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.

Abstract During mouse cytomegalovirus (CMV) infection, a population of Ly49H+ natural killer (NK) cells expands and is responsible for disease clearance through the induction of a “memory NK-cell response.” Whether similar events occur in human CMV infection is unknown. In the present study, we characterized the kinetics of the NK-cell response to CMV reactivation in human recipients after hematopoietic cell transplantation. During acute infection, NKG2C+ NK cells expanded and were potent producers of IFNγ. NKG2C+ NK cells predominately expressed killer cell immunoglobulin–like receptor, and self-killer cell immunoglobulin–like receptors were required for robust IFNγ production. During the first year after transplantation, CMV reactivation induced a more mature phenotype characterized by an increase in CD56dim NK cells. Strikingly, increased frequencies of NKG2C+ NK cells persisted and continued to increase in recipients who reactivated CMV, whereas these cells remained at low frequency in recipients without CMV reactivation. Persisting NKG2C+ NK cells lacked NKG2A, expressed CD158b, preferentially acquired CD57, and were potent producers of IFNγ during the first year after transplantation. Recipients who reactivated CMV also expressed higher amounts of IFNγ, T-bet, and IL-15Rα mRNA transcripts. Our findings support the emerging concept that CMV-induced innate memory-cell populations may contribute to malignant disease relapse protection and infectious disease control long after transplantation.

Key Points Activated NK cells loose CD16 (FcRγIII) and CD62L through a metalloprotease called ADAM17. Inhibition of ADAM17 enhances CD16 mediated NK cell function by preserving CD16 on the NK cell surface to enhance ADCC.

Abstract We have previously shown that NKG2C+ NK cells from CMV naive umbilical cord blood grafts expand preferentially in recipients after CMV reactivation, representing a primary NK cell response after hematopoietic cell transplantation. In this study, recipients of adult donor hematopoietic cell transplantation were assessed to evaluate the role of donor/recipient CMV serostatus on the expression and function of NKG2C+ NK cells to determine responses to secondary CMV events. Expansion of NKG2C+ NK cells was seen following clinical CMV reactivation. However, they also expanded in the absence of detectable CMV viremia when both the donor and recipient were CMV seropositive. Upregulation of NKG2C was observed in NK cells from CMV-positive recipients receiving grafts from CMV-seropositive or -seronegative donors. These in vivo–expanded NKG2C+ NK cells had an increased capacity for target cell–induced cytokine production, expressed an inhibitory killer Ig-like receptor for self-HLA and preferentially acquired CD57. Most importantly, NKG2C+ NK cells transplanted from seropositive donors exhibit heightened function in response to a secondary CMV event compared with NKG2C+ NK cells from seronegative donors. We conclude that NKG2C+ memory-like NK cells are transplantable and require active or latent (subclinical) expression of CMV Ag in the recipient for clonal expansion of NK cells previously exposed to CMV in the donor.

The graft versus leukemia effect by natural killer (NK) cells prevents relapse following hematopoietic stem cell transplantation. We determined whether a novel bispecific killer cell engager (BiKE) signaling through CD16 and targeting CD33 could activate NK cells at high potency against acute myelogenous leukemia (AML) targets.We investigated the ability of our fully humanized CD16 × CD33 (CD16 × 33) BiKE to trigger in vitro NK cell activation against HL60 (CD33(+)), RAJI (CD33(-)), and primary AML targets (de novo and refractory) to determine whether treatment with CD16 × 33 BiKE in combination with an ADAM17 inhibitor could prevent CD16 shedding (a novel inhibitory mechanism induced by NK cell activation) and overcome inhibition of class I MHC recognizing inhibitory receptors.NK cell cytotoxicity and cytokine release were specifically triggered by the CD16 × 33 BiKE when cells were cultured with HL60 targets, CD33(+) de novo and refractory AML targets. Combination treatment with CD16 × 33 BiKE and ADAM17 inhibitor resulted in inhibition of CD16 shedding in NK cells, and enhanced NK cell activation. Treatment of NK cells from double umbilical cord blood transplant (UCBT) recipients with the CD16 × 33 BiKE resulted in activation, especially in those recipients with cytomegalovirus reactivation.CD16 × 33 BiKE can overcome self-inhibitory signals and effectively elicit NK cell effector activity against AML. These in vitro studies highlight the potential of CD16 × 33 BiKE ± ADAM17 inhibition to enhance NK cell activation and specificity against CD33(+) AML, which optimally could be applied in patients with relapsed AML or for adjuvant antileukemic therapy posttransplantation.

This article should not be cited. We are currently investigating alternative constitutional patient DNA from this patient. She was treated upfront by stem cell transplantation. The timing of remission sample collection with respect to the transplantation requires confirmation. It is plausible the remission sample sequenced includes transplanted cells. We apologise for the inconvenience.