Bone marrow plasma cells (BMPC) are terminally differentiated, non-dividing effector cells of the B cell lineage, dedicated to secrete specific antibodies essential for an effective immune response. Survival of plasma cells depends on various factors, including soluble mediators, intrinsic and extrinsic signals, and adhesion to surrounding cells enabling their maintenance within the bone marrow microenvironment. In prior studies, we and others have described a population of BMPC lacking CD19 that express a pro-survival and distinctly mature phenotype. In order to further address the heterogeneity of human BMPC subsets, we analyzed the interrelation of CD19 and CD56 expression using both flow cytometry and single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) in human BMPC and included SARS-CoV-2 (receptor binding domain/RBD) and tetanus toxoid (TT) specific BMPC for comparison. In this thesis, we show for the first time that basic mRNA vaccination against SARS-CoV 2 elicits a phenotypically diverse population of RBD-specific BMPC. Our findings indicate that the frequency of RBD- and TT-specific BMPC is comparable. Specifically, both RBD- and TT-specific BMPC predominantly expressed IgG, while RBD-specific BMPC showed elevated levels of IgA in comparison to TT-specific BMPC. RBD-specific BMPC comprise 34.0% of PCs lacking CD19, compared to 59.0% in TT-specific BMPC among individuals who received SARS-CoV-2 vaccination 6 months prior to the analysis. Moreover, we found that CD56+ BMPC were characteristically enriched within TT-specific BMPC and almost absent among RBD-specific BMPC. IgA was more frequent in the CD56- compartment compared to CD56+ BMPC. Furthermore, we evaluated for the first time the co-expression of CD56 together with CD19 by antigen-specific and total BMPC. This phenotypic analysis by both multiparametric flow cytometry and scRNA-seq demonstrated a unique expression of CD19 and CD56 on these antigen-specific BMPC. The scRNA-seq studies provided evidence that NCAM1+ is predominantly expressed by CD19low BMPC. Particularly, the NCAM1+ BMPC subset lacking CD19 expression exhibits phenotypes that may be associated with PC population stability, increased survival potential and longevity. The study provides evidence for distinct phenotypic characteristics (in particular CD56/NCAM1 expression and CD19 co-expression), molecular mRNA expression (including cell-cell adhesion, endopeptidase activity etc.), and functional attributes (IgG, IgA, IgG-IgA-) by RBD-specific versus TT-specific BMPC. Thus, these BMPC subsets manifest significant differences across these domains but clearly indicate that BMPC heterogeneity likely is a signature of the initiating antigen together with characteristics of the prior immune response, both defining particular lifestyles of BMPC specificities.
Plasmazellen im Knochenmark (BMPC) sind terminal differenzierte, sich nicht teilende Effektorzellen der B-Zell-Linie, die darauf spezialisiert sind, Antikörper zu sezernieren, die für eine effektive Immunantwort unerlässlich sind. Das Überleben von Plasmazellen hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter sind lösliche Mediatoren, intrinsische und extrinsische Signale sowie die Adhäsion an umgebende Zellen, die das Überleben innerhalb des Knochenmark-Mikromilieus ermöglichen. Wir und andere haben eine Population von BMPC beschrieben, denen CD19 fehlt und die einen überlebensfördernden und deutlich reiferen Phänotyp exprimieren. Um die Heterogenität der humanen BMPC-Subsets weiter zu untersuchen, analysierten wir die CD19- und CD56-Expression sowohl mit Durchflusszytometrie als auch mit Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA-seq) in humanen BMPC und schlossen eine Analyse SARS-CoV-2 (RBD) und TT-spezifische BMPC zum Vergleich ein. In dieser Arbeit zeigen wir erstmals, dass eine mRNA-Impfung gegen SARS-CoV-2 eine phänotypisch diverse Population von RBD-spezifischen BMPC induziert. Unsere Ergebnisse deuteten darauf hin, dass die Häufigkeit von RBD- und TT-spezifischen BMPC vergleichbar war. Sowohl RBD- als auch TT-spezifische BMPC sezernieren hauptsächlich IgG, obwohl RBD-spezifische BMPC im Vergleich zu TT-spezifischen BMPC eine erhöhte Expression von IgA aufwiesen. RBD-spezifische BMPC machten 34,0% der CD19-negativen PCs aus, verglichen mit 59,0% bei TT-spezifischen BMPC in Personen, die innerhalb von 6 Monaten vor der Analyse die SARS-CoV-2-Impfung erhalten hatten. Darüber hinaus stellten wir fest, dass CD56+ BMPC charakteristisch für TT-spezifischen BMPC angereichert waren, wobei dieser Phänotyp bei RBD-spezifischen BMPC nahezu abwesend war. IgA war häufiger im CD56- Kompartment exprimiert als in CD56+ BMPC. Darüber hinaus analysierten wir erstmals die Koexpression von CD56 und CD19 auf antigen-spezifischen und Gesamt-BMPC. Diese phänotypische Analyse sowohl mittels multiparametrischer Durchflusszytometrie als auch scRNA-seq zeigte eine einzigartige Expression von CD19 und CD56 bezgl. der antigen-spezifischen BMPC. Die scRNA-seq-Studien lieferten Hinweise darauf, dass NCAM1+ hauptsächlich von CD19- BMPC exprimiert wird. Insbesondere zeigt die NCAM1+ BMPC-Subpopulation ohne CD19-Expression einen Phänotyp, der mit der Stabilität der PC-Population, erhöhten Überlebenspotenzial und Langlebigkeit assoziiert ist. Die Studie liefert Hinweise auf unterschiedliche phänotypische Merkmale (insbesondere CD56/NCAM1-Expression und CD19-Koexpression), molekulare mRNA-Expression (einschließlich Zell-Zell-Adhäsion, Endopeptidase-Aktivität usw.) und funktionelle Eigenschaften (IgG, IgA, IgG-IgA-) von RBD- versus TT-spezifischen BMPC. Die daten legen nahe, dass die BMPC-Subpopulationen deutliche Unterschiede bezgl. der Marker CD19 und CD56 aufweisen, wobei die Heterogenität der BMPC eine Signatur des initiierenden Antigens bzw. der vorausgegangenen Immunantwort ist.
