NK細胞是不同於T、B淋巴細胞而具有直接殺靶細胞效應的一個特殊淋巴細胞係。NK細胞對靶細胞的殺傷作用表現為一種速發效應（immediate effect），無須預先致敏，與靶細胞混合後4小時內即發揮殺傷效應。NK細胞殺傷靶細胞的機製與CTL相似，主要也是由穿孔素介導。NK細胞殺傷效應的靶細胞包括腫瘤細胞、病毒或細菌感染的細胞以及機體某些正常細胞。因此，NK細胞具有抗腫瘤、抗感染、免疫調節等功能。此外，NK細胞亦參與移植排斥反應、自身免疫性疾病和超敏反應的發生。
（1）NK細胞的分化成熟：NK細胞來源於骨髓幹細胞，與T、B細胞有一共同前體細胞。現在認為，NK細胞存在胸腺和骨髓兩條分化途徑，詳細機製尚不清楚。成熟的NK細胞為CD16+、CD4－、CD8－，同時表達抑製性受體和激活性受體。
（2）NK細胞的表麵標誌抗原：人和小鼠、大鼠的NK細胞主要屬於細胞體積較大的淋巴細胞群體。NK細胞直徑為10～16μm，形態上具有異質性，是不均一的細胞群體。NK細胞的表麵標誌多與其他免疫細胞所共有，而很少為NK細胞所特有。目前常用於檢測人類NK細胞的表麵標誌有：①CD16（又稱Leu抗），是NK細胞表麵的一種低親和力IgG Fc受體（FcγRIII），分子量為50～60kDa。這種抗原亦存在於中性粒細胞和嗜堿性粒細胞表麵；②CD56（又稱Leu19或NKH-1抗原），分子量為135～220kDa，是一種糖蛋白，此抗原亦存在於T細胞表麵；③CD57（HNK-1、Leu7）、CD2（OKT-11、Keu-5）、CD8、P58、P70、P30。
1）殺傷細胞活化受體（KAR）：NKR-P1是人類NK細胞表麵的KAR，它們屬於C型凝集素家族成員，為Ⅱ型跨膜糖蛋白。其胞膜外C型凝集素區域含有糖類蛋白識別受體，它們與巨噬細胞表麵糖類識別受體類似，能廣泛識別並結合分布於自身組織細胞、病毒感染細胞和某些腫瘤細胞表麵的糖類配體。NKP-P1分子的胞漿區含有免疫受體酪氨酸活化基序（immunoreceptor tyrosine-based activation motif，ITAM），可介導活化信號的傳導。當NKP-P1與相應糖類配體結合後，可通過胞漿內ITAM激活信號途徑，使NK細胞活化並產生殺傷作用。NK細胞內ITAM激活信號途徑可被NK細胞表麵KIR所產生的抑製信號阻斷。
2）殺傷細胞抑製受體（KIR）：根據分子結構特征，可將人NK細胞的KIR分為兩類。一類屬免疫球蛋白超家族成員即p58和p70，為跨膜蛋白，其胞外區由2個或3個I抗原樣功能區組成，它們能夠識別表達於組織細胞表麵的MHC-I類分子。此類KIR胞漿內含有免疫受體酪氨酸抑製基序（ITIM），亦可介導產生抑製信號。另一類KIR為C型凝集素家族成員，稱為CD94/NKG2A複合體。該複合體中，CD94亦為膜蛋白，與C型凝集素同源，但其胞漿內缺乏信號傳通裝置；NKG2A為跨膜蛋白，胞膜外區含C型凝集素結構，胞漿內區含ITIM。CD94與NKG2A結合形成完整KIR，它們能夠識別宿主自身組織細胞表麵的MHC-I類分子（HLA-A、B、C、E），並可通過胞漿內ITIM介導，產生抑製信號，阻斷NK細胞活化，使之喪失殺傷活性。小鼠NK細胞的KIR為C型凝集素家族成員，稱為ly49。該受體分子為跨膜蛋白，其胞膜外區域能識別結合小鼠自身組織細胞表麵的MHC-I類分子（H-2Dd、H-2Dk），其胞漿區含有ITIM，可介導產生抑製信號。
3）兩種受體對NK細胞殺傷效應的調節：KAR和KIR如何相互作用、調節NK細胞殺傷作用，其確切機製還不十分清楚。目前有多種假說，其中廣為接受的一種假說認為NK細胞可同時表達活化和抑製受體。NK細胞表麵的KAR（NKR-P1）與自身組織細胞、病毒感染細胞和某些腫瘤細胞表麵相應糖類配體結合，通過ITIM信號轉導途徑產生殺傷作用；NK細胞表麵的KIR（P58、P70或CD94/NKG2A）與細胞表麵MHC-I類分子結合，可產生殺傷抑製信號，該信號在胞內起主導作用，能阻斷殺傷信號的傳遞。
正常情況下，機本自身組織細胞表麵可表達MHC-I類分子，或由於IF-γ、TNF-α和IL-2等細胞因子的刺激，誘導MHC-I類分子表達增加，從而使KIR介導的抑製作用占主導地位，表現為NK細胞失活，自身組織細胞不被破壞，病毒感染細胞和腫瘤細胞表麵MHC-I類分子表達減少、缺失，或由於MHC-I類分子的結構發生異常（如用病毒肽/腫瘤肽取代自身肽，形成病毒肽/腫瘤肽-MHC-I類分子複合體，表達於細胞表麵），影響NK細胞KIR對相應配體的識別，使NK細胞KAR的作用占主導地位，表現為NK細胞活化並顯示殺傷活性，從而導致病毒感染細胞和腫瘤細胞壞死或凋亡。
2.NK細胞的主要生物學功能
（1）抗感染和抗腫瘤作用：病毒感染後，首先刺激吞噬細胞等非特異免疫細胞產生IFN-α/β、TNF-α和IL-12等。這些細胞因子對控製病毒和胞內寄生菌感染具有重要作用。一般在病毒感染後2～3天，NK細胞即可通過趨化作用聚集到感染灶，在上述細胞因子作用下，誘導NK細胞活化，使病毒感染細胞溶解破壞；同時，NK細胞分泌IFN-γ和TNF-α等，通過幹擾病毒複製和進一步活化吞噬細胞，擴大和增強機體抗感染免疫能力。NK細胞的此種效應發生於特異性免疫應答之前，甚至發生於病毒複製之前，故在機體針對病毒和寄生蟲的抗感染免疫早期階段發揮重要作用。NK細胞的殺瘤譜較廣，可通過與瘤細胞的密切接觸，直接殺傷同係、同種及異種瘤細胞；也可通過ADCC效應，殺傷被特異性IgG包被的瘤細胞。NK細胞對靶細胞的殺傷效應與其釋放的下列介質有關：①穿孔素，可使靶細胞溶解破壞；②絲氨酸酯酶（顆粒酶），其單獨並不能誘導靶細胞凋亡，但當穿孔素在靶細胞上形成“孔洞”後，絲氨酸酯酶可進入靶細胞，通過激活內源性內切酶係統，使靶細胞DNA斷裂而導致細胞凋亡。
（2）免疫調節作用：NK細胞具有免疫調節作用，可抑製PWM誘導的B細胞的增生分化，對骨髓造血幹細胞也有一定抑製作用。此外，NK細胞還可釋放IFN-γ、TNF-β和GM-CSF等細胞因子，對機體免疫功能進行調節，增強機體早期抗感染免疫能力和免疫監視作用。