Antibody secreting cells (ASC) circulate after vaccination and migrate to the bone marrow (BM) where a subset known as long-lived plasma cells (LLPC) persist and secrete antibodies for a lifetime. The mechanisms of how circulating ASC become LLPC are not well elucidated. Here, we show that human blood ASCs have distinct morphology, transcriptomes, and epigenetics compared to BM LLPC. LLPC acquire transcriptional and epigenetic changes in the apoptosis pathway to support their survival. Upregulation of pro-survival gene expression accompanies downregulation of pro-apoptotic gene expression in LLPC. While pro-apoptotic gene loci are less accessible, pro-survival gene loci are not always accompanied by accessibility changes. Importantly, we show similar LLPC morphological and transcriptional maturation of blood ASC in response to the novel in vitro BM mimetic. In all, our study demonstrates that blood ASC in the BM microniche must undergo morphological and molecular changes to mature into apoptotic-resistant LLPC.

Abstract Following infection or vaccination, early-minted antibody secreting cells (ASC) or plasmablasts appear in circulation transiently, and a small fraction migrates to the spleen or bone marrow (BM) to mature into long-lived plasma cells (LLPC). While LLPC, by definition, are quiescent or non-dividing, the majority of blood ASC are thought to be “blasting” or proliferative. In this study, we find >95% nascent blood ASC in culture express Ki-67 but only 6-12% incorporate BrdU after 4h or 24h labeling. In contrast, <5% BM LLPC in culture are Ki-67 + with no BrdU uptake. Due to limitations of traditional flow cytometry, we utilized a novel optofluidic technology to evaluate cell division with simultaneous functional Ig secretion. We find 11% early-minted blood ASC undergo division, and none of the terminally differentiated BM LLPC (CD19 - CD38 hi CD138 + ) divide during the 7-21 days in culture. While BM LLPC undergo complete cell cycle arrest, the process of differentiation into an ASC of plasmablasts discourages entry into S phase. Since the majority of Ki-67 + nascent blood ASC have exited cell cycle and are no longer actively “blasting”, the term “plasmablast”, which traditionally refers to an ASC that still has the capacity to divide, may probably be a misnomer.

Abstract Human bone marrow (BM) plasma cells are heterogeneous, ranging from newly arrived antibody-secreting cells (ASC) to long-lived plasma cells (LLPC). We provide single cell transcriptional resolution of 17,347 BM ASC from 5 healthy adults. Fifteen clusters were identified ranging from newly minted ASC (cluster 1) expressing MKI67 and high MHC Class II that progressed to late clusters 5-8 through intermediate clusters 2-4. Additional clusters included early and late IgM-predominant ASC of likely extra-follicular origin; IFN-responsive; and high mitochondrial activity ASC. Late ASCs were distinguished by differences in G2M checkpoints, MTOR signaling, distinct metabolic pathways, CD38 expression, and utilization of TNF-receptor superfamily members. They mature through two distinct paths differentiated by the degree of TNF signaling through NFKB. This study provides the first single cell resolution atlas and molecular roadmap of LLPC maturation, thereby providing insight into differentiation trajectories and molecular regulation of these essential processes in the human BM microniche. This information enables investigation of the origin of protective and pathogenic antibodies in multiple diseases and development of new strategies targeted to the enhancement or depletion of the corresponding ASC. One Sentence Summary: The single cell transcriptomic atlas of human bone marrow plasma cell heterogeneity shows maturation of class-switched early and late subsets, specific IgM and Interferon-driven clusters, and unique heterogeneity of the late subsets which encompass the long-lived plasma cells.

We present a software for quantitative analysis of single molecule based super-resolution data. The software serves as an open-source platform integrating multiple algorithms for rigorous spatial and temporal characterizations of protein clusters in super-resolution data of living, or fixed cells.