur du fragment Fe (FeR) des IgG présent à la surface des cellules NK : CD 1 6 [8] .

1

La famille des FeR et la molécule CD 1 6

Les récepteurs du fragment Fe des immunoglobulines (Fe) forment une famille de récepteurs présents à la surface de nombreuses cellules héma­ topoïétiques (Tableau II). Ils sont impliqués dans une multitude de fonctions cellulaires dont la phagocy­ tose, l'activation et la différenciation des cellules B, les adhérences intercel­ lulaires et l'ADCC [8- 10] . Ces FeR sont caractérisés par la classe d'immunoglobulines (lg) qui se lie spécifiquement à eux. Les Fc'}'R (récepteur des lgG) et Fc�:RI (récep­ teur des IgE) ont été particulièrement étudiés : ils présentent des différences d'expression cellulaire et d'affinité pour les fragments Fe des Ig, mais aussi beaucoup de similitudes (Tableau II). Ils sont tous codés par

mis n ° 4, uol. 8, auri/ 92

des gènes appartenant à la super­ famille des gènes des Ig et présents sur le chromosome 1 chez l'homme [8] . Au sein des FqR humains, il existe trois sous-groupes : Fc'}'RI (CD64), Fc'}'RII (CD32) et FqRIII (CD 1 6). FqRI est le récepteur de haute affinité (Ka 1 08 à 1 09 M- ') pour les IgG , présent sur les macrophages et les polynucléaires neutrophiles activés. C'est le seul FqR auquel se lient les lgG mono­ mériques. FqRII est exprimé beau­ coup plus largement, puisqu' il est présent sur toutes les cellules FqR + à l'exception des cellules NK. Son affinité pour les IgG monomériques est faible, mais il se lie aux com­ plexes immuns. Enfin, le récepteur Fc'}'RIII ou CD16 est exprimé par les cellules NK, les macrophages et les polynucléaires neutrophiles. C 'est aussi un récepteur de basse affinité (Ka < 1 07 M - ') qui se lie aux lgG surtout sous forme de complexes immuns à antigènes solubles ou inso­ lubles (cellules recouvertes d'anti­ corps). Il possède deux isoformes codées par deux gènes distincts mais très homologues. FqRIIIB, exprimé par les polynucléaires neutrophiles, est lié à la membrane plasmique par un pont phosphatidyl-inositol-glycane (PIG), tandis que FqRIIIAa, exprimé sur les NK et les

macropha-ges, est transmembranaire (Tableau II) [ 1 1 , 1 2 ] . La molécule CD16 est une protéine transmembranaire fortement glycosylée de 50-70 kDa, présentant un large segment extracellulaire de 1 9 1 acides aminés, un segment trans­ membranaire de 2 1 acides aminés et, pour FqRIIIAa, un très court seg­ ment intracytoplasmique de 25 acides aminés. On sait maintenant que la nature du résidu 203 suffit à déter­ miner le type d 'ancrage de la molé­ cule dans la membrane : Phe203 pour la forme transmembranaire, et Ser2°3 pour l ' attachement PIG [ 1 3 - 1 5 ] .

1

CD 1 6 est le récepteur

NK

pour /'A DCC

Les cellules NK n 'expriment qu'un seul type de récepteur Fe, CD16, et 1 'ensemble des résultats actuels indi­ que qu ' il est le récepteur de surface utilisé dans l'ADCC. L'ADCC est en effet inhibée lorsque l'on induit l 'internalisation de C D 1 6 après trai­ tement par les esters de phorbol ou par des complexes immuns [ 1 ] . On sait aussi que l 'efficacité de l 'ADCC est fonction de l 'affinité de C D 1 6 pour l' isotype d e l ' IgG recouvrant la cellule cible [ 1 ] . Par ailleurs, CD16, avec CD2, est une des seules molé­ cules connues capable de transmettre des modifications biochimiques liées

362

RÉFÉRENCES

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Le récepteur de l'antigène du lymphocyte T

CD3 C D 1 6 y-Ç Ç-Ç Ç-11 Le complexe CD16:

Ç

:y de la cellule N K y-y y-Ç Ç-Ç

Le complexe FceRI exprimé sur les basophiles et les mastocytes

a

y-y

Figure 1 . Homologies structurales entre le récepteur de l'antigène

CD3: TCR des lymphocytes T, le complexe CD 1 6(FcyRIIIAa}:{:y des cel­ lules NK et le complexe FceRI exprimé par les basophiles et les mastocytes.

E C TM I C

H

T C R Ç

M

T C R Ç

M

T C

R Tl

H

F c f: R i y

M

F c f: R i y

� � � � � � � � �

�

- � � � � �� � � � � � � � � � � � � � L

l

· �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : I : : : Y : : A : : : : : : : TA :

N L : O P : : : : : : : : : : : : :

: G E : Q : : : I : : A : : : L : : I V : : L : Y C : L : I QV R K A A I T S Y E

-- -- -- -- : G E : Q : : : I : : AV :

: L :

: I V : : L : Y C : L : I Q V R K A A I A S R E

-* * *

H

M

M

T C R Ç

T C R Ç

T C

R Tl

E Y DV L D K R R G R D P E M G G K P - R R K N P Q E G L Y N E L Q K D K M A E A Y S E I G M K G E R R R G K G H D G L

: : : : : E : K : A : : : : : : : : Q Q : : R : : : : : V : : A : : : : : : : : : : : : : : T : : : : : : : : : : : . .

: : : : : E : K : A : : : : : : : : Q Q : : R : : : : : V : : A : : : : : : : : : : : : : : T : : : : : :

:

: : : : : :

H

F c f: R i y

- - - -

-

- - - -.- - - K S : : V

M

F c f: R i y

- - - K A : AV

H

T C R Ç

M

T C R Ç

* *

Y Q G

L

S

T

A T K D T Y D A L H M Q A L P P R /

1 4 2

: : : : : : : : : : : : : : : : : :

T :

A :

:

1

1 4

3

M

H

TC R Tl

F c f: R i y

: : D S H F Q AVQ F G N R R E R E G S E L T R T L G L RA R P K G E S T Q Q S S Q S C A S V F S I P T L W S P W P P S

:

T :

: : :

R N Q E : : E T :

K 1

6 2

M

F c f: R i y

: T : : N : R S Q E :

:

E T

:

K /

6 2

M

T C R Tl

S S S Q L /

1 8 5

Figure 2. Alignement des séquences protéiques des chaînes t (zeta} et 11 (eta} associées au complexe CD3:TCR

et de la chaîne y du complexe FctRI. Les séquences protéiques de j (TCR), 11 (TCR) et FctRiy mûres sont alignées. Les acides aminés sont représentés par le code à une lettre. Le nombre total d'acides aminés est indiqué en caractè­ res gras. Les acides aminés conservés sont indiqués par (:). Les (-) sont des interruptions fictives de la séquence et n 'ont été représentés que pour permettre l'alignement des séquences selon leur homologie maximale. Abréviations : H : homme, M : souris, EC : domaine extracel/ulaire, TM : domaine transmembranaire, IC : domaine intracellulaire. Dans

la séquence de j, l'enchaÎnement de résidus glycine ( *) Gly-x-Giy-x-x-Giy-x-x-x-Giy-x-x-x-x-x-Lys situé entre les Gly 1 1 3 et Lys 1 28 est un motif caractéristique pouvant se lier de façon spécifique au G TP ou à l'A TP.

à l 'activation du programme cytoly­ tique des cellules NK [ 1 6-22 ] . En effet, l'agrégation de CD16 par des anticorps monoclonaux augmente l'activité cytotoxique des cellules NK et induit parallèlement l'apparition de flux calcique s , l ' hydrolyse des phospho-inositides membranaires et la production d' inositol phosphates,

1 'expression de certains antigènes d'activation (CD25, CD7 1 et CMH de classe Il) ainsi que la transcription des gènes du TNFa (tumor necrosis factor a) et de 1 ' interféron

'Y

[ 1 ] .

Cependant, la taille extrêmement réduite du domaine intracytoplasmi­ que de CD 16 ne lui permet pas de transmettre seul ces signaux intracel­ lulaires. C 'est pourquoi la mise en évidence, à la surface des cellules NK, de son association aux deux sous-unités de transduction,

r

et 'Y' a permis de progresser dans l'étude des mécanismes de signalisation de l'ADCC [23-25].

mis n ° 4, vol. 8, avril 92

1

Les molécules homologues t et y associées à CD 1 6

CD16,

t

e t 'Y forment un complexe multimérique au sein duquel

r

et

'Y

peuvent s' apparier par des ponts disulfures et former différentes com­ binaisons covalentes d'homo- ou hété­ rodimères

r-t t-'Y

et "(-"( (figure 1, p. 362) [25-30] .

La molécule

t

a été décrite en 1 986

par le groupe de R. K.lausner comme étant une sous-unité associée au récepteur de l 'antigène CD3 : TCR des lymphocytes T. C 'est une pro­ téine transmembranaire de 1 6 kDa possédant une très petite partie amino-terminale extracellulaire de 9 acides aminés, un segment trans­ membranaire de 2 1 acides aminés et un long domaine carboxy-terminal intracytoplasmique de 1 1 2 acides ami­ nés (figures 1 et 2) [3 1 ] . Elle est néces­ saire à l 'expression du complexe CD3 :TC R puisque sa présence dans

le réticulum endoplasmique granuleux permet au complexe pentamérique TCRa-{3: CD3"(0f d 'être épargné par la dégradation lysosomiale et d'être exporté vers la membrane plasmi­ que [32] . Pour cela, on sait que

t

s'associe aux autres sous-unités du complexe CD3 :TCR grâce au seul résidu chargé, Asp15, situé dans sa région transmembranaire [33 ] .

La molécule

t

joue aussi un rôle cen­

tral dans la transduction des signaux d'activation du lymphocyte T. En effet, elle est phosphorylée sur des résidus tyrosine après activation par l 'antigène ou par des anticorps mono­ clonaux anti-CD3 [34] . Cette phos­ phorylation est cruciale puisque la délétion des résidus tyrosine intracy­ toplasmiques se traduit par une inhi­ bition du signal donné par 1' anti­

gène [35]. Le rôle de

t

dans la trans­

duction des signaux d'activation a été récemment confirmé par des études montrant que les molécules

364

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ques CD4/t, CD8ft et CD25/t com­ posées des domaines extracellulaires de CD4, de CD8 ou de CD25, et de la partie cytoplasmique de t sont suffi­ santes pour transmettre des signaux d'activation aux cellules T [36-38] . Ces deux fonctions de la molécule t, à savoir ses rôles dans l'expression du complexe CD3:TCR et dans la signa­ lisation intracellulaire, semblent pou­ voir être attribuées à des domaines dif­ férents de la molécule puisque la délé­ tion de 40 % de la partie intracyto­ plasmique de t permet encore l 'expression du complexe CD3 : TCR tandis que la capacité de l'antigène à induire une activation est inhibée [35].

La deuxième molécule associée à CD 1 6 est la sous-unité 'Y du récep­ teur de haute affinité pour les IgE (FcERI'Y) · Ce récepteu r FCERI­ exprimé par les mastocytes et les polynucléaires basophiles, a une structure tétramérique a : {3 : 'Y-'Y

(figure 1) [ 39] . La chaîne a est pres­

que totalement extracellulaire et pos­ sède le site de liaison pour le frag­ ment Fe des IgE. Les chaînes {3 et 'Y, majoritairement intracytoplasmiques, sont phosphorylées après agrégation de la chaîne a, et sont donc respon­

sables de la transduction du signal [ 40] . 'Y est une petite molécule de 68 acides aminés

(

= 10 kDa) pos­

sédant un court segment extracellu­ laire de 5 acides aminés, un domaine transmembranaire de 2 1 acides ami­ nés et une région intracytoplasmique de 42 acides aminés (figures 1 et 2) [ 4 1 ] . L'étude de sa séquence nucléotidique a montré qu'elle pré­ sente une très forte analogie avec celle de la molécule t ainsi qu 'avec celle de la sous-unité 'YJ du complexe CD3 :TCR (figure 2) [ 3 1 , 42] . Ces trois protéines sont codées par deux gènes présents sur le chromosome 1 1 chez l 'homme. 'YJ et t sont les pro­ duits d 'épissages alternatifs d'un même gène, tandis que 'Y est codée par 5 exons d'un gène analogue mais distinct. Alors que la molécule t n'est exprimée que dans les lymphocytes T et les cellules NK, la molécule 'Y est plus largement représentée dans des cellules hématopoïétiques qui n'expri­ ment pas le récepteur FCERI, telles que les macrophages [9]. Des résul­ tats récents montrent qu'elle est pré­ sente également dans les lymphocy­ tes T et les thymocytes humains où

elle s 'associe sous la forme de dimè­ res avec t et 'YJ au sein du complexe CD3 : TCR (figure 1) [29, 43] .

1

Rôle des sous-unités r et y au sein

du complexe CD 1 6:t:y

La présence des molécules de la famille t. 'YJ ' 'Y' associées au récepteur de l'antigène dans les lymphocytes T, à CD16 dans les cellules NK et à FcERI dans les polynucléaires baso­ philes et les mastocytes, souligne la similarité existant entre ces différents complexes moléculaires (figure 1). Cette homologie n'est pas seulement structurale : les membres de la famille t. 'Y/, 'Y exercent des fonctions similaires au sein de ces différents récepteurs multimériques. Ils sont en effet nécessaires à 1' expression des récepteurs à la surface de la cellule, ainsi qu 'à la transduction du signal émis lors de son activation [8]. Ainsi, de manière similaire au rôle de t dans l'expression de surface du com­ plexe CD3 : TCR dans les lymphocy­ tes T, les molécules t et 'Y sont néces­ saires à l 'expression de surface de CD16 [27, 28] . De même que la sous-unité t est phosphorylée sur tyrosine en réponse à l'agrégation du complexe CD3 :TCR, elle est aussi phosphorylée sur tyrosine en réponse à l 'agrégation de CD16 dans les cel­ lules NK [20, 22].

Néanmoins, la nature des dimères de la famille t, 'YJ , 'Y présente une cer­ taine spécificité au sein de ces com­ plexes multimériques. Ainsi, dans les cellules lymphoïdes, CD16 s'associe aux dimères t-t. t-'Y ou 'Y-"1' alors que la majorité des récepteurs CD3 : TCR est associée aux dimères t-r. t-'Y et t-'YJ (figure 1) [29, 43] . Puisqu'il a aussi été montré, dans un clone T cytotoxique, que le complexe CD3 : TCR est associé à 'Y-"f, il sem­ ble que cet homodimère est préféren­ tiellement exprimé dans les cellules à activité cytolytique, et qu' il peut représenter une voie de signalisation spécifique impliquée dans les méca­ nismes de cytotoxicité [29, 43] . De même, au sein des cellules NK elles­ mêmes, il semble qu 'existent deux sortes de complexes isomorphes (CD1 6 : t--r-: t-t et C D 1 6 : t-"f:"f-"f), qui contribueraient à l'hérérogénéité fonc­ tionnelle de ces cellules [ 29] .

Il est certain que la spécialisation fonctionnelle des cellules dépend de la présence de récepteurs de surface spé­ cifiques. Ceux-ci sont couplés à des mécanismes de transduction très con­ servés d 'un type cellulaire à l' autre. L'étude de la famille des dimères r,

1J, -y, fait cependant apparaître main­

tenant que la nature des dimères de transduction associés à certains récep­ teurs de surface pourrait représenter un deuxième niveau de spécialisation. Ainsi, des combinaisons spécifiques de ces sous-unités de transduction pourraient être à l'origine de voies de signalisation différentes et contribuer à 1 'hétérogénéité fonctionnelle existant au sein des cellules hématopoïéti­

ques •

Summary

Structure and function of the

CD 1 6 : r:r NK receptor complex

Natural killer cells are large gra­ nular lymphocytes involved in host defence against tumor cells and virally-infected cells. Besicles a natural non MHC-restricted cyto­ toxicity, NK cells can also effect an antibody-dependent cytoxicity (ADCC) mediated by Fc-yRIIIAa (CD16). It has been recently shown that CD 16 is associated with disulfïde-linked dimers com­ posed of two homologous subunits, r and 'Y. The se transducing mole­ cules are also associated with the T -ce li antigen re cep t o r (CD3 :TCR) arid the I g E receptor (FceRI) expressed on basophils and mast cells. These results show that distinct cell surface receptors utilize common transducing sub­ units, and emphasize the homo­ logy between the CD16, FceRI and CD3:TCR complexes. Howe­ ver, the -y--y homodimer is prefe­ rentially expressed in NK cells, suggesting that specifie combina­ tians of these transducing subunits might subserve distinct signal transducing functions, and contri­ bute to the heterogeneity of these cellular populations.

TIRÉS A PART N . Rochet .