Immunity to Malaria: Insights on the Mechanisms Behind Effector Functions of Natural Killer Cells

Abstract

Malaria is a one of the major life-threatening infections worldwide causing thousands of deaths every year. Natural killer cells are thought to play a role in innate responses against Plasmodium falciparum although the means by which such responses occur are still not fully clear. In this thesis, the suitableness of the NK92 cell line as models for general NK cell activation by P. falciparum-infected red blood cells was analyzed to better understand the mechanisms behind NK sensing and responding to parasites. Aiming to cover the current lack of information regarding the impact of P. falciparum on NK cells in a transcriptional level, the gene expression profile of 3 healthy donors’ primary NK cells that were co-cultured with P. falciparum-iRBCs was examined and the expression pattern was compared to the same NK cells following stimulation with IL-12/IL-18. The results demonstrate that NK92 cells have an impact on parasitemia but are not evidently activated by iRBCs although showing transcriptional signs of priming and proliferation upon co-culture. Analysis of the stimulated primary NK cells showed a very similar pattern of gene regulation among all donors. Parasites modulated genes especially involved in the IFN-alpha/-beta arm of the “Interferon Signaling” and other essential molecules in antimicrobial response. IL12/IL18-treated NK cells showed a complete different gene signature: here IFN-gamma and TREM-1-related genes were over-expressed. These findings show that, although NK92 appear to influence parasite growth, the lack of clear signs of activation and response disqualifies such cells as models for the NK response to parasites. In addition, P. falciparum and IL12/IL18 appear to impose diverse imprints on the transcriptome of human primary NK cells. IFN-alpha-related genes were the prominent molecules induced by parasites and deserve to be further investigated as potential new tools in malaria control.

Malaria ist eine der wichtigsten lebensbedrohlichen Infektionen weltweit, die Tausende von Todesfällen pro Jahr verursacht. Natürliche Killerzellen spielen eine Rolle bei der angeborenen Immunantwort gegen Plasmodium falciparum. Allerdings sind die beteiligten Mechanismen immer noch nicht vollständig aufgeklärt. In dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit die NK92-Zelllinie als Modell zur allgemeinen Analyse der NK-Zell-Aktivierung durch P. falciparum-infizierte Erythrozyten geeignet ist, um ein besseres Verständnis der Mechanismen, die das Erkennen und die Reaktion auf Parasiten durch NK-Zellen bewirken. Mit dem Ziel ein tieferes Verständnis über die Auswirkungen von P. falciparum auf NK-Zellen auf transkriptioneller Ebene zu erlangen, wurden Genexpressionsprofile von primären NK-Zellen 3 gesunder Spender untersucht, die mit P. falciparum-iRBCs kokultiviert wurden, und mit den Expressionsmustern von IL-12/IL-18 stimulierten NK-Zellen verglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass NK92-Zellen einen Einfluss auf die Parasitämie haben, aber offensichtlich nicht von iRBCs aktiviert werden, obwohl auf transkriptioneller Ebene Anzeichen von Aktivierung und Proliferation nach der Kokultur mit iRBC sichtbar wurden. Die stimulierten primären NK-Zellen wiesen ein sehr ähnliches Genregulationsmuster bei allen Spendern auf. So konnte gezeigt werden, dass die Parasiten vor allem Gene modulieren, die durch IFN-alpha/-beta reguliert werden sowie weitere wichtige Moleküle, die an antimikrobiellen Reaktionen beteiligt sind. IL-12/IL-18-behandelte NK-Zellen hingegen zeigten eine ganz andere Gensignatur: hier wurden IFN-gamma- und TREM-1-gesteuerte Genen überexprimiert. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass, obwohl NK92 scheinbar das Parasitenwachstum beeinflussen, aufgrund der Abwesenheit von klaren Anzeichen einer Aktivierung, NK92 als Modellsystem zur Untersuchung der NK-Zellreaktion auf Parasiten ungeeignet sind. Darüber hinaus scheinen P. falciparum-iRBC und IL-12/IL-18 unterschiedliche Auswirkungen auf das Transkriptom von primären humanen NK-Zellen zu haben. IFN-alpha-gesteuerte Gene erwiesen sich als die von Parasiten primär induzierten Moleküle und sollten deswegen in der Zukunft weiter hinsichtlich ihres potenziellen Einsatzes in der Malariakontrolle untersucht werden.