The impact of obesity-associated environment on differentiation, metabolism and function of natural killer cells

Tu, Jingke (2025): The impact of obesity-associated environment on differentiation, metabolism and function of natural killer cells. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Natural killer cells represent a distinct lymphocyte subset which are traditionally classified within the innate immune compartment. They play a central role in host defense, particularly in anti-tumor and anti-viral immunity. Obesity is a global epidemic, currently affecting over 600 million adults and 124 million children. It is well established that obese individuals exhibit chronic low-grade inflammation, which also affects the composition and function of NK cells. In earlier studies, we identified the expansion of a specific NK cell subpopulation that expresses the interleukin-6 receptor alpha (IL6Ra), in both obese humans and mouse models. This subpopulation is characterized by the expression of several myeloid-associated genes, such as the colony-stimulating factor 1 receptor (CSF1R). This obesity-associated NK cell population contributes to the development of insulin resistance and correlates with the extent of systemic low-grade inflammation. In the present study, we describe an in vitro model for generating murine, obesity-associated NK cells from hematopoietic progenitor cells, using additional fatty acid supplementation as well as adipocyte co-culture, both serving as obesity-mimicking microenvironment. Immunophenotypic analyses using flow cytometry show that NK cells generated from bone marrow under such obesity-mimicking conditions exhibit increased expression of IL6Ra and CSF1R, while displaying a specific expression pattern of key receptors and maturation markers of other myeloid genes. Functional analyses reveal reduced mitochondrial respiration and glycolytic capacity in adipocyte-induced NK cells, as well as a diminished cytotoxic capacity against the colorectal cancer cell line MC38. Single-cell RNA sequencing ultimately reveals transcriptomic changes in these NK cells, notably an upregulation of genes associated with myeloid cell differentiation, fatty acid uptake, and inflammatory signaling pathways. Additionally, potential regulatory differentiation pathways of these obesity-associated NK cells are depicted from the RNA sequencing data. In summary, this study highlights the phenotypic and functional impacts of the obese microenvironment on NK cells. It contributes to a better understanding of how NK cell immunity is reshaped by obesity and offers potential strategies to improve immune responses in obesity-associated cancers.

Abstract

Natürliche Killerzellen stellen eine bestimmte Untergruppe von Lymphozyten dar, die traditionell dem angeborenen Immunsystem zugeordnet werden. Sie spielen eine zentrale Rolle im Schutz des Wirts, insbesondere in der Anti-Tumor- und Anti-Virus-Immunität. Fettleibigkeit ist eine globale Epidemie, von der mittlerweile über 600 Millionen Erwachsene und 124 Millionen Kinder betroffen sind. Es ist gut etabliert, dass adipöse Individuen eine chronische niedriggradige Entzündung aufweisen, die auch die Zusammensetzung und Funktion der NK-Zellen beeinflusst. In früheren Studien identifizierten wir die Expansion einer spezifischen NK-Zell-Subpopulation, die den Interleukin-6-Rezeptor alpha (IL6Ra) exprimiert, sowohl in adipösen Menschen als auch in Mausmodellen. Diese Subpopulation ist durch die Expression mehrerer myeloid-assoziierter Gene, darunter der Koloniestimulierende Faktor 1 Rezeptor (CSF1R) charakterisiert. Die adipositasassoziierte NK-Zell-Population trägt zur Entwicklung einer Insulinresistenz bei und korreliert mit dem Ausmaß der systemischen niedriggradigen Entzündung. In der vorliegenden Studie beschreiben wir ein in-vitro-Modell zur Generierung muriner, adipositasassoziierter NK-Zellen aus hämatopoetischen Vorläuferzellen durch zusätzliche Fettsäuresupplementierung sowie durch Adipozyten-Kokultur – beides als adipositas-imitierendes Mikromilieu. Immunphänotypische Analysen mittels Durchflusszytometrie zeigen, dass aus Knochenmark gerenierte NK-Zellen unter solchen Adipositas-imitierenden Bedingungen eine verstärkte Expression von IL6Ra und CSF1R aufweisen, während sie ein spezifisches Expressionsmuster wichtiger Rezeptoren und Reifungsmarker weiterer myeloischer Gene zeigen. Funktionelle Analysen offenbaren eine reduzierte mitochondriale Atmung und Glykolysekapazität in Adipozyten-induzierten NK-Zellen sowie eine verminderte zytotoxische Kapazität gegenüber der Kolonkarzinom-Zelllinie MC38. Die Einzelzell-RNA-Sequenzierung zeigt letztendlich transkriptomische Veränderungen in diesen NK-Zellen, insbesondere eine Hochregulation von Genen, die mit einer Differenzierung myeloischer Zellen, der Fettsäureaufnahme und entzündlichen Signalwegen assoziiert sind. Darüber hinaus werden potenzielle regulatorische Differenzierungswege dieser adipositasassoziierten NK-Zellen aus den RNA-Sequenzierungsdaten abgeleitet. Zusammenfassend hebt diese Studie die phänotypischen und funktionellen Auswirkungen des adipösen Mikromilieus auf NK-Zellen hervor. Dies trägt zu einem besseren Verständnis der Umgestaltung der NK-Zell-Immunität durch Adipositas bei und liefert potenzielle Strategien zur Verbesserung der Immunantwort in adipositasassoziierten Krebserkrankungen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: NK cells, Obesity, Metabolism
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 2. Oktober 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Theurich, Sebastian