The in vivo requirements for human natural killer (NK) cell development and differentiation into cytotoxic effectors expressing inhibitory receptors for self–major histocompatability complex class I (MHC-I; killer Ig-like receptors [KIRs]) remain undefined. Here, we dissect the role of interleukin (IL)-15 in human NK cell development using Rag2−/−γc−/− mice transplanted with human hematopoietic stem cells. Human NK cell reconstitution was intrinsically low in this model because of the poor reactivity to mouse IL-15. Although exogenous human IL-15 (hIL-15) alone made little improvement, IL-15 coupled to IL-15 receptor α (IL-15Rα) significantly augmented human NK cells. IL-15–IL-15Rα complexes induced extensive NK cell proliferation and differentiation, resulting in accumulation of CD16+KIR+ NK cells, which was not uniquely dependent on enhanced survival or preferential responsiveness of this subset to IL-15. Human NK cell differentiation in vivo required hIL-15 and progressed in a linear fashion from CD56hiCD16−KIR− to CD56loCD16+KIR−, and finally to CD56loCD16+KIR+. These data provide the first evidence that IL-15 trans-presentation regulates human NK cell homeostasis. Use of hIL-15 receptor agonists generates a robust humanized immune system model to study human NK cells in vivo. IL-15 receptor agonists may provide therapeutic tools to improve NK cell reconstitution after bone marrow transplants, enhance graft versus leukemia effects, and increase the pool of IL-15–responsive cells during immunotherapy strategies.

Natural killer (NK) cells are innate immune effectors that mediate rapid responses to viral antigens. Interleukin (IL)-15 and its high affinity IL-15 receptor, IL-15Ralpha, support NK cell homeostasis in resting animals via a novel trans presentation mechanism. To better understand how IL-15 and IL-15Ralpha support NK cell activation during immune responses, we have used sensitive assays for detecting native IL-15 and IL-15Ralpha proteins and developed an assay for detecting complexes of these proteins. We find that IL-15 and IL-15Ralpha are preassembled in complexes within the endoplasmic reticulum/Golgi of stimulated dendritic cells (DCs) before being released from cells. IL-15Ralpha is required for IL-15 production by DCs, and IL-15 that emerges onto the cell surface of matured DCs does not bind to neighboring cells expressing IL-15Ralpha. We also find that soluble IL-15-IL-15Ralpha complexes are induced during inflammation, but membrane-bound IL-15-IL-15Ralpha complexes, rather than soluble complexes, support NK cell activation in vitro and in vivo. Finally, we provide in vivo evidence that expression of IL-15Ralpha specifically on DCs is critical for trans presenting IL-15 and activating NK cells. These studies define an unprecedented cytokine-receptor biosynthetic pathway in which IL-15Ralpha serves as a chaperone for IL-15, after which membrane-bound IL-15Ralpha-IL-15 complexes activate NK cells via direct cell-cell contact.