Subset- and tissue-defined STAT5 thresholds control homeostasis and function of innate lymphoid cells

Innate lymphoid cells (ILCs) patrol environmental interfaces to defend against infection and protect barrier integrity. Using a genetic tuning model, we demonstrate that the signal-dependent transcription factor (TF) STAT5 is critical for accumulation of all known ILC subsets in mice and reveal a hierarchy of STAT5 dependency for populating lymphoid and nonlymphoid tissues. We apply transcriptome and genomic distribution analyses to define a STAT5 gene signature in natural killer (NK) cells, the prototypical ILC subset, and provide a systems-based molecular rationale for its key functions downstream of IL-15. We also uncover surprising features of STAT5 behavior, most notably the wholesale redistribution that occurs when NK cells shift from tonic signaling to acute cytokine-driven signaling, and genome-wide coordination with T-bet, another key TF in ILC biology. Collectively, our data position STAT5 as a central node in the TF network that instructs ILC development, homeostasis, and function and provide mechanistic insights on how it works at cellular and molecular levels

The Natural Cytotoxicity Receptors in Health and Disease

The Natural Cytotoxicity Receptors (NCRs), NKp46, NKp44, and NKp30, were some of the first human activating Natural Killer (NK) cell receptors involved in the non-MHC-restricted recognition of tumor cells to be cloned over 20 years ago. Since this time many host- and pathogen-encoded ligands have been proposed to bind the NCRs and regulate the cytotoxic and cytokine-secreting functions of tissue NK cells. This diverse set of NCR ligands can manifest on the surface of tumor or virus-infected cells or can be secreted extracellularly, suggesting a remarkable NCR polyfunctionality that regulates the activity of NK cells in different tissue compartments during steady state or inflammation. Moreover, the NCRs can also be expressed by other innate and adaptive immune cell subsets under certain tissue conditions potentially conferring NK recognition programs to these cells. Here we review NCR biology in health and disease with particular reference to how this important class of receptors regulates the functions of tissue NK cells as well as confer NK cell recognition patterns to other innate and adaptive lymphocyte subsets. Finally, we highlight how NCR biology is being harnessed for novel therapeutic interventions particularly for enhanced tumor surveillance

Characterization of a new subset of gut intra epithelial innate lymphoid cells who undergo malignant transformation in celiac disease

La maladie coeliaque réfractaire de type II (MCRII) est une complication sévère de la maladie coeliaque caractérisée par l’émergence dans l’épithélium intestinal d’une population clonale de cellules innées lymphoïdes (IE-ILC) avec un phénotype inhabituel. Nos travaux montrent en effet que ces IE-ILC ont un phénotype mixte avec des caractéristiques à la fois de lymphocytes T (LT) et de cellules NK, puisqu’elles expriment des récepteurs NK et contiennent les chaines du complexe CD3 en intracellulaire et des réarrangements du récepteur T. En outre, des travaux précédents du laboratoire ont montré que l’interleukine 15 (IL-15), produite en excès par les entérocytes des patients MCRII, joue un rôle central en permettant la survie de ces lymphocytes anormaux et de ce fait leur accumulation progressive dans l’intestin. Le premier objectif de ma thèse a été de comprendre l’ontogénie des IE-ILC chez l’homme. Nous avons démontré qu’une population «polyclonale» d’IE-ILC, possédant des caractéristiques similaires à ceux des lymphocytes clonaux de MCRII, est présente dans l’épithélium intestinal des sujets sains. En outre, ces cellules prédominent dans l’épithélium intestinal des très jeunes enfants (<1ans) et des patients allo-greffés après une chimiothérapie. Nous avons montré que la différenciation des IE-ILC peut–être récapitulée in vitro à partir de cellules souches hématopoïétiques (CSH), en combinant un signal NOTCH et IL-15; le signal NOTCH initie un programme T qui est interrompu par l’IL-15, conduisant à la reprogrammation des cellules vers une différenciation NK. Nous avons aussi montré que l’effet de l’IL-15 résulte de l’induction de la sérine protéase Granzyme B, qui clive la protéine NOTCH en fragments dépourvus d’activité transcriptionnelle. Le deuxième objectif de mon travail a été d’identifier le site de la différenciation des IE-ILC. Thymus et épithélium intestinal expriment en effet des ligands de NOTCH ainsi que de l’IL-15. Cette partie du travail a été conduite chez la souris. Nous avons montré qu’une population d’IE-ILC similaire à celle observée chez l’homme est présente dans l’épithélium murin. L’étude de différentes souris mutantes nous a permis de démontrer sa dépendance stricte de l’IL-15. La réalisation de greffes de thymus, l’analyse de souris athymiques et le transfert de cellules de la moelle osseuse chez des souris immunodéficiences a permis d’exclure tout rôle du thymus dans la différenciation des IE-ILC, et de suggérer que ces cellules se différencient dans l’intestin avant la migration des lymphocytes T. Dans leur ensemble, ces résultats caractérisent une nouvelle population de cellules lymphoïdes innées et une voie originale de différenciation. Nos résultats éclairent un débat de longue date sur la différenciation extra-thymique des lymphocytes de l’épithélium. Nous montrons que la différenciation T peut être initiée dans l’épithélium intestinal mais que l’IL-15 bloque cette différenciation, ce qui conduit à la génération d’une population particulière de IE-ILC avec un phénotype mixte de LT et de NK. La présence des IE-ILC chez les très jeunes enfants et chez les patients greffés suggère un rôle possible dans les défenses de l’épithélium intestinal avant l’activation du système immunitaire adaptatif et la migration intraépithéliale des LT.Refractory celiac disease type II (RCDII) is a rare but severe complication of celiac disease characterized by the appearance in gut epithelium of clonal population of innate lymphoid cells (IE-ILC) with atypical features. Our work shows that IE-ILC have mixed phenotype close both to T cells and NK cells. Indeed, IE-ILC express NK markers, intracellular CD3 chains and exhibit T cell rearrangement. Moreover, previous data from the laboratory have shown that interleukin 15 (IL-15), a cytokine overexpressed in the gut of RCDII patients, plays a key role in survival of clonal IE-ILC1 and therefore promotes their accumulation in the gut epithelium. The first objective of my thesis has been to understand the ontogeny of IE-ILC in humans. We have demonstrated that polyclonal IE-ILC sharing similar features with clonal IE-ILC are present in the gut of healthy control. In addition, IE-ILC are preponderant in the gut epithelium of young children (<1year) and of grafted patients after chemotherapy. We have shown that differentiation of IE-ILC can be recapitulated in vitro from hematopoietic stem cells (HSC) by combining both NOTCH signal and IL-15. Indeed, NOTCH signal initiates T cell program, which is blocked by IL-15, reprogramming these cells toward the NK lineage. Moreover, we have shown that Granzyme B, a serine protease induced by IL-15, cleaves the NOTCH protein into a transcriptionnally inactive peptide. The second objective of my work has been to determine the site of differentiation of IE-ILC. Thymus and gut epithelium express both NOTCH ligands and IL-15. This question has to be addressed in mouse. We have shown that the mouse gut epithelium contains the counterpart of human IE-ILC1. We first confirmed that mouse IE-ILC1 require IL-15 for their differentiation and or survival using IL-15 deficient mice. Thymus graft experiment, analysis of athymic mice (nude) and HSC transplantation in empty hosts suggested that IE-ILC1 differentiate in the gut epithelium before immigration of T cells from thymus. In summary, our results describe a novel subset of IE-ILC1 together with their novel unconventional mechanism of differentiation. Our data allow to revisit the long time controversy on extra-thymic T cell differentiation in the gut. We have demonstrated that T cell program can be initiated in the gut epithelium but IL15-induced Granzyme B blocks this program and permits the generation of unconventional IE-ILC with mixed T cell and NK cell features. Because IE-ILC1 are preponderant in the gut epithelium of young children and of patients with recent bone marrow transplantation, we suggest that IE-ILC1 can play a major role in gut defense before activation of the gut adaptative immune system activate and migration of thymus-derived T cells into the gut epithelium