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大肠癌是我国常见的发病率呈明显上升趋势的恶性肿瘤之一,居肿瘤死因的第4位,目前的五年生存率徘徊在50-60%左右,浸润转移等恶性生物学行为是治疗失败的原因。迄今对大肠癌浸润转移和复发机制尚待深入,阐明大肠癌浸润转移和复发机制是开展有效治疗的基础,对提高大肠癌患者的生存期限和生活质量有重要意义。随着对干细胞和肿瘤生物学研究的深入,人们观察到肿瘤中有一小群具有自我更新和再生肿瘤的能力细胞,被称为肿瘤干细胞(Cancer stem cell).目前已经在多种肿瘤中发现肿瘤干细胞,包括乳腺癌,结直肠癌,前列腺癌,肺癌,脑胶质瘤和胰腺癌等,逐步形成了肿瘤干细胞假说。大肠癌恶性生物学行为如浸润、转移和复发等与肿瘤组织中的干细胞潜能密切相关。因而研究大肠癌干细胞生物学行为和异常信息通路组成是阐明大肠癌浸润转移机制进而靶向治疗的基础和新选择。目前尚无有关大肠癌组织干细胞生物学特征和转移潜能机制的研究报道。本研究通过建立转移性原代大肠癌细胞系,根据已知的干细胞表面标志CD133用免疫磁珠法分选得到CD133+细胞,比较CD133+细胞和CD133-细胞在体外的克隆形成能力和体内的成瘤能力,发现CD133+大肠癌细胞在软琼脂中的克隆形成能力明显高于CD133-细胞。同样,在无血清悬浮培养培养下,CD133+细胞形成的肿瘤细胞球的能力高于CD133-细胞。虽然在普通培养条件下,两群细胞生长曲线并无明显差别。进一步,CD133+细胞在NOD/SCID小鼠体内的皮下移植成瘤能力也明显高于CD133-细胞。这一系列结果证明其结肠癌CD133+亚群细胞中富集大肠癌干细胞,CD133可以作为一个富集大肠癌干细胞的可靠标志。我们进一步通过比较CD133+细胞和CD133-细胞的基因表达谱,运用生物信息学分析肿瘤干细胞中特异性表达的基因和分子信号通路,发现CD133+大肠癌细胞中321个基因表达明显上调,65个基因表达明显下调。信号通路分析PI3K/Akt, Notch, JAK/STAT, MAPK和TGF-β通路相关基因改变。PI3K/Akt和MAPK信号通路在人类肿瘤谱中广泛失调,对细胞增殖、分化和凋亡的调节起重要作用,其组分活化与肿瘤发生和肿瘤侵袭转移有密切关系。我们检测了PI3K/Akt和MAPK信号通路中的主要激酶的活性,包括Erkl/2、p38、JNK、GSK-3β和Akt,发现Erk1/2和Akt在CD133+细胞中被激活,p38、JNK和GSK-3p的活性在两群细胞间没有明显差异,推测Erk1/2和Akt的激活可能对CD133+细胞的成瘤性有重要作用。因此我们用Akt抑制剂Ⅱ、Akt抑制剂Ⅳ和MAPK抑制剂U0126抑制Akt和Erk1/2的激活,发现CD133+细胞在软琼脂中的克隆形成能力明显下降。经过抑制剂处理的CD133+细胞在NOD/SCID小鼠体内成瘤能力也有下降。同时,我们用AktshRNA和Erk shRNA干扰大肠癌细胞中的Akt和Erk的表达,CD133+细胞的克隆形成能力同样下降。因此,CD133+大肠癌细胞的克隆形成能力很可能与Akt和Erk的激活有关。此外,我们发现Akt沉默的CD133+细胞在transwell中的迁移能力下降,说明Akt还可能促进了CD133+细胞的浸润转移。本研究表明,CD133是富集大肠癌干细胞的有效标志,CD133+细胞中PI3K/Akt和MAPK通路明显激活,抑制Akt和Erk的活性,CD133+细胞在体外的克隆形成能力和体内的成瘤能力均受到抑制,Akt和Erk的激活可能对CD133+的致瘤有重要作用。PI3K/Akt和MAPK通路可能存在针对CD133+大肠癌干细胞的潜在治疗靶点。