SYNTHÈSE
médecine/sciences 1992 ; 8 : 359-65Nathalie 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 cellulesNK
sont de grands lymphocytes granuleux cytotoxiquesLes 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
PhénotypeLes 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 6Les 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 récepteurNK
pour /'A DCCLes 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
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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-ÇLe 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
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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
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: L :: I V : : L : Y C : L : I Q V R K A A I A S R E
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T :
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M
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:
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 6CD16,
t
e t 'Y forment un complexe multimérique au sein duquelr
et'Y
peuvent s' apparier par des ponts disulfures et former différentes com binaisons covalentes d'homo- ou hété rodimèresr-t t-'Y
et "(-"( (figure 1, p. 362) [25-30] .La molécule
t
a été décrite en 1 986par 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 central 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 transduction des signaux d'activation a été récemment confirmé par des études montrant que les molécules
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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) possédant 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] .
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Rôle des sous-unités r et y au seindu 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 .