Association between Natural Killer Cell Education and Cellular Glucose Metabolism in Human Natural Killer Cells

Abstract

Natural killer (NK) cells express activating and inhibitory receptors to distinguish between healthy and aberrant cells. Whereas activating receptors detect stress-ligands on virus-infected or malignant cells, inhibitory receptors bind to self-molecules that are expressed by all nucleated host cells. Inhibitory receptors that bind to self-molecules mediate self-tolerance and transfer functional competence to NK cells, allowing these cells to respond upon activation. This process is known as NK-cell education. Thereby, educated NK cells exhibit increased responsiveness upon stimulation while being tolerant towards healthy host cells at the same time. In contrast, uneducated NK cells, that lack inhibitory receptors for self-molecules, have been shown to be hyporesponsive upon stimulation. To date, little is known about the underlying molecular mechanisms leading to functional differences between educated and uneducated NK cells. An increasing number of studies have shown that immune cell functions can be directly influenced by cellular metabolic pathways. Changes within these metabolic pathways may therefore play a role in NK-cell education. For this reason, the aim of this work was to determine the glycolytic profiles of educated and uneducated NK cells. Primary human NK cells were isolated and co-cultured with the target cell lines K-562 and 721.221. NK-cell function and the expression of inhibitory receptors was assessed via flow cytometry. Based on functional and phenotypical analysis, NK cells were stratified into educated and uneducated NK-cell subsets. In order to determine the glycolytic profile of educated and uneducated NK cells, these subsets were examined for the expression of the glucose transporter Glut1. Using fluorescence-activated cell sorting, NK cells were divided into educated and uneducated NK-cell populations, which were subsequently analyzed for their glycolytic activity in a Seahorse XF glycolysis stress test. Data revealed, that educated NK cells exhibited an increased functional capacity upon stimulation with target cell lines compared to uneducated NK cells. Furthermore, educated NK cells displayed an increased surface expression of the glucose transporter Glut1. In addition, educated NK cells possessed an elevated glycolytic profile. The results of this work showed that educated NK cells display a characteristic metabolic profile that provides a potential model for the underlying mechanisms that lead to functional differences between educated and uneducated NK cells.

Natürliche Killer (NK)-Zellen sind Teil des angeborenen Immunsystems und werden zu der Gruppe der Lymphozyten gezählt. Sie besitzen die Fähigkeit abnormale Zellen, wie beispielsweise Tumorzellen oder virusinfizierte Zellen von normalen, körpereigenen Zellen zu unterscheiden. Dies geschieht mit Hilfe spezieller inhibitorischer und aktivierender Rezeptoren auf der Zelloberfläche dieser Zellen. Inhibitorische Rezeptoren vermitteln den Zellen eine Toleranz gegenüber körpereigenen normalen Zellen, während aktivierende Rezeptoren die Zellen zur Ausübung von zytotoxischen Funktionen anregen, welche zum Tod der Zielzelle führen können. Inhibitorische Rezeptoren, welche an körpereigene Moleküle binden, übertragen dabei eine funktionelle Kompetenz, welche es den Zellen erlaubt auf aktivierende Signale zu reagieren. Fehlt den Zellen diese funktionelle Kompetenz, bleiben sie passiv. Dieser Prozess ist auch als NK-Zell Lizensierung bekannt. Dabei weisen lizensierte NK-Zellen bei Stimulation eine erhöhte Funktion gegenüber unlizensierten NK-Zellen auf. Über die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen, welche zu funktionellen Unterschieden zwischen lizensierten und unlizensierten NK-Zellen führen, ist nur wenig bekannt. Eine zunehmende Anzahl von Studien konnte zeigen, dass die Funktionen von Immunzellen maßgeblich durch zelluläre Stoffwechselwege beeinflusst werden können. Veränderungen innerhalb dieser Stoffwechselwege könnten daher eine Rolle bei der Übertragung von funktioneller Kompetenz in lizensierten NK-Zellen spielen. Aus diesem Grund war es das Ziel dieser Arbeit, das glykolytische Profil von lizensierten und unlizensierten NK-Zellen zu bestimmen und miteinander zu vergleichen. Dafür wurden primäre human NK-Zellen aus Vollblut isoliert und anschließend mit Zielzelllinien stimuliert. Mit Hilfe von durchflusszytometrischen Methoden konnte die funktionelle Aktivität sowie die Expression von inhibitorischen Rezeptoren bestimmt werden. Basierend auf diesen funktionellen und phänotypischen Analysen, wurden NK-Zellen in lizensierte und unlizensierte Untergruppen eingeteilt. Für die Bestimmung des glykolytischen Profils wurden lizensierte und unlizensierte NK-Zellen auf die Expression des Glukosetransporters Glut1 untersucht. Mittels Fluoreszenz-aktivierter Zellsortierung konnten lizensierte und unlizensierte NK-Zellen isoliert und die glykolytische Aktivität in einem Seahorse XF Glykolyse Stresstest gemessen werden. Dabei konnte gezeigt werden, dass lizensierte NK-Zellen erhöhte Funktion gegenüber unlizensierten NK-Zellen besitzen. Lizensierte NK-Zellen wiesen darüber hinaus eine gesteigerte Expression des Glukosetransporters Glut1 auf. Zudem zeigten lizensierte NK-Zellen ein erhöhtes glykolytisches Profil. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten, dass lizensierte NK-Zellen ein charakteristisches metabolisches Profil besitzen, welches ein mögliches Erklärungsmodell für die funktionellen Unterschiede zwischen lizensierten und unlizensierten NK-Zellen liefert.