Primary and memory B cell responses to Qβ-VLP in mice

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2014
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Zabel, Franziska
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Primäre B Zell- und B Zell-Gedächtnisantworten auf Qβ-VLP in Mäusen
Forschungsvorhaben
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Publikationstyp
Dissertation
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Zusammenfassung

Extensive studies have been undertaken to describe naïve B cells differentiating into memory B cells at a cellular and molecular level. However, relatively little is known about the fate of memory B cells upon antigen re-encounter. We have previously established a system based on virus-like particles (VLPs) which allows to track VLP-specific B cells by flow cytometry as well as histology. Using allotype markers, it is possible to adoptively transfer memory B cells into a naïve mouse and track responses of naïve and memory B cells as well as antibody responses in the same mouse under physiological conditions.
In contrast to previous reports using proteins, we have observed that VLP-specific memory B cells did not efficiently proliferate but quickly differentiated into plasma cells upon cognate antigen challenge. This was paralleled by an early onset of a strong humoral IgG response. Also upon tracking of distinct memory B cell populations, neither IgM+ nor IgG+ memory B cells proliferated extensively or entered germinal centers. Remarkably, plasma cells derived from memory B cells preferentially homed to the bone marrow early and produced superior amounts of antibody compared to plasma cells generated during the primary B cell response. Indeed, secondary plasma cells produced about 5 times more antibody than the corresponding primary plasma cells residing in the bone marrow. Hence, viral like particles provided a sufficient strong stimulus to drive terminal differentiation of memory B cells into highly effective secondary plasma cells preferentially homing the bone marrow. From a physiological point of view this may be explained by the immediate need for protective IgG antibodies in the presence of systemic viral particles.
Interestingly, memory B cells failed to respond after multiple rounds of stimulation by cognate antigen, as the majority of Abs was only produced by memory derived secondary plasma cells after the first boost. In contrast, after second boost the humoral response was dominated by plasma cells derived from first-round memory B cells of the host. Under these conditions, the memory B cell pool was replaced by a new wave of memory B cells derived from primary B cells. Thus, memory B cells generated during a secondary response were largely derived from naïve B cells and may therefore harbor slightly different specificities than the concomitantly produced antibodies. As a consequence, the B cell response may remain dynamic and antigenic sub-specificities encountered during the primary response are not endlessly carried forward preventing adaptation of the B cell responses to newly emerging variants.


We further investigated the role of CD4+ T helper cells during memory B cell responses. Here, we observed a graded T helper cell dependence. Proliferation of class-switched memory B cell followed by rapid generation of plasma cells and early IgG responses were generally highly T cell dependent. In contrast, late plasma cell generation as well as late IgG responses were mostly T helper cell independent. From a physiological point of view, this may reflect the goal of the immune system to rid pathogens that are present for extended time periods even at the risk of raising T cell independent memory IgG responses.


All observations and conclusions made in this study may be representative for many VLPs and viral particles, as we assessed the majority of experiments with two different VLPs.


These insights are important for our general understanding of B cell responses and may be of value for improving vaccination regimens to optimize generation of long-lived plasma cells.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Es existieren unzählige Studien, welche die Differenzierung von naiven B-Zellen in B-Gedächtniszellen auf zellulärer wie molekularer Ebene beschreiben. Hierbei ist jedoch nur wenig über die Reaktionen der B-Gedächtniszellen bei Zweitkontakt mit ihrem Antigen bekannt. Wir haben ein System entwickelt, welches auf der Verwendung von Virus-ähnlichen Partikeln basiert und es uns ermöglicht, den Verlauf spezifischer B-Zell-Antworten mittels der Durchflusszytometrie und histologisch darzustellen und zu verfolgen. Unter Verwendung von Allotypen-Markern ist es möglich, spezifische B-Gedächtniszellen in eine naive Maus zu transferieren und nach Immunisierung die zellulären sowie humoralen Antworten von naiven B-Zellen und B-Gedächtniszellen in ein und derselben Maus unter physiologischen Bedingungen separat zu verfolgen.


Im Vergleich zu anderen Studien, welche klassische Protein-Antigene verwendeten, konnten wir beobachten, dass B-Gedächtniszellen nach erneutem Antigenkontakt nur wenig proliferierten und bevorzugt in Plasmazellen differenzierten. Dies zeigte sich in einer sehr frühen und starken IgG+ Antikörperantwort. Wir haben verschiedene B-Gedächtniszell-Populationen untersucht. Weder IgM+ noch IgG+ B-Gedächtniszellen teilten sich im hohen Masse, noch sind sie eine Keimzentrumsreaktion eingegangen. Erstaunlicherweise konnte zu einem frühen Zeitpunkt die Migration von Plasmazellen, welche sich aus B-Gedächtniszellen differenziert hatten, in das Knochenmark beobachtet werden. Diese sekundären Plasmazellen waren sehr potent, da sie fünfmal mehr Antikörper produzieren konnten als Plasmazellen, die während einer Primärantwort gebildet wurden. Die Virus-ähnlichen Partikel waren demzufolge fähig eine Ausdifferenzierung der B-Gedächtniszellen in hoch effektive sekundäre Plasmazellen zu induzieren, welche im Anschluss bevorzugt ins Knochenmark migrierten. Aus physiologischer Sicht ist bei systemischer VLP-Präsenz im Organismus eine schnell schützende humorale IgG+ -Antwort die Folge.


Interessanterweise konnten wir beobachten, dass transferierte B-Gedächtniszellen nicht im Stande waren, mehrere Male auf ihr korrespondierendes Antigen zu reagieren, da die Mehrheit der Antikörper nur von sekundären Plasmazellen nach erstem Antigenkontakt gebildet wurden. Nach zweitem Antigenkontakt stellten Plasmazellen, die von neu-generierten B-Gedächtniszellen des Empfängers während des ersten Antigenkontakts stammten, den grössten Anteil der Antikörperantwort. Unter diesen Bedingungen wurde der Pool an B-Gedächtniszellen nach jedem Antigenkontakt von neu aktivierten primären B-Zellen ersetzt. So entstanden während einer sekundären Reaktion die B-Gedächtniszellen mehrheitlich aus naiven B-Zellen, das zu geringen Unterschieden in den Spezifitäten neu produzierter im Vergleich zu bereits existenter Antikörper führte. Die Konsequenz ist, dass die B-Zellantwort nach Immunisierung offenbar dynamisch bleibt, da Antigen-Spezifitäten, die während der Primärantwort gebildet wurden, nicht ewig weitergeführt werden, was eine Anpassung der B-Zell-Antwort auf neu entstehende Varianten verhindern würde.


Des Weiteren haben wir die Rolle von CD4+ T-Helferzellen in B-Gedächtniszellantworten untersucht und konnten eine graduelle Abhängigkeit beobachten. In hohem Masse war die Zellteilung von Isotypen-gewechselten B-Gedächtniszellen verbunden mit einer frühzeitigen Differenzierung zu Plasmazellen und einer frühen IgG+ Antikörperproduktion von T Helferzellen abhängig. Hingegen waren die Generation von Plasmazellen zu einem späteren Zeitpunkt und die damit einhergehende späte IgG+ Antikörperantwort nur teilweise von T Helferzellen abhängig. Aus physiologischer Sicht könnten diese Beobachtungen das Ziel des Immunsystems wiederspiegeln, Pathogene, die über lange Zeit präsent sind, zu eliminieren, selbst auf die Gefahr hin eine T -Zell unabhängige IgG+ Gedächtnisantwort einzugehen.


Alle Beobachtungen und Schlussfolgerungen dieser Studie scheinen allgemein relevant für VLPs und viralen Partikeln, da die Mehrheit der Experimente mit zwei unterschiedlichen VLPs durchgeführt wurde.
Die gewonnenen Erkenntnisse sind für das allgemeine Verständnis der B-Zell-Antworten sehr wichtig und können für die Bildung von langlebigen Plasmazellen zur Optimierung von Impfungen und Impfregimes genutzt werden.

Fachgebiet (DDC)
570 Biowissenschaften, Biologie
Schlagwörter
B Zellen, B-Zell-Gedächtnisantworten, Immunolgy, immune responses, B cells, memory B cell responses
Konferenz
Rezension
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Zitieren
ISO 690ZABEL, Franziska, 2014. Primary and memory B cell responses to Qβ-VLP in mice [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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February 27, 2014
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