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Heterogeneity of human bone marrow plasma cells: transcriptional and in situ studies

Niedobitek, Antonia

Plasma cells are highly adapted to the demanding task of antibody production against an encountered antigen, thereby providing humoral immune memory. They are the only antibody secreting cells of the immune system, apart from their short-lived precursors, the plasmablasts, and are capable of persisting for long time periods. As major components of humoral immune memory, many of them are stored in the bone marrow where they are supported in microenvironments consisting of niche cells and accessory cells that supply important survival factors. While it is known that the durability of antibody titers differs greatly depending on the antigen, it is not yet understood by which mechanism humoral immune memory is regulated at the level of plasma cells. According to current knowledge, an array of intrinsic and extrinsic factors can influence the survival of plasma cells. It is becoming increasingly acknowledged that plasma cells are not uniform regarding their phenotype and biology. Current evidence indicates that plasma cells lacking the expression of the B cell surface antigen CD19 are enriched in the bone marrow and provide humoral immune memory by producing antibodies specific for childhood antigen. Therefore, it is speculated that CD19- plasma cells contain long-lived plasma cells. In addition, plasma cells lacking CD19 and CD45 expression in the small intestine were found to be of increased age compared to their CD19- and CD45-expressing counterparts. The phenotypic heterogeneity of plasma cells is therefore likely relevant for the variable durabilities of immune memory. The presence of plasma cells expressing the adhesion molecule CD56 in diseases such as some multiple myeloma lead to our interest in assessing whether this plasma cell phenotype is indeed restricted to malignant plasma cells or whether they may be found in healthy humans. The aim of this study was to delineate the phenotypic heterogeneity of plasma cells of the human bone marrow regarding CD19, CD45 and CD56 expression. We also aimed to assess whether these surface antigens distinguish transcriptionally diverse human bone marrow plasma cell populations with potentially different capacities of long-term survival based on intrinsic survival factors. In addition, we studied the spatial distribution of plasma cells in the human bone marrow in relation with the differential expression of CD19 and CD45. We have identified novel subpopulations of plasma cells with differential expression of CD19, CD45 and CD56 that are a part of the normal human bone marrow. Substantial proportions of human bone marrow plasma cells lacked the expression of CD45 or expressed CD56, and these phenotypes were enriched among CD19- bone marrow plasma cells. These subpopulations were transcriptionally diverse regarding adhesion properties, metabolism and intrinsic resilience. Importantly, CD19- bone marrow plasma cells were characterized by transcriptional features indicative of improved retention and intrinsic resilience, and within this group, the loss of CD45 expression and gain of CD56 expression identified plasma cells with features of increased maturity. In particular, CD56 expression appeared to mark a subpopulation that contains bone marrow plasma cells which may potentially derive from primary immune responses, possibly a long time ago, due to lower rates of mutation of their immunoglobulin genes. Our immunohistochemical study of plasma cells in the human bone marrow reveals a division of plasma cells according to their distribution in situ. A large fraction of plasma cells localized to perivascular sites in clusters. This perivascular localization of plasma cells appears to be restricted to non-sinusoidal blood vessels, therefore indicating that this is not a result of accumulation at the entry site for newly generated plasma cells into the bone marrow. Importantly, perivascular bone marrow plasma cells were enriched for CD45- cells, which, together with our transcriptional data, suggests that more mature, resilient BMPC may find a supportive environment in this specific site. In conclusion, this work suggests a hierarchy of maturation progressing from CD19+ CD45+ CD56- to CD19- CD45- CD56+ bone marrow plasma cells. Our data suggest that the loss of CD45 and gain of CD56 in bone marrow plasma cells is connected with the habitation of different, potentially more supportive bone marrow niches as well as advanced maturity. Future efforts to elucidate the contribution of these phenotypes to humoral immune memory will be required. This will contribute to a better understanding of the regulation of humoral immune memory, and, in practical terms, be of use for the development of highly efficient vaccination strategies as well as the targeted therapy of plasma cell disorders.
Plasmazellen sind auf die Produktion großer Mengen von Antikörpern spezialisiert, durch die das humorale Immungedächtnis gegen vergangene Antigene gewährleistet wird. Abgesehen von ihren kurzlebigen Vorläufern, den Plasmablasten, sind sie die einzigen Antikörper-sezernierende Zellen des Immunsystems, und können vermutlich über sehr lange Zeiträume überleben. Langlebige Plasmazellen werden großenteils im Knochenmark gespeichert, wo ihr Überleben in einem Mikromilieu bestehend aus sogenannten Nischenzellen und akzessorischen Zellen, die wichtige Überlebensfaktoren liefern, unterstützt wird. Außerdem sind einige intrinsische, für das Plasmazellüberleben wichtige Faktoren bekannt. Obwohl man bereits weiß, dass die Halbwertszeit von Antikörpertitern nach Infektion oder Impfung sehr unterschiedlich sein kann, ist noch unklar, durch welche regulatorischen Mechanismen die großen Unterschiede zustande kommen. Es wird zunehmend deutlich, dass Plasmazellen hinsichtlich ihres Phänotyps und ihrer Biologie nicht einheitlich sind. Gegenwärtig wird angenommen, dass Plasmazellen, die das B-Zell-Oberflächenantigen CD19 herunterreguliert haben, im Knochenmark angereichert sind, und dort durch die Produktion von Antikörpern, die zum Beispiel gegen eine Impfung während der Kindheit gerichtet sind, zum humoralen Immungedächtnis beitragen. Daher werden langlebige Plasmazellen innerhalb der Gruppe der CD19- Plasmazellen vermutet. Zudem hat man festgestellt, dass CD19- und CD45- Plasmazellen im Dünndarm langlebiger sind als CD19+ und CD45+ Plasmazellen. Daher ist die phänotypische Heterogenität von Plasmazellen relevant, um die Variabilität der Lebensdauer des Immungedächtnisses zu erklären. In diesem Zusammenhang wirft die Expression des Adhäsionsmoleküls CD56 auf malignen Plasmazellen, wie zum Beispiel den Zellen des Multiplen Myeloms, die Frage auf, ob CD56 auch in normalen, nicht-malignen Plasmazellen exprimiert wird. Zielsetzung dieser Arbeit ist die Beschreibung der phänotypischen Heterogenität von Plasmazellen des menschlichen Knochenmarks hinsichtlich der Expression von CD19, CD45 und CD56. Des Weiteren beabsichtigten wir die transkriptionelle Charakterisierung von Knochenmarksplasmazellen mit differentieller Expression dieser Moleküle in Hinblick auf möglicherweise unterschiedliche Überlebenskapazitäten. Außerdem analysieren wir die räumliche Verteilung von Plasmazellen im menschlichen Knochenmark in Verbindung mit der differentiellen Expression von CD19 und CD45. Wir beschreiben in dieser Arbeit bislang unbekannte Subpopulationen normaler Knochenmarksplasmazellen mit differenzieller Expression von CD19, CD45 und CD56. Merkmale dieser neuen Subpopulationen sind das Fehlen von CD45 und eine hinzukommende Expression von CD56, wobei diese Phänotypen interessanterweise innerhalb der CD19- Knochenmarksplasmazellen angereichert sind. Diese Subpopulationen unterscheiden sich auf transkriptioneller Ebene voneinander bezüglich der Expression von Adhäsionsmolekülen, sowie metabolischer Eigenschaften und intrinsischer Widerstandsfähigkeit. Insbesondere haben CD19- Knochenmarksplasmazellen mit differentieller Expression von CD45 und CD56 transkriptionelle Eigenschaften, die auf eine verstärkte Verankerung im Knochenmark und eine erhöhte intrinsische Beständigkeit hindeuten, wobei zusätzlich innerhalb dieser Population eine fehlende Expression von CD45 und eine hochregulierte Expression von CD56 mit transkriptionellen Merkmalen von zunehmender Reifung assoziiert sind. Interessanterweise deutet der Zusammenhang zwischen CD56-Positivität und niedrigen Mutationsraten in den Immunglobulingenen darauf hin, dass CD56+ Knochenmarksplasmazellen möglicherweise aus primären Immunreaktionen entstanden sind, die auf das Kindheitsalter zurück zuführen sein könnten. Aus immunhistochemischen Analysen ergibt sich, dass sich Knochenmarksplasmazellen nicht nur transkriptionell sondern auch hinsichtlich ihrer Verteilung im Knochenmark unterscheiden. Ein großer Anteil an Knochenmarksplasmazellen ist in perivaskulären Arealen angehäuft angesiedelt, während die übrigen vereinzelt im Knochenmark verteilt sind. Da es sich bei den Blutgefäßen, um die sich perivaskuläre Plasmazellen ansiedeln, um nicht-sinusoidale Gefäße handelt, ist davon auszugehen, dass diese Lokalisierung nicht auf kürzliche Immigration neu gebildeter Plasmazellen ins Knochenmark zurückzuführen ist. Zudem waren perivaskuläre Knochenmarksplasmazellen signifikant für CD45- Zellen angereichert, was zusätzlich zu den transkriptionellen Merkmalen darauf hindeutet, dass die perivaskuläre Lokalisierung insbesondere für besonders reife, widerstandsfähige Plasmazellen eine geeignete Umgebung bietet. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die identifizierten Phänotypen normaler Knochenmarksplasmazellen eine Hierarchie zunehmender Reife von CD19+ CD45+ CD56- zu CD19- CD45- CD56+ Knochenmarksplasmazellen beschreiben. Der Verlust von CD45 und die Hochregulierung von CD56 in Knochenmarksplasmazellen sind assoziiert mit der Bewohnung von Nischen mit unterschiedlichen Eigenschaften sowie zunehmender intrinsischer Überlebenskapazität. Um aufzuklären, in welchem Maße diese Phänotypen zum protektiven humoralen Immungedächtnis beitragen, werden weitere Untersuchungen erforderlich sein. Insgesamt liefern die Ergebnisse dieser Arbeit die Grundlage für ein besseres Verständnis der Regulierung des humoralen Immungedächtnisses, und können zukünftig zur Entwicklung hocheffizienter Impfstrategien sowie die gezielte Therapie von Plasmazellkrankheiten beitragen.