大多数NK细胞为胞浆中含有许多嗜天青颗粒的大型淋巴细胞，也称大颗粒淋巴细胞（large granular lymphocytes ,LGL）。这些颗粒内含有溶解细胞的穿孔素（perforin）和具有丝氨酸蛋白酶活性的颗粒酶（granzymes）等。NK细胞表面主要有CD2（即E受体），CD16（低亲和力IgGFc受体）以及CD56等。CD16和CD56分子可视为NK细胞特异性标志，抗CD16和抗CD56可用来鉴定和分离NK细胞（巨噬细胞和粒细胞也表达CD16,但CD56仅见于NK细胞）。NK细胞表面也有IL-2受体链（β和γ链）和干扰素受体，IL-2和IFN-γ能活化NK细胞和增强其细胞毒活性。
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