Soutenance de thèse de REBUFFET Lucas
Titre de thèse
Caractérisation multi-omique des cellules NK humaines à la résolution de la cellule unique dans un contexte sain et tumoral
Multi-omics characterization of human NK cells at single cell resolution in healthy and tumor context
Résumé de la thèse
Les cellules Natural Killer (NK) sont des effecteurs essentiels de la surveillance immunitaire, mais leur diversité et leurs implications en contexte sain et pathologique restent incomplètement comprises. Ici, nous définissons une classification simple et robuste des cellules NK humaines en trois populations principales (NK1, NK2, NK3) et six sous-populations dans le sang sain. Le profil transcriptionnel de ces sous-populations permet de prédire des caractéristiques distinctes dans l'utilisation des facteurs de
transcription, la réactivité aux cytokines, le potentiel cytotoxique, l'état métabolique et l'origine développementale supposée, suggérant une divergence ontologique entre les cellules NK1 et NK2 qui corrobore les résultats obtenus dans les modèles murins. Ces populations sont conservées dans les tissus sains et persistent dans les microenvironnements tumoraux, où leur abondance relative varie de manière significative dans 22 types de cancer différents.
L'intégration des données sur l'ARN et l'accessibilité à la chromatine à l'échelle de la cellule unique (scRNA-seq et scATAC-seq) nous a permis d'inférer les principaux réseaux de régulation génique (GRN) qui orchestrent les états des cellules NK dans le cancer du poumon non à petites cellules (NSCLC). Nous avons ainsi identifié un sous-ensemble NK hypofonctionnel partageant des caractéristiques avec les cellules T CD8⁺ réactives à la tumeur, caractérisé par l'expression de CD39, l'activité des régulons inflammatoires, et des marqueurs de résidence et de dysfonctionnement tissulaires. Sur le plan fonctionnel, les cellules NK CD39⁺ font preuve d'une cytotoxicité et d'une prolifération accrues lors de
la restimulation et émergent préférentiellement après une immunothérapie anti-NKG2A, ce qui les positionne comme des cibles prometteuses pour une intervention thérapeutique.
Sur la base de ces connaissances, nous avons évalué les stratégies thérapeutiques basées sur les cellules NK en tirant parti de leurs capacités uniques de détection du stress, de leur profil de sécurité favorable, de leur synergie avec les cellules T et de leur puissante activité anti-métastatique. Trois modalités thérapeutiques clés émergent : le blocage des points de contrôle immunitaires, les activateurs de cellules NK et les thérapies adoptives à base de cellules NK. Le profilage unicellulaire de cellules NK traitées avec un ANKET4, un engageur de cellules NK tétra-spécifique (CD20-NKCE-IL2v), révèle une réponse NK biphasique marquée par une activation initiale par une réponse interferon (IFN) suivie d'une prolifération soutenue et de l'induction de cellules NK de type mémoire induite par les cytokines (CIML). L'ANKET4 reprogramme donc la fonction et le phénotype des cellules NK, ce qui constitue un outil thérapeutique puissant pour renforcer l'immunité médiée par les cellules NK contre le cancer.
Thesis resume
Natural Killer (NK) cells are critical effectors of immune surveillance, yet their diversity and
function in health and disease remain incompletely understood. Here, we delineate a simple and robust classification of human NK cells into three major populations (NK1, NK2, NK3) and six sub-populations in healthy blood. Transcriptional profiling of these subsets allows the prediction of distinct features in transcription factor usage, cytokine responsiveness, cytotoxic potential, metabolic state, and putative developmental origin, suggesting an ontological divergence between NK1 and NK2 cells that parallels findings in murine models. These populations are conserved across healthy tissues and persist within tumor microenvironments, where their relative abundances vary significantly across 22 different cancer types.
Integration of single-cell RNA and chromatin accessibility data (scRNA-seq and scATAC-seq) further uncovers key gene regulatory networks (GRNs) orchestrating NK cell states within non-small cell lung cancer (NSCLC). We identify a hypofunctional NK subset sharing features with tumor-reactive CD8⁺ T cells, characterized by expression of CD39, inflammatory regulon activity, and tissue residency and dysfunction markers. Functionally, CD39⁺ NK cells demonstrate heightened cytotoxicity and proliferation upon restimulation and preferentially expand following anti-NKG2A immunotherapy, positioning them as promising targets for therapeutic intervention.
Building on these insights, we evaluate NK cell-based therapeutic strategies leveraging their unique stress-sensing capabilities, favorable safety profile, synergy with T cells, and potent anti-metastatic activity. Three key therapeutic modalities emerge: immune checkpoint blockade, NK cell engagers, and adoptive NK cell therapies. Single-cell profiling of NK cells treated with ANKET4, a tetra-specific NK cell engager (CD20-NKCE-IL2v), reveals a biphasic NK response marked by an initial interferon-driven activation followed by sustained proliferation and the induction of cytokine-induced memory-like (CIML) NK cells. ANKET4 thus reprograms NK cell function and phenotype, providing a potent tool for enhancing NK cell-mediated immunity against cancer.