Die Selektion klonal expandierender Zellen mit einzigartigen, somatisch rekombinierten Anti-gen-Rezeptoren und die Langlebigkeit der daraus hervorgehenden Gedächtniszellen sind definierende Eigenschaften adaptiver Immunität. Dahingegen ist das angeborene Immunsystem da-rauf programmiert, mittels einer breiten Palette konservierter Rezeptoren möglichst schnell auf Pathogene zu reagieren und wird dabei auf Populationsebene epigenetisch geprägt. In dieser Arbeit möchte ich dieses Paradigma auf der Basis von Natürlichem Killer (NK) Zell-Gedächtnis an das humane Zytomegalievirus (HCMV) als Beispiel für Pathogen-spezifische Anpassung innerhalb des angeborenen Immunsystems herausfordern. Indem wir multiparametrische Einzel-zellanalysen zur Kartierung von ex vivo NK Zellen mit endogenen Barcodes in Form von soma-tischen Mutationen in mitochondrialer DNA (mtDNA) verknüpfen, können wir drastische klonale Expansionen adaptiver NK Zellen in HCMV+ Spendern nachweisen. NK-Zell-Klonotypen waren durch eine ihnen gemeinsame, inflammatorische Gedächtnissignatur mit AP1 Motiven gekennzeichnet, die eine Reihe einzigartiger Chromatin-Regionen mit Klon-spezifischer Zugänglichkeit überlagerte. NK-Zell-Klone wurden über einen Zeitraum von bis zu 19 Monaten stabil aufrechterhalten und behielten dabei ihre charakteristischen, Klon-spezifischen epigenetischen Signaturen, was die entscheidende Rolle klonaler Vererbung von Chromatin-Zugänglichkeit für die Prägung des epigenetischen Gedächtnis-Repertoires unterstreicht. Insgesamt identifiziert diese Arbeit zum ersten Mal klonale Expansion und Persistenz innerhalb des angeborenen Immunsystems im Menschen und deutet daraufhin, dass diese zentralen Mechanismen zur Ausbildung von immunologischem Gedächtnis evolutionär unabhängig von diversifizierten Antigen-Rezeptoren entstanden sind. / A hallmark of adaptive immunity is the clonal selection and expansion of cells with somatically diversified receptors and their long-term maintenance as memory cells. The innate immune system, in contrast, is wired to rapidly respond to pathogens via a broad set of germline-encoded receptors, acquiring epigenetic imprinting at the population level. The presented work challenges this paradigm by studying Natural Killer (NK) cell memory to human Cytomegalovirus (HCMV) infection as an example of pathogen-specific adaptation within the innate immune system. Leveraging single-cell multi-omic maps of ex vivo NK cells and somatic mitochondrial DNA (mtDNA) mutations as endogenous barcodes, we reveal drastic clonal expansions of adaptive NK cells in HCMV+ individuals. NK cell clonotypes were characterized by a convergent inflammatory memory signature driven by AP1 transcription factor activity, superimposed on a private set of clone-specific accessible chromatin regions. Strikingly, NK cell clones were stably maintained in their specific epigenetic states for up to 19 months, revealing that clonal inheritance of chromatin accessibility shapes the epigenetic memory repertoire. Together, this work presents the first identification of clonal expansion and persistence within the human innate immune system, suggesting these central mechanisms of immune memory have evolved independently of antigen-receptor diversification.

Gedächtnis-B-Zellen und Plasmazellen sind essentielle Komponenten der protektiven Immunität. Die Mechanismen ihrer Induktion, ihres Überlebens und der Gedächtnis-B-Zellreaktivierung sind allerding bisher nur unvollständig verstanden. Um unser Wissen diesbezüglich zu erweitern, wurden in der vorliegenden Arbeit zum einen Charakteristika von Primär- und Sekundärimmunantworten nach Immunisierung mit Keyhole Limpet Hemocyanin (KLH) untersucht und zum anderen das Vorkommen sowie der Phänotyp humaner Gedächtnis-B-Zellen in verschiedenen lymphatischen Geweben analysiert. Die primäre parenterale KLH Immunisierung führte auf serologischer und zellulärer Ebene zu einer Reihe unerwarteter Ergebnisse, welche u. a. das Auftreten von IgA Antikörpern und die gleichzeitige Präsenz von hoch- und wenig mutierten primären Plasmablasten beinhalteten. Die Untersuchung der Gedächtnis-B-Zellverteilung in verschiedenen lymphatischen Geweben ergab den größten Gedächtnis-B-Zellpool in der Milz. Blut-, Tonsillen-, Knochenmarks- und Milz-Gedächtnis-B-Zellen wiesen nur wenige phänotypische Unterschiede auf. Einer davon war die CD69 Expression auf tonsillären ruhenden Gedächtnis-B-Zellen, was darauf hindeutet, dass tonsilläre Gedächtnis-B-Zellen tatsächlich sessil sein könnten. Die hier erhaltenen Ergebnisse stellen neue Erkenntnisse über bisher unbeschriebene Mechanismen bei parenteralen Immunantworten wie zum Beispiel die Induktion von IgA Antikörpern sowie die potentielle Rekrutierung kreuzreaktiver Gedächtnis-B-Zellen dar. Es bleibt zu klären, wie die Reaktivierung solcher Gedächtnis-B-Zellen reguliert ist. Derartiges Wissen wäre insbesondere für Therapien von Erkrankungen des Immunsystems, wie Autoimmunität, von Bedeutung. Das potentiell patrouillierende Verhalten der Gedächtnis-B-Zellen ist ein markanter Unterschied zu den nischenabhängigen sessilen Plasmazellen und deutet weitestgehend darauf hin, dass Gedächtnis-B-Zellen nicht auf derartige Nischen angewiesen sind. / Memory B cells (mBC) and antibodies are major mediators of protective immune responses yet the mechanisms of their induction, maintenance and mBC reactivation are poorly understood. Therefore, to enhance knowledge in this regard this study comprehensively characterized a human primary and secondary B cell immune response to Keyhole Limpet Hemocyanin (KLH). Secondly, mBC maintenance was investigated by a systematic analysis of mBC presence, frequency and phenotype within different lymphoid organs. Parenteral primary KLH immunization yielded unexpected results on the serological and B cellular level, including KLH-specific IgA antibody induction, the simultaneous presence of low and highly mutated circulating KLH-specific primary plasmablasts and only little clonal overlap between the primary, memory and secondary KLH-specific B cell repertoires. With respect to the organ distribution of human mBC, the spleen was identified as a major mBC reservoir. Splenic, tonsillar, bone marrow and blood mBC pools exhibited a largely comparable phenotype. Yet, we found tonsillar mBC to express CD69. Due to their resting state tonsillar mBC could therefore constitute a tissue resident cell population. The observations described allow insights into hitherto unknown potential mechanisms behind primary immune responses, i.e. prominent IgA induction by parenteral challenge and inclusion of cross-reactive mBC. The so far unclear regulatory players involved deserve future investigation, as such knowledge may be crucial for therapeutic interventions in immune system disorders. Furthermore, strikingly different to the resident plasma cells in the bone marrow, mBC appear to distribute between lymphoid organs and continuously recirculate in peripheral blood indicative of their potential permanent screening activities, suggesting that human mBC do not require one dedicated niche for their principle survival.

Das humorale Immungedächtnis wird von reifen Plasmazellen des Knochenmarks vermittelt, welche bei Immunreaktionen aus aktivierten B-Lymphozyten gebildet werden. Dabei sind im Blut Plasmablasten als unmittelbare Vorläufer der Plasmazellen nachweisbar, die von dort aus in das Knochenmark einwandern. Anhand der durchflusszytometrischen Detektion spezifischer Plasmablasten gelang es hier, das simultane Auftauchen von Wellen neu generierter, migratorischer Plasmablasten und reifer, nicht-migratorischer Plasmazellen im Blut eine Woche nach einer Tetanusimpfung nachzuweisen. Plasmablasten und Plasmazellen lagen stets im Gleichgewicht vor, wodurch auf die stöchiometrische Mobilisierung reifer Plasmazellen des Knochenmarks durch systemisch induzierte Plasmablasten geschlossen wurde. Ein solcher Verdrängungsmechanismus wird hier erstmalig als Anpassungsmechanismus des humoralen Immungedächtnisses dargestellt, der die Aufnahme neuer Spezifitäten in das Gedächtnis unter Wahrung der Stabilität präexistierender Spezifitäten erlaubt. Anders als systemisch induzierte Plasmablasten, weisen Plasmablasten, die im immunologischen Ruhephase zirkulieren, Kennzeichen mukosaler Immunreaktionen auf: sie exprimieren IgA sowie die mukosalen Zellmigrationsrezeptoren alpha4beta7-Integrin und CCR10. Wahrscheinlich wandern sie in mukosale Plasmazelldepots ein und interferieren nicht mit den Plasmazellen des Knochenmarks, sodass die Stabilität des humoralen Gedächtnisses in der Ruhephase gewahrt bleibt. Eine Anpassung des humoralen Gedächtnisses findet somit nur im Rahmen systemischer Immunreaktionen statt. Bei splenektomierten Patienten und unter der B-Zell-Depletionstherapie bei Rheumapatienten bleiben mukosale Plasmablasten im Blut nachweisbar. Dies belegt deren autonome Bildung aus mukosalen, therapie-refraktären B-Zellen. Insgesamt wird hier eine bisher unbeachtete Komplexität menschlicher peripherer Plasmablasten und Plasmazellen und ihren Beziehungen zum humoralen Immungedächtnis dargestellt. / Humoral memory, i.e. persistence of specific antibody titers, is provided by plasma cells in the bone marrow, which are generated from activated B cells during immune responses. At this, immediate plasma cell precursors, the plasmablasts, migrate via the blood to the bone marrow. Using cytometric detection of antigen-specific plasmablasts, synchronous circulation of waves of recently generated, migratory plasmablasts and non migratory plasma cells with a mature phenotype was demonstrated one week after tetanus vaccination. Circulating plasmablast and plasma cell numbers were always in homeostasis, so that the stoichiometric mobilization of old bone marrow plasma cells by recently generated plasmablasts was hypothesized. This plasma cell replacement mechanism is herein described for the first time as an adaption mechanism of the humoral memory that allows incorporation of new antibody specificities while maintaining pre-existing ones. In immunological steady state, very low numbers of plasmablasts are detectable in any donor. These express IgA and receptors for mucosal homing, alpha4beta7 integrin and CCR10, and therefore most likely migrate into mucosal plasma cell depots and do not interfere with plasma cells of the bone marrow, preserving the stability of humoral memory during steady state. Hence, adaption of humoral memory is only possible during systemic immune reactions. Circulating mucosal plasmablasts produced during steady state remain detectable in patients with rheumatoid arthritis during B cell depletion therapy as well as in asplenic patients. Hence, this type of plasmablasts is self-sufficiently generated from mucosal B cells that are refractory to B cell depletion therapy. This work demonstrates a hitherto disregarded complexity of peripheral plasmablast and plasma cell subsets in healthy humans, with implications for the regulation of induction and maintenance of humoral memory.