A novel paradigm in tumor biology suggests that cancer growth is driven by stem-like cells within a tumor. Here, we describe the identification and characterization of such cells from colon carcinomas using the stem cell marker CD133 that accounts around 2% of the cells in human colon cancer. The CD133+ cells grow in vitro as undifferentiated tumor spheroids, and they are both necessary and sufficient to initiate tumor growth in immunodeficient mice. Xenografts resemble the original human tumor maintaining the rare subpopulation of tumorigenic CD133+ cells. Further analysis revealed that the CD133+ cells produce and utilize IL-4 to protect themselves from apoptosis. Consistently, treatment with IL-4Rα antagonist or anti-IL-4 neutralizing antibody strongly enhances the antitumor efficacy of standard chemotherapeutic drugs through selective sensitization of CD133+ cells. Our data suggest that colon tumor growth is dictated by stem-like cells that are treatment resistant due to the autocrine production of IL-4.

Colon carcinoma is one of the leading causes of death from cancer and is characterized by a heterogenic pool of cells with distinct differentiation patterns. Recently, it was reported that a population of undifferentiated cells from a primary tumor, so-called cancer stem cells (CSC), can reconstitute the original tumor on xenotransplantation. Here, we show that spheroid cultures of these colon CSCs contain expression of CD133, CD166, CD44, CD29, CD24, Lgr5, and nuclear β-catenin, which have all been suggested to mark the (cancer) stem cell population. More importantly, by using these spheroid cultures or freshly isolated tumor cells from multiple colon carcinomas, we now provide compelling evidence to indicate that the capacity to propagate a tumor with all differentiated progeny resides in a single CSC. Single-cell-cloned CSCs can form an adenocarcinoma on xenotransplantation but do not generate the stroma within these tumors. Moreover, they can self-renew and are capable of multilineage differentiation. Further analysis indicated that the lineage decision is dictated by phosphoinositide 3-kinase (PI3K) signaling in CSCs. These data support the hypothesis that tumor hierarchy can be traced back to a single CSC that contains multilineage differentiation capacity, and provides clues to the regulation of differentiation in colon cancers in vivo .

Limiting Tumor Initiation What is the competitive advantage of cells with frequently occurring mutations during tumor development? Vermeulen et al. (p. 995 ; see the Perspective by Bozic and Nowak ) quantified the advantages of Apc -loss, Kras activation, and P53 mutation during tumor initiation in the mouse intestine. The mutations conferred only a limited clonal advantage. Indeed, many mutated stem cells were stochastically replaced by wild-type stem cells, helping to limit tumor initiation.

Colon cancer stem cells (CSC) can be identified with AC133, an antibody that detects an epitope on CD133. However, recent evidence suggests that expression of CD133 is not restricted to CSCs, but is also expressed on differentiated tumor cells. Intriguingly, we observed that detection of the AC133 epitope on the cell surface decreased upon differentiation of CSC in a manner that correlated with loss of clonogenicity. However, this event did not coincide with a change in CD133 promoter activity, mRNA, splice variant, protein expression, or even cell surface expression of CD133. In contrast, we noted that with CSC differentiation, a change occured in CD133 glycosylation. Thus, AC133 may detect a glycosylated epitope, or differential glycosylation may cause CD133 to be retained inside the cell. We found that AC133 could effectively detect CD133 glycosylation mutants or bacterially expressed unglycosylated CD133. Moreover, cell surface biotinylation experiments revealed that differentially glycosylated CD133 could be detected on the membrane of differentiated tumor cells. Taken together, our results argue that CD133 is a cell surface molecule that is expressed on both CSC and differentiated tumor cells, but is probably differentially folded as a result of differential glycosylation to mask specific epitopes. In summary, we conclude that AC133 can be used to detect cancer stem cells, but that results from the use of this antibody should be interpreted with caution.