Abstract

 The role of BAFF in B cell self tolerance was examined by tracking the fate of anti-HEL self-reactive B cells in BAFF transgenic mice using four different models of self-reactive B cell deletion. BAFF overexpression did not affect the development of self-reactive B cells normally deleted in the bone marrow or during the early stages of peripheral development. By contrast, self-reactive B cells normally deleted around the late T2 stage of peripheral development were rescued from deletion, matured, and colonized the splenic follicle. Furthermore, self-reactive B cells normally selectively deleted from the marginal zone repopulated this compartment when excess BAFF was present. Self-reactive B cells rescued by excess BAFF were not anergic. BAFF overexpression therefore rescued only self-reactive B cells normally deleted with relatively low stringency and facilitated their migration into otherwise forbidden microenvironments. This partial subversion of B cell self tolerance is likely to underlie the autoimmunity associated with BAFF overexpression.

The mechanism of B cell–antigen encounter in lymphoid tissues is incompletely understood. It is also unclear how immune complexes are transported to follicular dendritic cells. Here, using real-time two-photon microscopy we noted rapid delivery of immune complexes through the lymph to macrophages in the lymph node subcapsular sinus. B cells captured immune complexes by a complement receptor–dependent mechanism from macrophage processes that penetrated the follicle and transported the complexes to follicular dendritic cells. Furthermore, cognate B cells captured antigen-containing immune complexes from macrophage processes and migrated to the T zone. Our findings identify macrophages lining the subcapsular sinus as an important site of B cell encounter with immune complexes and show that intrafollicular B cell migration facilitates the transport of immune complexes as well as encounters with cognate antigen.

B cells responding to T-dependent antigen either differentiate rapidly into extrafollicular plasma cells or enter germinal centers and undergo somatic hypermutation and affinity maturation. However, the physiological cues that direct B cell differentiation down one pathway versus the other are unknown. Here we show that the strength of the initial interaction between B cell receptor (BCR) and antigen is a primary determinant of this decision. B cells expressing a defined BCR specificity for hen egg lysozyme (HEL) were challenged with sheep red blood cell conjugates of a series of recombinant mutant HEL proteins engineered to bind this BCR over a 10,000-fold affinity range. Decreasing either initial BCR affinity or antigen density was found to selectively remove the extrafollicular plasma cell response but leave the germinal center response intact. Moreover, analysis of competing B cells revealed that high affinity specificities are more prevalent in the extrafollicular plasma cell versus the germinal center B cell response. Thus, the effectiveness of early T-dependent antibody responses is optimized by preferentially steering B cells reactive against either high affinity or abundant epitopes toward extrafollicular plasma cell differentiation. Conversely, responding clones with weaker antigen reactivity are primarily directed to germinal centers where they undergo affinity maturation.

Subcapsular sinus (SCS) macrophages capture antigens from lymph and present them intact for B cell encounter and follicular delivery. However, the properties of SCS macrophages are poorly defined. Here we show SCS macrophage development depended on lymphotoxin-alpha1beta2, and the cells had low lysosomal enzyme expression and retained opsonized antigens on their surface. Intravital imaging revealed immune complexes moving along macrophage processes into the follicle. Moreover, noncognate B cells relayed antigen opsonized by newly produced antibodies from the subcapsular region to the germinal center, and affinity maturation was impaired when this transport process was disrupted. Thus, we characterize SCS macrophages as specialized antigen-presenting cells functioning at the apex of an antigen transport chain that promotes humoral immunity.

A hallmark of T cell–dependent immune responses is the progressive increase in the ability of serum antibodies to bind antigen and provide immune protection. Affinity maturation of the antibody response is thought to be connected with the preferential survival of germinal centre (GC) B cells that have acquired increased affinity for antigen via somatic hypermutation of their immunoglobulin genes. However, the mechanisms that drive affinity maturation remain obscure because of the difficulty in tracking the affinity-based selection of GC B cells and their differentiation into plasma cells. We describe a powerful new model that allows these processes to be followed as they occur in vivo. In contrast to evidence from in vitro systems, responding GC B cells do not undergo plasma cell differentiation stochastically. Rather, only GC B cells that have acquired high affinity for the immunizing antigen form plasma cells. Affinity maturation is therefore driven by a tightly controlled mechanism that ensures only antibodies with the greatest possibility of neutralizing foreign antigen are produced. Because the body can sustain only limited numbers of plasma cells, this “quality control” over plasma cell differentiation is likely critical for establishing effective humoral immunity.

Abstract Multiple myeloma is largely incurable, despite development of therapies that target myeloma cell-intrinsic pathways. Disease relapse is thought to originate from dormant myeloma cells, localized in specialized niches, which resist therapy and repopulate the tumour. However, little is known about the niche, and how it exerts cell-extrinsic control over myeloma cell dormancy and reactivation. In this study, we track individual myeloma cells by intravital imaging as they colonize the endosteal niche, enter a dormant state and subsequently become activated to form colonies. We demonstrate that dormancy is a reversible state that is switched ‘on’ by engagement with bone-lining cells or osteoblasts, and switched ‘off’ by osteoclasts remodelling the endosteal niche. Dormant myeloma cells are resistant to chemotherapy that targets dividing cells. The demonstration that the endosteal niche is pivotal in controlling myeloma cell dormancy highlights the potential for targeting cell-extrinsic mechanisms to overcome cell-intrinsic drug resistance and prevent disease relapse.

Osteoclasts are large multinucleated bone-resorbing cells formed by the fusion of monocyte/macrophage-derived precursors that are thought to undergo apoptosis once resorption is complete. Here, by intravital imaging, we reveal that RANKL-stimulated osteoclasts have an alternative cell fate in which they fission into daughter cells called osteomorphs. Inhibiting RANKL blocked this cellular recycling and resulted in osteomorph accumulation. Single-cell RNA sequencing showed that osteomorphs are transcriptionally distinct from osteoclasts and macrophages and express a number of non-canonical osteoclast genes that are associated with structural and functional bone phenotypes when deleted in mice. Furthermore, genetic variation in human orthologs of osteomorph genes causes monogenic skeletal disorders and associates with bone mineral density, a polygenetic skeletal trait. Thus, osteoclasts recycle via osteomorphs, a cell type involved in the regulation of bone resorption that may be targeted for the treatment of skeletal diseases.

The prominent display of opsonized antigen by follicular dendritic cells (FDCs) has long favored the view that they serve as antigen-presenting cells for B cells. Surprisingly, however, although B cell capture of antigen from macrophages and dendritic cells has been visualized, acquisition from FDCs has not been directly observed. Using two-photon microscopy, we visualized B cell capture of cognate antigen from FDCs. B cell CXCR5 expression was required, and encounter with FDC-associated antigen could be detected for >1 wk after immunization. B cell–FDC contact times were often brief but occasionally persisted for >30 min, and B cells sometimes acquired antigen together with FDC surface proteins. These observations establish that FDCs can serve as sites of B cell antigen capture, with their prolonged display time ensuring that even rare B cells have the chance of antigen encounter, and they suggest possible information transfer from antigen-presenting cell to B cell.

Abstract High-throughput single-cell RNA sequencing is a powerful technique but only generates short reads from one end of a cDNA template, limiting the reconstruction of highly diverse sequences such as antigen receptors. To overcome this limitation, we combined targeted capture and long-read sequencing of T-cell-receptor (TCR) and B-cell-receptor (BCR) mRNA transcripts with short-read transcriptome profiling of barcoded single-cell libraries generated by droplet-based partitioning. We show that Repertoire and Gene Expression by Sequencing (RAGE-Seq) can generate accurate full-length antigen receptor sequences at nucleotide resolution, infer B-cell clonal evolution and identify alternatively spliced BCR transcripts. We apply RAGE-Seq to 7138 cells sampled from the primary tumor and draining lymph node of a breast cancer patient to track transcriptome profiles of expanded lymphocyte clones across tissues. Our results demonstrate that RAGE-Seq is a powerful method for tracking the clonal evolution from large numbers of lymphocytes applicable to the study of immunity, autoimmunity and cancer.

Fine-tuned manipulation of tumor tension and vasculature enhances response to chemotherapy and impairs metastatic spread in pancreatic cancer.