Plasticité fonctionnelle des cellules NK induite par les facteurs cytokiniques : les rôles contrastés des Interleukines IL-33 et IL-35

Functional plasticity of NK cells induced by cytokine factors : the contrasting roles of Interleukins-33 and -35

• Auteur / Autrice : Valentin Picant
• Direction : Nathalie Bendriss-Vermare
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Immuno-oncologie
• Date : Soutenance le 06/10/2023
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Biologie Moléculaire Intégrative et Cellulaire (Lyon ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche en Cancérologie de Lyon
• Jury : Président / Présidente : Pierre Saintigny
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Bendriss-Vermare, Anne Caignard, Rachel Golub, Geoffrey Guittard, Aurélien Marabelle, Ludovic Martinet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Caignard, Rachel Golub

Mots clés

Mots clés contrôlés

Immunothérapie

Cellules NK

Interleukines

Tumeurs

Mots clés libres

Interleukine-33

Cellules Natural Killer

Interleukine-35

Immunosurveillance

Interleukin-33

Natural Killer cells

Interleukin-35

Immunosurveillance

Résumé

L’ensemble des caractéristiques des cellules Natural Killer (NK) sont fortement régulées par les cytokines. Bien que les NK aient été décrites comme des acteurs clés de la surveillance des cancers via leurs habilités à tuer directement les cellules dangereuses et leur rôle de soutient envers d'autres populations immunitaires, ces cellules deviennent progressivement dysfonctionnelles au sein des tumeurs. Par conséquent, comprendre les mécanismes à l'origine de ces altérations et identifier les facteurs susceptibles de revigorer leurs aptitudes fonctionnelles sont deux stratégies prometteuses pour le développement de futures immunothérapies. Dans ce contexte, nous avons identifié la cytokine immunosuppressive Interleukine-35 (IL-35) et l'alarmine pro-inflammatoire IL-33 comme des régulateurs importants des deux processus biologiques mentionnés ci-dessus, respectivement. Premièrement, nous avons démontré pour la première fois la contribution de l'IL-35 dans la perte des fonctions effectrices des NK humaines. Des expériences fonctionnelles et des analyses bioinformatiques ont révélé que cette dernière altère profondément l'activation, la prolifération, les sécrétions de cytokines et la cytotoxicité des NK, tout en favorisant l'acquisition concomitante de fonctions pro-angiogéniques et immunosuppressives. Des approches d’immunophénotypage couplées à des analyses bioinformatiques ont permis de décrire une conversion des NK exposés à l’IL-35 en cellules ILC1-like tolérogènes présentant des fonctions d'immunosurveillance réduites. Deuxièmement, des approches fonctionnelles et de profilage transcriptomique nous ont permis de mettre en évidence la capacité de l'IL-33 à augmenter significativement les fonctions antitumorales des NK lorsque combinée avec l'IL-12 ou l'IL-15, avec des différences fonctionnelles en fonction du combo cytokinique ou de la sous-population NK considérée. De façon intéressante, nous avons identifié l'induction de l'IL-33R sur les NK comme une nouvelle caractéristique du dialogue NK/cDC. À l'aide de modèles tumoraux in vivo, nous avons décrit un rôle synergique entre l’IL-33 et des agonistes de TLR activant les DC pour limiter le développement de la tumeur, de façon dépendante aux NK. Nous avons observé une croissance tumorale plus élevé et une diminution des effets thérapeutiques décrit ci-dessus au sein d’un modèle il33KO, soulignant le rôle de l'IL-33 dans l’immunosurveillance anti-cancéreuse. Enfin, nous avons validé que l'IL-33 active fortement les NK isolés de tumeurs de patients. Nos travaux identifient ainsi d’une part l'IL-35 comme un inducteur majeur de la perte de fonction antitumorale des NK, notamment par sa capacité à les convertir en cellules tolérogènes ILC1-like et d’autre part l'IL-33 comme un facteur qui pourrait être utilisé pour inverser le dysfonctionnement des NK intratumorales, suggérant le potentiel intéressant de ces deux molécules pour le développement de futures approches thérapeutiques.

Natural Killer (NK) cell development, survival, activation and functions are highly regulated by cytokine signals. While NK cells have been described as key players in cancer surveillance by directly killing dangerous cells and supporting antitumor functions of other immune cells, those cells get progressively dysfunctional in chronic diseases such as cancer or infections. Therefore, understanding the mechanisms driving these functional alterations or identifying factors that might reinvigorate their functional fitness appears to be two promising strategies to design future NK-centered immunotherapies. In that context, we identified the immunosuppressive cytokine Interleukin-35 (IL-35) and the pro-inflammatory alarmin IL-33 as important regulators of the two above mentioned biological processes, respectively. First, we demonstrated for the first time the contribution of IL-35 in Human NK cell loss of effector functions. Functional experiments and bioinformatic analyses revealed that IL-35 exposures strikingly impair the activation, proliferation, cytokine secretion and cytotoxic ability of NK cells while promoting a concomitant acquisition of unexpected functions, such as the secretion of pro-angiogenic et immunosuppressive factors. While IL-35 had no impact on NK cell viability, we described its ability to convert NK into tolerogenic ILC1-like cells, with reduced immunosurveillance-related functions. Second, we highlighted the ability of IL-33 to significantly increase antitumor functions of NK cells when combined with IL-12 or IL-15, although functional differences were observed depending of the cytokine combination or the NK cell subpopulation considered. Transcriptomic analysis further revealed that IL-33 effects are context- and NK cell subset-specific. Interestingly, we identified the induction of the IL-33R on NK cells as a new feature of the NK/cDC crosstalk. Using in vivo tumor models, we reported that IL-33 synergizes with DC-activating TLR agonists in a NK-dependent manner to limit tumor development. Finally, we observed a higher tumor growth rate and a decreased antitumoral effects of TLR agonists in IL33KO mice, highlighting a role for IL-33 in cancer immune surveillance. Finally, we validated that IL-33 potently activates tumor-infiltrating NK cells isolated from cancer patients. Our work identifies IL-35 as a major inductor of NK cell antitumor function loss, notably through its ability to convert them into tolerogenic ILC1-like cells while our results suggest that IL-33 might be used to reverse intratumor NK cell dysfunctionality, paving the way to a refinement of immunotherapies targeting innate cells.