Summary

 Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection is typically very mild and often asymptomatic in children. A complication is the rare multisystem inflammatory syndrome in children (MIS-C) associated with COVID-19, presenting 4–6 weeks after infection as high fever, organ dysfunction, and strongly elevated markers of inflammation. The pathogenesis is unclear but has overlapping features with Kawasaki disease suggestive of vasculitis and a likely autoimmune etiology. We apply systems-level analyses of blood immune cells, cytokines, and autoantibodies in healthy children, children with Kawasaki disease enrolled prior to COVID-19, children infected with SARS-CoV-2, and children presenting with MIS-C. We find that the inflammatory response in MIS-C differs from the cytokine storm of severe acute COVID-19, shares several features with Kawasaki disease, but also differs from this condition with respect to T cell subsets, interleukin (IL)-17A, and biomarkers associated with arterial damage. Finally, autoantibody profiling suggests multiple autoantibodies that could be involved in the pathogenesis of MIS-C.

Freshly isolated, resting natural killer (NK) cells are generally less lytic against target cells than in vitro interleukin 2 (IL-2)-activated NK cells. To investigate the basis for this difference, the contribution of several receptors to activation of human NK cells was examined. Target-cell lysis by IL-2-activated NK cells in a redirected, antibody-dependent cytotoxicity assay was triggered by a number of receptors. In contrast, cytotoxicity by resting NK cells was induced only by CD16, and not by NKp46, NKG2D, 2B4 (CD244), DNAM-1 (CD226), or CD2. Calcium flux in resting NK cells was induced with antibodies to CD16 and, to a weaker extent, antibodies to NKp46 and 2B4. Although NKp46 did not enhance CD16-mediated calcium flux, it synergized with all other receptors. 2B4 synergized with 3 other receptors, NKG2D and DNAM-1 each synergized with 2 other receptors, and CD2 synergized with NKp46 only. Resting NK cells were induced to secrete tumor necrosis factor alpha (TNF-alpha) and interferon gamma (IFN-gamma), and to kill target cells by engagement of specific, pair-wise combinations of receptors. Therefore, natural cytotoxicity by resting NK cells is induced only by mutual costimulation of nonactivating receptors. These results reveal distinct and specific patterns of synergy among receptors on resting NK cells.

Abstract Natural killer (NK)–cell recognition of infected or neoplastic cells can induce cytotoxicity and cytokine secretion. So far, it has been difficult to assess the relative contribution of multiple NK-cell activation receptors to cytokine and chemokine production upon target cell recognition. Using Drosophila cells expressing ligands for the NK-cell receptors LFA-1, NKG2D, DNAM-1, 2B4, and CD16, we studied the minimal requirements for secretion by freshly isolated, human NK cells. Target cell stimulation induced secretion of predominately proinflammatory cytokines and chemokines. Release of chemokines MIP-1α, MIP-1β, and RANTES was induced within 1 hour of stimulation, whereas release of TNF-α and IFN-γ occurred later. Engagement of CD16, 2B4, or NKG2D sufficed for chemokine release, whereas induction of TNF-α and IFN-γ required engagement of additional receptors. Remarkably, our results revealed that, upon target cell recognition, CD56dim NK cells were more prominent cytokine and chemokine producers than CD56bright NK cells. The present data demonstrate how specific target cell ligands dictate qualitative and temporal aspects of NK-cell cytokine and chemokine responses. Conceptually, the results point to CD56dim NK cells as an important source of cytokines and chemokines upon recognition of aberrant cells, producing graded responses depending on the multiplicity of activating receptors engaged.

The mechanisms underlying human natural killer (NK) cell phenotypic and functional heterogeneity are unknown. Here, we describe the emergence of diverse subsets of human NK cells selectively lacking expression of signaling proteins after human cytomegalovirus (HCMV) infection. The absence of B and myeloid cell-related signaling protein expression in these NK cell subsets correlated with promoter DNA hypermethylation. Genome-wide DNA methylation patterns were strikingly similar between HCMV-associated adaptive NK cells and cytotoxic effector T cells but differed from those of canonical NK cells. Functional interrogation demonstrated altered cytokine responsiveness in adaptive NK cells that was linked to reduced expression of the transcription factor PLZF. Furthermore, subsets of adaptive NK cells demonstrated significantly reduced functional responses to activated autologous T cells. The present results uncover a spectrum of epigenetically unique adaptive NK cell subsets that diversify in response to viral infection and have distinct functional capabilities compared to canonical NK cell subsets.

Tissue-resident memory T (Trm) cells form a heterogeneous population that provides localized protection against pathogens. Here, we identify CD49a as a marker that differentiates CD8+ Trm cells on a compartmental and functional basis. In human skin epithelia, CD8+CD49a+ Trm cells produced interferon-γ, whereas CD8+CD49a- Trm cells produced interleukin-17 (IL-17). In addition, CD8+CD49a+ Trm cells from healthy skin rapidly induced the expression of the effector molecules perforin and granzyme B when stimulated with IL-15, thereby promoting a strong cytotoxic response. In skin from patients with vitiligo, where melanocytes are eradicated locally, CD8+CD49a+ Trm cells that constitutively expressed perforin and granzyme B accumulated both in the epidermis and dermis. Conversely, CD8+CD49a- Trm cells from psoriasis lesions predominantly generated IL-17 responses that promote local inflammation in this skin disease. Overall, CD49a expression delineates CD8+ Trm cell specialization in human epithelial barriers and correlates with the effector cell balance found in distinct inflammatory skin diseases.

The relative contribution to cytotoxicity of each of the multiple NK cell activation receptors has been difficult to assess. Using Drosophila insect cells, which express ligands of human NK cell receptors, we show that target cell lysis by resting NK cells is controlled by different receptor signals for cytolytic granule polarization and degranulation. Intercellular adhesion molecule (ICAM)-1 on insect cells was sufficient to induce polarization of granules, but not degranulation, in resting NK cells. Conversely, engagement of the Fc receptor CD16 by rabbit IgG on insect cells induced degranulation without specific polarization. Lysis by resting NK cells occurred when polarization and degranulation were induced by the combined presence of ICAM-1 and IgG on insect cells. Engagement of receptor 2B4 by CD48 on insect cells induced weak polarization and no degranulation. However, coengagement of 2B4 and CD16 by their respective ligands resulted in granule polarization and cytotoxicity in the absence of leukocyte functional antigen-1-mediated adhesion to target cells. These data show that cytotoxicity by resting NK cells is controlled tightly by separate or cooperative signals from different receptors for granule polarization and degranulation.

Signaling from endosomes is emerging as a mechanism by which selected receptors provide sustained signals distinct from those generated at the plasma membrane. The activity of natural killer (NK) cells, which are important effectors of innate immunity and regulators of adaptive immunity, is controlled primarily by receptors that are at the cell surface. Here we show that cytokine secretion by resting human NK cells is induced by soluble, but not solid-phase, antibodies to the killer cell immunoglobulin-like receptor (KIR) 2DL4, a receptor for human leukocyte antigen (HLA)-G. KIR2DL4 was constitutively internalized into Rab5-positive compartments via a dynamin-dependent process. Soluble HLA-G was endocytosed into KIR2DL4–containing compartments in NK cells and in 293T cells transfected with KIR2DL4. Chemokine secretion induced by KIR2DL4 transfection into 293T cells occurred only with recombinant forms of KIR2DL4 that trafficked to endosomes. The profile of genes up-regulated by KIR2DL4 engagement on resting NK cells revealed a proinflammatory/proangiogenic response. Soluble HLA-G induced secretion of a similar set of cytokines and chemokines. This unique stimulation of resting NK cells by soluble HLA-G, which is endocytosed by KIR2DL4, implies that NK cells may provide useful functions at sites of HLA-G expression, such as promotion of vascularization in maternal decidua during early pregnancy.

TLR7 and plasmacytoid dendritic cells are essential for type I IFN–dependent immunity to SARS-CoV-2 in the lungs.