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人们不断地观察、描述和研究肿瘤表型改变和生物学行为的同时，也一直在探索肿瘤发生的内在机制，即分子基础。但由于人们对遗传物质本质的认识过程十分曲折和缓慢，因而肿瘤的遗传学特性的真谛迟至20世纪70年代才初见端倪。癌基因的研究，尤其是人类癌基因（oncogene）的发现和研究，极大地推动了人们对肿瘤的认识进程，无怪乎有些美国学者认为，发现人类癌基因之后10年，人们对肿瘤的认识较之前100年的研究总和还要丰富、还要深刻。
19世纪初孟德尔遗传定律的重新发现，20世纪40年代DNA的发现，1953年DNA双螺旋结构的提出和确立，以及60年代遗传密码的确定和限制性内切酶等重大发现，不仅促使了分子生物学这一新兴学科的诞生，而且奠定了分子生物学在整个生命科学中的极其重要地位。有助于人们对各种生物的遗传物质和遗传特性的深入了解和研究，但是，人们对肿瘤遗传学特性的认识却始于癌基因的研究。
最初，人们对肿瘤的认识和其他人类疾病一样，都认为是由外源性致病因子（如病毒、射线、致癌剂等）导致的。1911年，Rous证明一种禽类病毒能使鸡产生肉瘤，这就是著名的Rous肉瘤病毒（Rous sarcoma virus）。随后的60年间，人们对生物（病毒）、物理（射线）、化学（致癌剂）因素的致癌现象进行了广泛的研究。1969年，美国学者Todaro等首次使用oncogene，用以描述病毒基因组的某一部分DNA序列与细胞恶性转化有关。虽然癌基因这一名称沿用至今，但是名称所涵盖的内容却有了根本的改变。
1975年，Bishop和Varmus等人从Rous病毒基因组中克隆到第一个癌基因：v-Src。不久，他们又发现Src基因并不是Rous病毒独有，在鸡的正常基因组中，在哺乳类动物（如小鼠）的基因组中亦存在。这就有了v-Src（病毒来源）和c-Src（细胞来源）的区分。为此，二人荣获1989年诺贝尔医学奖。与此同时，人们对反转录病毒的研究结果促进了肿瘤领域的研究。v-Myc等病毒癌基因相继被发现并克隆。迄今为止，所有发现的病毒癌基因都来自反转录病毒（即RNA病毒），而且都有相应的细胞原癌基因。所以，一般认为，病毒癌基因源自细胞基因组，是病毒在其漫长的进化和寄生过程中，从宿主基因组获得并改造而来的。
真正激动人心的是第一个人癌基因c-H-ras的发现和克隆，这是在1982年。而后很快就证明从人膀胱癌细胞株克隆得到的ras基因和正常ras基因相比，仅一个碱基的区别，即点突变（point mutation）。真可谓，差之毫厘，失之千里。更加引人注目的是，ras基因不仅存在于人类基因组，其他生物，甚至包括低等生物，如酵母、果蝇的基因组中都能找到它的同源基因。细胞原癌基因在如此漫长的进化过程中，保持高度的保守性。除了提示这类基因的生物功能特别重要之外，无疑还说明，癌基因绝不是简单“致癌的基因”，细胞原癌基因的功能也不仅仅与肿瘤发生相关。为了统一认识，1984年，各国科学家会聚美国华盛顿，在“癌基因，细胞生长与肿瘤”国际研讨会上达成共识，提出所谓细胞癌基因其实是维持细胞正常生命活动的一组基因。它们在控制细胞正常增殖、发育和分化中起重要作用。只有当它们的基因结构发生改变或者异常表达时，才被激活。从而影响细胞正常生命活动，使得细胞恶性转化，发生癌变。这一认识揭示了细胞癌基因的实质，其基本概念沿用至今。
迄今，癌基因数目已经超过100个，来源各不相同，功能各异。一般可按照来源、是否活化、结构、功能等进行分类，但目前并无统一规范的分类准则。
（1）来源：病毒来源叫病毒癌基因（v-onc），细胞来源称细胞癌基因（c-one）。
（2）活化：一般称正常状态的癌基因为原癌基因（proto-oncogene），而激活以后称为癌基因（oncogene）。但这一界限已经越来越模糊。
（3）结构：根据基因结构的相似性，常把一些癌基因归为一类（或某家族），如ras家族、src家族、Blc-2家族等。
（4）功能：根据基因产物的功能，也可以把癌基因分为生长因子类、受体类、激酶类、转录因子类等。
（5）部位：根据基因产物所处的位置，还可以将癌基因分成膜外因子类、膜受体类、细胞浆类、细胞核类等。
虽然，癌基因分类方法可以不同，有时还可以结合使用，但分类只是为了更好地认识癌基因的功能以及在细胞生命活动中的作用。
已知的癌基因大部分是从肿瘤细胞或恶性转化的细胞中发现和克隆的，表明它们的活动与肿瘤发生密切相关。但是，目前人们已经认识到，癌基因的蛋白产物癌蛋白（oncoprotein）的正常功能与细胞生长关系更是密不可分。
1. 生长因子 最著名的例子就是1983年发现的c-sis癌基因编码PDGF（血小板衍生的生长因子）。这类编码生长因子的癌基因还有FGF（成纤维细胞生长因子）类的int-3.hst、FGF-5等。
2. 生长因子受体 这类受体都具有酪氨酸激酶活性，有时又被称为酪氨酸激酶受体。作为癌基因发现的主要有上皮因子受体（ErbB2/HER-2）、神经生长因子受体（Trk）、肝细胞生长因子受体（Met）、克隆刺激因子受体（Fms）。
3. 酪氨酸激酶类蛋白 除了生长因子受体以外，为数众多的癌基因产物都具有酪氨酸激酶活性；主要代表是Src类家族：如v-Src是从Rous病毒分离出来一样，这一家族成员大多是先发现病毒癌基因，然后才克隆到细胞原癌基因。它们的正常功能主要与细胞因子的信号传导有关。除此以外，编码酪氨酸激酶的癌基因还有c-abl、c-fes等。
4. 小G蛋白 最典型的代表就是c-ras编码的ras蛋白。这一类蛋白因为要结合（GTP才具有生物活性，而且和经典的大G蛋白分子量（45kD左右）相比，分子量较小，21～26kD，故称为小分子量G蛋白。这是一个具有众多成员的超大家族，根据结构和功能的相似性，又可将其分成若干个小家族，如ras、rho、rab等，这类小G蛋白在细胞增殖、细胞运动以及蛋白转运等生命活动中起重要作用。Fas基因突变与肿瘤形成关系密切相关的重要原因也基于此。
5. 胞浆激酶和生长因子受体 不同的是，胞浆激酶不是酪氨酸激酶，而是丝氨酸/苏氨酸激酶，例如c-raf、c-mos等。这类癌基因的产物大都直接参与细胞增殖的信号传导，如激活MAP激酶通路等。
6. 转录调控因子 核内癌基因c-fos、c-myc、c-jun等编码的蛋白产物都属于转录调控因子。一旦它们活化，就控制一些特定的靶基因的开放和关闭，从而调节细胞的各种生命活动。另外，核受体癌基因c-erbA、抑癌基因P53等都属于转录调控因子。
原癌基因可以经过各种途径，成为激活的癌基因，本文仅介绍几种常见的激活方式。
1. 突变（mutation） 突变形式很多，一般而言，突变是指DNA水平的碱基改变，以点突变、移码突变、提前终止突变等较为常见。尤以点突变（point mutation）最为著名。如ras基因、P53基因，临床上检出的突变频率较高。
2. 扩增和高表达（amplification and overexpression） 扩增是指基因拷贝数目在DNA水平的增加。高表达（或过度表达）则指基因在mRNA水平或蛋白质水平的增加。基因扩增后大多都具有基因的高表达；但高表达并不总是基因扩增的结果。在转录和翻译调节水平的失控往往是基因高表达更常见的原因。某些癌基因的扩增及高表达有临床意义，例如，乳腺癌中HER-2扩增和异常表达与临床耐药及预后相关。近年应用抗HER-2的单抗抑制其表达后，联合化疗取得良好效果。
3. 易位与重排（translocation and rearrangement） 位于不同染色体上的基因，由于肿瘤发生过程中，不同染色体相互易位，使得两个基因在DNA水平重排而产生一个融合基因。以这一方式激活的癌基因有慢粒中的c-abl/bcr及Buikitts淋巴瘤中c-myc/IgG等。
4. 插入 插入指的是一个非缺陷性反转录病毒（nondefective retrovirus）基因片段整合（integration）进入细胞基因组内。常见的插入位点是靠近于c-myc基因，促使c-myc激活。由于c-myc的编码序列没有改变，因此插入引起的致癌作用被认为是正常调控的丧失以及基因表达的升高。最明显的例子是当把鸟类白细胞增多症病毒（ALV）接种于小鸡，后者可产生B淋巴细胞瘤。仔细分析其淋巴瘤细胞，可发现ALV的一段长末端重复序列整合至c-myc附近，使c-myc基因表达提高300～1 000倍。
除了c-myc外，被插入方式激活的还有c-ErbB、c-myb、c-mos、c-H-ras以及c-raf等。
如上所述，肿瘤发生是多因素、多基因、多步骤、多阶段的非常复杂的生物学现象。而且，在癌变过程中，多个癌基因协同作用的现象亦很普遍。例如单独以myc基因转染正常大鼠胚成纤维细胞，虽然可以使其获得永生性，但缺乏致瘤性。
1961年Barski等最早观察到，当高度恶性与低度恶性的细胞系在体外混合培养时，能自发地产生具有单一亲代表型的杂种细胞（hybrid）。而且这些细胞分离培养，还能成为克隆（clone）。Okada与Tadokoro（1962）证明，麻疹与其他病毒的感染可促使多核巨细胞形成。于是，人们开始用仙台病毒来促进细胞融合。1965年Harri和Watkins将细胞暴露于经紫外线灭活的高剂量仙台病毒4h，发现大约有10%的细胞融合成多核细胞。70年代初，Harris发现，将一个恶性细胞与一个正常细胞融合，所形成的杂种细胞最初仍可保持双方的两套染色体，但随着细胞继续繁殖和传代，有些染色体能保留下来，有些却丢失。令人惊奇的是，当一个杂种细胞丢失某条特定染色体时，便会转变成恶性细胞，并在裸鼠体内致瘤，提示该染色体上存在抑制细胞生长的因子。进一步的染色体分析表明，凡不能在裸鼠体内致瘤的杂种细胞都具有亲代的11号染色体，可诱发肿瘤的杂种细胞11号染色体全部丢失。这无疑提示，11号染色体上存在某种因子，它可以抑制肿瘤的形成。类似现象还见于仓鼠胚胎成纤维细胞。如将v-Ha-ras导入并不引起细胞的转化，若再加上15号染色体的丢失，则细胞发生恶性改变。
鉴于上述研究结果，尤其是对成视网膜细胞瘤以及Wilms肾母细胞瘤的分析，在两次突变学说的基础上，1985年Knudson提出抑癌基因（tumor suppressor genes）的概念。值得一提的是，人们也称之为隐性癌基因（recessive oncogene）或抗癌基因（anti-oncogene）。迄今较明确的抑癌基因大约有10个 。然而，人们研究和了解较多的，只有Rb及P53基因。
对Rb基因的认识主要是通过对遗传性成视网膜细胞瘤的分析以及实验研究获得的。视网膜母细胞瘤（retinoblastoma）是一种极为恶性的人视网膜细胞瘤。可以是遗传性的，也可以是散发的，即体细胞突变所引起的。两者都与人13号染色体长臂1区4带（13q14）的缺失有关。成视网膜细胞瘤是在双份Rb基因拷贝均失活的情况下发生的。在遗传性肿瘤中，双亲一方的染色体携带该区的改变，当视网膜细胞发生突变而导致另一份Rb基因丢失时，则导致肿瘤发生。在散发性肿瘤中，双亲的染色体都是正常的，唯有个体体细胞的2个Rb等位基因均因突变而失活时，才能发生肿瘤。所以，散发性肿瘤通常比遗传性肿瘤发病较晚。
Rb抑制细胞增殖以及防止肿瘤形成的重要性，还可以从体外实验以及临床观察得到证实。现已查明成骨肉瘤细胞系也缺乏Rb基因。当把Rb导入该细胞系时，细胞的生长便会变得缓慢起来。此外，Rb基因失活还见于乳腺癌，小细胞肺癌以及膀胱癌，随着治疗技术与方法的改进，那些已治愈的视网膜母细胞瘤存活者，容易罹患骨肉瘤；而患者的母亲易患乳腺癌。这提示Rb基因的抑制作用具有一定的普遍性。
迄今所知，P53（以它的分子量大小而命名）是最重要的肿瘤抑制基因。几乎人类一半以上的癌症都与P53有关，或是P53蛋白的缺如，或是该基因的突变。P53也是一种核磷蛋白。最初它是从SV40转化的细胞中发现的，与T抗原结合的形式存在，后来发现许多转化细胞或是从肿瘤衍生来的细胞系中P53蛋白的含量都很丰富。
早期的实验，当人们将P53导入细胞中时，发现它使细胞永生不死。因此，人们将它归于癌基因。后来才发现所有P53转化细胞中都是该蛋白的突变形式，而且它具有阻遏野生型P53正常功能的作用，所以，能转化细胞，现已证明P53以四聚体（tetramer）的形式存在。当P53突变与野生的亚单位相互结合时，该四聚体呈现为突变的构象（conformation），也就是说突变型亚单位阻止了正常蛋白质的功能，使得细胞不受限制地生长。迄今已在许多不同的人类恶性肿瘤中发现了P53的突变，因此人们认识到野生型P53是限制细胞生长所需的，而它们的缺失或突变才使得细胞无限增殖。所以，P53是一种肿瘤抑制基因，或简称抑癌基因。此外，由于P53功能丧失见于诸多的肿瘤，因此提示P53的作用并无组织特异性，它对细胞增殖的调控和Rb一样具有普遍性，还可能是细胞癌变的继发事件（secondaryevent），它只是促使了肿瘤的形成与生长。也就是说正常细胞具有不断生长的潜能，但由于P53的抑制作用限制了这种“无政府状态”。因此，一旦P53失活，细胞便可无限增殖了。反之，将P53导入体外培养的细胞，可以抑制诸多癌基因对细胞的转化作用（transfomlation），细胞的生长也同时受到制约。另外，天然缺乏P53的突变型小鼠虽可存活，但在生命的早期便可发生多种肿瘤。人类，P53先天突变可导致一种十分罕见的遗传性肿瘤即Li-Fraumeni综合征。这是一种常染色体显性遗传病（autosomal dominant），患者可发生多种组织的肿瘤。
正常人的染色体（chromosome）有一定的数目（23对），其结构恒定。任何染色体数目及结构的改变都可引起疾病，早在20世纪初Veri首先提出肿瘤的发生与染色体失平衡相关。但是由于当时染色体制作技术不很精确，连人类染色体数究竟有多少尚不清楚，因此Boveri的理论无法证实。至50年代，通过细胞遗传学家的不懈努力，其中包括著名细胞遗传学家徐道觉创立了低渗染色体制作技术，1956年Levan最终确定人类染色体数为23对，即46条。60年代，Nowell和Hungerford发现慢性粒细胞白血病（CML）存在一种特征性的染色体，称为费城一号。这一发现有力地促进了肿瘤细胞遗传学的研究和发展。进入70年代，随着染色体显带技术的问世，人们更清楚地观察到染色体的细微差别。为分析染色体易位，重排，提供了极为有利的手段，也为肿瘤发生与染色体畸变的关系提供了有力的证据。80年代以来，由于分子生物学的发展并渗入到细胞遗传学，融合而成一门新的学科分支，即分子遗传学。因此，人们可在分子水平揭示染色体重排、缺失，脆性位点、癌基因、抑癌基因等的本质以及与肿瘤发生的关系。
染色体异常可见于众多的遗传性疾病。随着现代细胞遗传学、分子遗传学的发展，有关技术也相应发展，新的方法层出不穷。所以，染色体分析在临床肿瘤学中，尤其在肿瘤病因研究、肿瘤诊断等方面已成为不可缺少的方法之一。
1. 标记染色体（marker chromomme） 在某一肿瘤可能存在一种或一种以上的相对恒定的微小畸变，如缺失、易位等，由于它们出现频率较高，成为肿瘤的一种特殊标志，因此称为标记染色体，在临床上特别有用。
2. 染色体的其他异常 虽然检出特异性的标记染色体具有诊断意义，但并不是所有肿瘤皆具有标记染色体。大多数肿瘤细胞最常见的染色体改变是数目异常。如肿瘤组织，尤其恶性肿瘤组织常有2～3个干系，而正常组织只有一个干系。正常细胞的染色体众数为46，而癌细胞往往缺乏稳定的染色体数目，多为非整倍体或多倍体以及程度不等的染色体形态及结构异常。
3. 染色体异常与疾病进程 染色体畸变程度不一定代表肿瘤恶性程度，但总的趋势是肿瘤早期染色体数目波动范围较宽，晚期则多呈2n和4n改变，这可能与某些癌细胞的优势生长有关。此外，染色体改变与肿瘤转移，对化疗与放疗的敏感性是否有关，尚须进一步从基因水平进行研究方可阐明。
早在21世纪60年代初期，人们就注意到，在少数物种或亚种中，肿瘤的发病率不但较高，而且类型广泛。狗和猫的情况就是一个很好的例子。虽然狗的肿瘤发病率比猫的发病率几乎高2倍，但猫的恶性肿瘤比例则要高得多。肥大细胞瘤和睾丸肿瘤在狗中常见，猫则很少发生。相反地，淋巴肉瘤在猫要比狗高出5倍。
纯系小鼠的建立为研究遗传与肿瘤的关系提供了很有利的动物模型。雌性C3H系繁殖小鼠中95%以上可发生乳腺癌，而与其相近的C57系小鼠乳腺癌的发生率仅为1%，白血病在C3H与C57中都很少见，但50%以上的AKR小鼠可罹患白血病。肺部肿瘤在BALB/C小鼠中较常见，而C57、C3H和AKR中十分少见。上述观察无疑表明遗传因素是决定肿瘤发生的一个重要原因。
在人类，医生们早就注意到“癌家族”（cancer families）的存在。在这种家族中可连续多代，较早年龄出现肿瘤的高发病率，而且可发生多种类型的肿瘤，虽然可以以一种或几种器官的肿瘤为主。例如我们在前面提到的视网膜母细胞瘤，虽然大多数属于散发性的，但有1/3是家族性的。家族性患者不但发病早，而且多为双侧性。甚至还可发生其他部位的恶性肿瘤。在100个染色体异常者中，80%～85%将发生肿瘤，健康的双亲如果有一个孩子患有成视网膜细胞瘤，那么下一个孩子将有1/2的机会也患该病，因此Knudson提出了成视网膜细胞瘤发生的“二次打击”模型，即不论是遗传型的或是散发型的，其区别仅在于前者在配子细胞中已发生了Rb的突变，然后再经受第二次环境的打击，于是细胞转化成癌细胞。
乳腺癌的发生虽然与饮食、内分泌以及社会环境有关，但也不无遗传倾向性。有人分析了6000多例乳腺癌患者的家族史。发现500例患者中有一名直系亲属患有乳腺癌。根据不同的指标，例如发病年龄、双侧乳腺皆发病以及血型等进行分析，可将这些患者分成两个亚组。发现具有阳性家族史者两侧乳腺皆发生乳腺癌的发生率比普通人群高3倍。在绝经期之前就发生乳腺癌的亚组里，双侧乳腺癌发生率要比普通人群高5倍。
随着细胞遗传学的发展，尤其是癌基因与抑癌基因的发现，如今人们可以在基因水平来解释肿瘤发生的遗传易感性。
肿瘤的发生是众多环境因素与体内基因相互作用的结果。仅有极少数肿瘤以基因遗传为主，如家族性视网膜母细胞瘤。还有如上所述的一些综合征患者，易患肿瘤，遗传因素明显，且符合孟德尔的遗传方式。另外，某些癌虽有家族聚集性，但不以孟德尔方式进行遗传，呈现多基因作用的倾向。这类肿瘤的主要特征是，在一定的环境因素作用下，某些个体受遗传因素的影响更易罹患肿瘤，人们将这一现象称为肿瘤遗传易感性。
1. 乳腺癌 已有的研究结果表明，几乎所有乳癌家族与对照家族相比，其近亲患乳癌的频率增高2～3倍。如果先证者的病变为双侧性，则其近亲患癌症的频率更高。有一报道颇能说明问题：先证者在绝经前发病，其姐妹与女儿得病的概率为6.7%，而对照为2.3%；先证者两侧发病，其近亲得病率为13%，若先证者是在绝经前发病，并且在两侧发生，则近亲得病的概率为17%，发病年龄也较早。
2. 肺癌 吸烟无疑是肺癌的主要原因，但也存在遗传因素的影响。例如，研究表明，若某人近亲患肺癌，则某人吸烟而得肺癌的风险比一般人群高出14倍。已证明肺癌的发生还与芳香烃羟化酶有关，该酶可将多环烃转化成环氧化物，后者具有致癌性，患支气管癌的患者显示出比一般人有较高的诱导转化率。
尽管大多数肿瘤是单克隆起源，但维持正常组细胞克隆进化的机制在肿瘤中似乎并没有完全发挥作用。研究者观察大量肿瘤发现肿瘤增殖能力的差异、细胞凋亡的失衡、肿瘤形态学的不同及基因组不稳定性现象等，提示肿瘤演进过程中，瘤内异质性的存在。针对同一肿瘤的更多的部位进行活检及深度测序揭示了越来越多的基因水平异质性。而瘤内异质性所产生的临床问题在于，如何选择预后或治疗相关的分子指标，因为取材位置的不同所得到的结果可能会不同。遗传异质性是决定表型差异的重要因素，它所强调的多样性，对研究个体肿瘤发展史、降低抗药性及实现真正意义上的个体化治疗有着重要的临床意义和深远的研究价值，本文由此为出发点，就当前肿瘤内遗传异质性的研究进展进行综述。
按照肿瘤的单克隆起源学说，所有肿瘤细胞的基因组都是第一代转化细胞基因组的拷贝，而肿瘤的发展史则可能是由它演进过程中产生的异质性所决定。分子钟假说认为，来源于同一祖先的两个基因组之间存在大量的遗传差异。根据这一假说，瘤内异质性的存在将为揭示肿瘤细胞演进过程中不同时间段提供重要信息，进而有助于构建肿瘤进化史。
1. 遗传异质性与表型的关系
尽管肿瘤细胞中存在大量的基因组DNA变化，但不是所有的变化都导致表型的差异，只有有限数目的表型差异与临床重要特征相关。其中一部分由“乘客突变”所产生的瘤内异质性可以导致治疗抗性的产生，基因型多样性将为临床相关的遗传性异质性表型提供基础。除了明显的表型改变，在很多细微方面大量“乘客突变”的积累也可以影响细胞表型。通常沉默性突变有可能通过改变基因表达水平网络和表观遗传学的平衡而增加肿瘤细胞的可塑性。另一部分，因为肿瘤细胞积累了大量的遗传学突变，这些突变所产生的相互作用也是研究的热点。还应该指出的是，对于突变是“驱动性”还是“乘客性”的分类有可能造成一种简单化的误导，它们只是在特定空间-时间下的一个适合选择的表型，随着肿瘤的演进变化，其选择的价值可能会发生很大的变化。以乳腺癌为例，HER-2 基因扩增在浸润性乳腺癌及转移癌中提示不良预后，而在早期的原位癌中没有预后价值，说明基因多样性的时间性。
2. 肿瘤发展史的研究意义
在新英格兰医学杂志中 Gerlinger 及其同事展示了他们的最新发现，首先他们获得了4例治疗前后的肾癌患者原发灶及转移灶中多个位点的样本。在同一患者的不同取材位点中，有2/3以上的突变是不一致的。“预后良好”基因谱与“预后不良”基因谱可以出现在同一肿瘤的不同位点。根据这些针对同一患者的多个肿瘤位点进行基因组水平的独立测序结果，可构建肿瘤的进化分支。另一个重要的发现在于不同位点的肿瘤携带了相同基因的不同突变（所谓的趋同进化），包括SETD2、PTEN、KDM5C基因，这可能对于肿瘤扩展及进化阶段获取特定的生物学功能很重要。发生在同一基因中不同的突变可能产生不同的生物学效应，在表观遗传学水平和信号传导水平的变化可能对肿瘤生存起到关键性作用。发生在初始肿瘤细胞中的“驱动性”基因改变，如同进化树的树干，在肿瘤演进的各个阶段均表达（例如肾癌中的 von Hippel–Lindau 基因）。此外，在肿瘤发展过程中，将激活一些基因，同时也灭活一些基因，这些基因受趋同进化的影响可能为肿瘤细胞的演进提供有力的功能支持。
驱动性突变能够通过克隆进化所赋予的选择优势降低异质性，所以一个新出现的肿瘤细胞群体所携带的“乘客突变”较少，但在肿瘤发展过程中会逐步积累。因此，乘客突变的频率能够反映人类肿瘤的相对年龄，异质性越大时间越长。由于样本采集的有限性，往往不能获得完整的肿瘤图谱，通过异质性推断肿瘤发展史可以为个体化的诊断和治疗提供选择方式。对于肿瘤异质性的初步研究将有助于构建人类癌症的发展、分支和扩散进程。这些大量的突变数据，将更好地为患者提供个体化的肿瘤发展史信息，通过揭示肿瘤的发展史有可能提供预后的特征，了解这些信息将会为人类多数疾病的治疗及预防提供可靠的依据。此外，在治疗过程中进行系列性的活检，能够通过了解异质性的变化监测疗效。而如何以最佳方式重建肿瘤基因组的发展史尚存在难点，其中包括合理的采样方法及计算方式的选择。我们相信通过研究肿瘤基因组发展史，将为更有效的个体化治疗带来无限机遇。
与利用几个特定的遗传学事件诱导形成的实验性肿瘤不同，自发性肿瘤的产生类似于达尔文式的复杂进化过程。经过无数次的增殖、初始的转化细胞才能形成镜下可见的肿瘤，而这一过程中的突变率也随之增加，肿瘤随即获得基因组不稳定性、产生不同分化的亚克隆。关于肿瘤异质性目前至少有两种模型来解释：克隆进化模型和肿瘤干细胞模型。克隆进化模式认为，肿瘤细胞在增殖能力和表型上存在异质性，起源于单个细胞的肿瘤细胞群在发展的过程中继续发生突变，造成肿瘤细胞遗传水平和表型上的多样性和异质性。根据肿瘤干细胞模型，肿瘤实际上是由一小群具有无限自我更新能力的干细胞样细胞及其产生的分化程度不均的细胞团组成，这群干细胞样的细胞被称为肿瘤干细胞 （cancer stem cell，CSC）。癌症干细胞模式一直以来被认为是导致表型与功能异质性、产生肿瘤多样性的重要机制。近来的研究者们已经开始注意到了其中的复杂性：同一类型肿瘤的不同个体之间CSC的表型存在巨大的差异，或者一个肿瘤内部可能携带多个表型或基因型明显不同的CSC。
克隆进化模型与肿瘤干细胞模式并不互相排斥，两者可能同时存在于癌症发生过程中，例如白血病干细胞，通过克隆进化产生许多遗传背景不一的肿瘤细胞；当突变赋予了肿瘤细胞更强侵袭和增殖能力时，新的肿瘤干细胞就会产生。因此肿瘤在演进过程中，可能包含了多个CSC群体，只有针对所有CSC亚群进行治疗才可能预防肿瘤的复发。
原发灶的遗传异质性只是肿瘤遗传异质性的一方面，癌症是一种系统性疾病，恶性肿瘤可以通过血管、淋巴管进入循环系统，部分肿瘤细胞在远处停留并发展为转移灶。因此仅了解瘤内异质性是不全面的，还应当分析扩散及转移的肿瘤细胞，因为远处转移是肿瘤相关死亡的主要因素。针对转移性肿瘤的遗传异质性，有两个关键性问题需要考虑：①原发灶与转移灶之间的克隆相关性; ②转移灶的所有肿瘤细胞是原发灶肿瘤细胞进化早期的克隆延续还是来源于进展期的克隆。
1. 原发灶与转移灶之间的遗传异质性
原发灶与转移灶肿瘤细胞之间的克隆相关性如何？根据传统的肿瘤进化模式，组织结构所形成的屏障将构成癌症演进过程中最大的进化瓶颈，因此，获得转移能力被认为是肿瘤进展的最后一步，这一模式意味着转移灶肿瘤细胞应该与原发灶细胞的基因大致相似。很多研究也支持两者之间肿瘤细胞的遗传组成是比较接近的。与之相似的是，基因表达谱分析也提示两者之间密切相关，因此产生高度遗传差异的可能性并不大。从肿瘤进化的线性模式预测：不同转移灶之间可能具有很近的克隆相关性。近来一项使用SNP微阵列和CGH技术分析29例前列腺癌患者不同转移灶的研究也支持了上述结果：所有病例中，同一患者的不同转移灶都显示了很近的克隆关系，即肿瘤的单克隆性。而与转移灶的单克隆性相比，前列腺癌的原发灶却出现大量的瘤内异质性。
虽然原发灶与转移灶的肿瘤细胞之间具有相近的遗传学关联，但转移灶中还是存在一些额外的突变。在前列腺癌、乳腺癌的原发灶与转移灶中，研究者发现了一些不同的突变，提示两者之间存在一定的遗传多样性，并且提示了多样性的进化现象。最近一项针对乳腺浸润性小叶癌原发灶与转移灶的单核苷酸水平的研究，揭示了只在转移灶中存在的突变，而且转移位点越多突变量越大。
2. 转移灶肿瘤细胞的来源
除了原发灶与转移灶之间的克隆相关性之外，还有待解决的是在进展过程中肿瘤何时获得转移特性。目前有两种假设模型：一种是传统的逐步演进模式，也就是说转移发生在肿瘤进展的后期，一般是指在临床上可以诊断肿瘤进展的阶段。例如，胰腺癌的发生可能需要20年，而初始肿瘤细胞的遗传学改变是一致的，转移则一般出现在后3年中。
另一种是平行演进模式，肿瘤细胞播散发生在进展的早期，两者之间存在平行的进化关系。循环肿瘤细胞（circulating tumor cells，CTCs）为研究肿瘤的克隆进化以及肿瘤原发灶、转移灶之间的关系提供了重要的材料。正常情况下外周血、骨髓以及淋巴结中应该不含有上皮来源的细胞，因此可以通过上皮特异性标记物角蛋白和上皮细胞黏附因子检测循环肿瘤细胞。Klein及其同事提出了基于PCR的基因组扩增的单个肿瘤细胞分析技术，利用这一技术研究者发现乳腺癌发生的早期阶段患者循环系统中就存在CTCs。食管癌是一种具有高度侵袭性能力的肿瘤，其在早期就可能发生远处转移，单单切除原发灶并不能有效改善患者生存率。淋巴结转移灶及循环肿瘤细胞与原发灶之间的遗传多样性提示微环境特异性的选择压力产生了平行进化关系。
虽然肿瘤细胞早期可以获得转移潜能，但只有积累足够数量的致癌性突变才能真正在转移部位形成二次肿瘤。
总之，大量研究数据支持原发灶与转移灶的肿瘤细胞之间具有相近的克隆关系，但两者之间很可能也存在遗传多样性。如果是平行演进模式，随着肿瘤的进展，原发灶与转移灶极有可能形成不同的遗传学差异，因此针对原发灶而制定的诊断、治疗策略可能并不适合转移灶。如果是逐步演进模式，瘤内克隆多样性可能导致转移灶仅仅来自于某些微小的亚克隆群体，甚至造成不同转移灶之间存在大量遗传差异，因此依靠原发灶的特征进行诊疗也可能产生偏差。
近年来，越来越多的酪氨酸、丝氨酸-苏氨酸激酶抑制剂和定位信号受体的单克隆抗体被开发，这些靶向药物具有一定的抗肿瘤活性，并已经在临床得以应用。一些对系统性化疗无效的肿瘤，如肺癌、肝癌、肾细胞癌、神经内分泌肿瘤、黑色素瘤等，可能对靶向治疗产生反应。尽管没有任何一种新型的药物能够治愈晚期肿瘤，但是新药的涌现还是导致了一定程度的盲目乐观。此外随着科技的进步，已有几家公司推出了市场化的肿瘤基因检测试剂盒，通过穿刺活检标本检测肿瘤的遗传学特征，指导治疗、预知疗效。但我们并不能就此低估肿瘤，因为肿瘤存在异质性，而且了解肿瘤的异质性不能仅仅局限于不同个体的肿瘤之间，还应该关注同一个体内的肿瘤异质性以及相应的个体化治疗。
用单一肿瘤活检标本作为肿瘤的诊断依据及个性化医疗决策的基石可能是不可靠的，其并不能代表肿瘤遗传多样性的全貌。临床资料也进一步说明，由于瘤内异质性的存在，利用单个穿刺标本所获得的信息可能并不全面，甚至会误导治疗。当前所述的治疗方案多依据对原发灶样本的分析，只有当原发灶与转移灶的遗传学组成相似时这一方式才有效。全面地了解原发灶与转移灶肿瘤细胞之间的克隆关系，不仅能有助于观察肿瘤的发展史还将为个体化治疗提供信息。对于原发灶而言，尽管存在瘤内异质性，但通过手术治疗往往能够成功地清除病灶，然而这不是解决转移的方法。去除转移克隆有赖于全身性治疗，而这一治疗的成功与否取决于肿瘤细胞群体的异质性程度。一般情况下化疗药物能够直接作用于携带驱动者突变的所有肿瘤细胞，但随之而来将产生抗药性的突变体，携带大量“乘客突变”的异质性肿瘤很可能对化疗无效。来自肾癌的数据阐释了这一点，尽管经过mTOR抑制剂（依维莫司）的治疗，肿瘤的大小和异质性没有改变。更有效的化疗在于杀死大部分肿瘤细胞的同时，有效地减少肿瘤细胞携带突变的数量，从而降低残存细胞的遗传多样性，使化疗后机体内残存的肿瘤细胞中突变的数量降至最低。
从经典的细胞遗传学技术，到新兴的分子生物学方法，取得了一系列确认肿瘤遗传异质性改变的突出进展，以下分别介绍研究肿瘤遗传异质性的常用技术方法。
1. 对特定基因的分析方法
这是一种针对某一特定基因位点或一组位点的分析方法，其优点在于能够简单、直接地分析特定基因在肿瘤演进中的作用。这一分析对某些特殊类型癌很有效，缺点在于关注的位点有限，可能忽略潜在的、未知的重要差异，低估遗传异质性的程度及方式。利用这一方法针对肿瘤异质性的研究技术包括等位基因丢失、荧光原位杂交等。
检测特定的基因和不同的微卫星位点可以描述它们所在位置染色体的不平衡状态。肿瘤组织DNA与正常组织比较，微卫星的长度发生了变化，这种变化意味着肿瘤组织DNA存在插入或缺失等变异。例如使用显微切割技术捕获足够量的肿瘤细胞，提取DNA进行PCR扩增，可以了解特定微卫星位点在肿瘤中缺失的频率。荧光原位杂交（fluorescence in situ hybridization，FISH）是一种快速、有效的分子细胞遗传学技术，该技术可将特异核酸序列探针在中期染色体上精确定位，也可以在间期核上测定目的靶点。利用荧光原位杂交技术可以检测特定染色体区段的扩增。
FISH技术已经成为临床检测乳腺癌、胃癌HER-2基因扩增的首选方法。HER-2基因在乳腺癌发展的不同阶段扩增状态不同，在原位癌中超过50%的病例HER-2扩增; 而在浸润性癌中HER-2基因的扩增率只有15%~25%; 除此之外，15%~30%的乳腺癌还表现了HER-2基因的瘤内异质性。针对这一现象，2009年美国病理医师学院（College of American Pathologists，CAP）与美国临床遗传学细胞遗传学分委会（American College of Medical Genetics Cytogenetics Resource Committee）针对HER-2基因瘤内异质性的问题对2007年版的HER-2指南进行了补充，详细规范了HER-2基因遗传异质性的诊断标准，为曲妥珠单抗治疗提供了指导依据。
通过对特殊基因的测序可以评估某一基因在特定肿瘤中的突变频率，这种分析常常涉及显微切割后的PCR样本。对于单个或系列基因位点的研究优势主要在于可以关注特定的“驱动者”基因进化趋势。以恶性淋巴瘤为例，B、T细胞进展的第一步分别涉及免疫球蛋白（Ig）、T细胞受体（T-cell receptor，TCR）基因的重排。生殖细胞中的Ig和TCR基因包含多个可供选择的基因片段，通过重组可以产生数千至百万潜在的成熟重排产物。在多数病例中，白血病或淋巴瘤细胞来源于携带特定重排的单个细胞，随着肿瘤的发展，通过重组或体细胞性的突变将导致免疫基因位点进一步重排，利用深度测序技术可以分析重排的亚克隆。而这一技术可以用来评价原发灶与转移灶之间的进化关系，进而有助于分析淋巴瘤的进化史。
2. 基于基因组水平的分析方法
基因组研究的优势在于其不仅仅关注已知功能的基因，还能够发现一些潜在的、未知的重要变异。但需要注意的是，所鉴定出的遗传差异有可能是中性进化的结果，此外基因组水平的检测方法也受到分辨率的限制。
基于染色体显带技术的核型分析是早期常使用的研究异质性的方法。1992年，在FISH的基础之上产生了比较基因组杂交技术（comparative genomichybridization，CGH），该技术具有以下优点：不需要制作肿瘤细胞的中期染色体片，从而避免实体瘤细胞的培养困难; 在基因组水平扫描染色体拷贝数的改变。CGH技术的局限是只有当扩增的片段大于2Mb、缺失的片段大于 10Mb才能被检测到，无法确定扩增或缺失的具体基因。随着人类基因组计划的完成，对基因组拷贝数目进行高密度系统性分析已经成为现实，这些技术包括 array CGH、tiling CGH及单核苷酸多态性（single nuclear polymorphism，SNP）微阵列的拷贝数目分析和数字化表型等。此外，DNA拷贝数目的定量技术也为全基因组中扩增子及纯合子缺失区域的定位提供了有效的支持。拷贝数变异（copy number variation，CNV）、SNP微阵列使用了高密度的遗传标记，可以在核苷酸水平检测小的拷贝数目改变或微卫星丢失，分辨率得到了很大的提高。最近发展起来的集群平行焦磷酸测序，又称深度测序（deep sequencing）或第二代测序技术（next generation sequencing），将肿瘤基因组研究推向了又一新的阶段。与第一代Sanger测序技术相比，第二代测序技术不仅保持了高度正确性，而且大幅度提高了测序速度的同时降低了测序成本。这种新一代的高通量分析技术使人们能够更全面、更深入地对疾病进行研究，同时研究价格也更低廉。通过基因组水平的研究，能够发现包括 SNPs、CNVs、插入与缺失等突变，使得从基因组水平对肿瘤展开深度的研究成为可能。利用深度测序分析发现，在包括肠癌、胰腺癌、乳腺癌及血液系统肿瘤等多种类型的恶性肿瘤中都存在瘤内异质性。最近一项关于髓母细胞瘤的研究采用深度测序技术对125例肿瘤-正常对照匹配样本进行了分析，获得了大量有意义的数据，包括肿瘤倍体性改变、不同亚型的特异性基因突变以及融合基因。这些发现为研究者进一步解析髓母细胞瘤的基因组复杂性和异质性、研发潜在的新的治疗药物或技术提供了重要的依据。利用新一代高通量测序技术，结合生物信息学分析方法，系统地研究疾病的发生发展，这种研究思路将可能成为未来肿瘤遗传学研究的趋势之一。
3. 肿瘤的取样方法
研究异质性的另一个重要的挑战是如何对肿瘤样本进行取材。以穿刺样本为例，其可以提供诊断信息，但却不可能提供完整肿瘤的克隆组成。因此，对于瘤内异质性的研究往往依赖于术后的多点取材样本。目前，肿瘤活检采样方式不能确定“乘客突变”是否存在于活检标本的每个细胞（一个单一克隆）或不同细胞（多个克隆）中。此外，取材样本的大小也是一个问题，当选取的分析标本过大时，所得到的结果只是多个细胞混合后的平均值，通常情况下是对肿瘤优势克隆的反映，而有可能错过潜在的异质性，丢失小规模克隆的突变信息。通过深度基因组测序可以解决这一难题，尤其是利用单个细胞为研究对象的分析，将更有效地了解基因异质性的特征。
Navin等利用拷贝数变异分析技术研究了乳腺癌的100个单细胞的数据，以此构造了乳腺癌癌细胞克隆进化结构，推测肿瘤的进化可能是间断性的，挑战了经典的肿瘤渐进式演化模型。近期Cell连续刊发了两篇我国学者建立的单细胞水平的基因组研究方法，并将该方法应用于骨髓增生性肿瘤和肾透明细胞癌的肿瘤遗传学特征分析。基于单个细胞水平的研究解决了使用组织样本测序所无法解决的肿瘤异质性难题，并在基因组水平研究肿瘤发展史，同时为诊断、治疗提供了新的研究方法。
基因鉴定技术的迅速发展以及先前基因分析技术所积累的经验，使得我们能够较容易地发现不同肿瘤及肿瘤内部基因变化的异质性。由此而产生的问题是，如何分析细胞与细胞之间的差异，一些显著不同的变异体可能不会获得进化机会，因此对基于单细胞基因组分析而来的数据解释应该更加谨慎。对于在肿瘤演进过程中所生产的大量“噪音”基因的分析，难免大幅度增加研究成本，尚需要平衡信噪比来确定研究样本的范围。一些研究将形态学与显微分离技术相结合，分析较小但是有代表性的区域，在基因表达及基因组成研究方面取得一定的成果。
综上所述，目前还不能明确地阐述所有肿瘤内部不同克隆亚群间的生物学关系、克隆之间以及克隆与间质微环境之间复杂的相互作用。但我们已经认识到肿瘤是一个复杂的系统，仅依据数字化模型或者是动物实验评估肿瘤的多样性是远远不够的。
通过了解肿瘤异质性的重要作用，同时结合我们在相应的生物学进化研究体系中积累的经验，将为实现癌症患者真正意义上的个体化治疗提供可靠的基石。
表观遗传（epigenetics）指所有不通过DNA序列改变就能影响基因表达（从而决定细胞乃至个体表型）的、可遗传的（即可伴随细胞分裂传递下去）调控方式，包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、miRNA、朊病毒等。表观遗传调控在干细胞自我更新、定向分化、器官发育等生命过程中起着至关重要的作用：每一个多细胞生物个体都是由一个受精卵细胞发育分化为成千上万个种类繁多、形态功能各异的体细胞，但这些细胞都携带着基本一致的遗传信息——DNA序列。而且，通过核移植、细胞融合或诱导特定基因表达等方法人工诱导的细胞重编程过程也基本不涉及DNA序列改变，也就是说要通过表观遗传机制。表观遗传调控过程一旦出错则会引发多种疾病，如癌症和多种内分泌疾病。因此，深入细致地理解表观遗传调控机制有着深远的科学和社会意义。
本文主要讨论的是3种在染色质基础上的表观遗传调控（chromatin based epigenetics）——DNA甲基化、组蛋白共价修饰和染色质重塑在肿瘤发生发展中的作用，包括其证据、机制以及临床应用。这3种调控过程都是由多种具有酶活性的蛋白（或复合物）调控，这些蛋白在正常的干细胞自我复制及分化发育过程中有着重要功能，而其突变或表达异常则易导致肿瘤等多种疾病。
DNA甲基化主要发生在CpG双核酸位点。通常DNA甲基化会抑制所调控基因的表达，从而在组织特异性基因沉默、基因组印记及染色体稳定性维持等过程中发挥重要功能。DNA甲基化酶包括DNMT1（维持甲基化）、DNMT3a以及DNMT3b（催化新的甲基化），而最近发现甲基化的CpG可以被TET家族的蛋白水解。
以下证据显示了DNA甲基化在肿瘤发生发展中的重要作用。首先，正常细胞内，启动子区的CpG岛（长度为300～500bp，富含CpG）呈非甲基化状态，而大部分散在分布的CpG二核苷酸多发生甲基化。肿瘤常伴随基因组整体甲基化水平降低和某些基因CpG岛区域甲基化水平异常升高（如抑癌基因），而且这两种变化可以在一种肿瘤中同时发生。一方面，基因组整体甲基化水平降低，有利于有丝分裂重组，从而导致缺失和转位，并可诱导染色体重排。此外，基因组整体甲基化水平降低还可导致原癌基因活化、转座子的异常表达、基因组不稳定等，这些因素均促进了肿瘤的发生。另一方面，基因启动子区的CpG岛发生异常高甲基化，可导致基因转录沉默，使重要基因，如抑癌基因、细胞周期调节基因、凋亡基因等表达极度降低或不表达，进而也促进了肿瘤的发生。例如，Baylin实验室早在1994年就观察到约60％的肾癌起因于肿瘤抑制基因VHL的失活性突变，同时也观察到在约20％的非VHL突变肾癌样本中，VHL启动子序列的高度甲基化导致该基因的表达被完全抑制；随后，该实验室又观察到P16也可以由于其启动子高度甲基化而被抑制，从而导致很多种肿瘤的发生。近期人们还发现，表观遗传亦可与基础遗传互相配合，抑制抑癌基因从而导致肿瘤的发生。例如，抑癌基因的一个等位基因因突变而失活，另一个等位基因则可能是因为启动子甲基化而被抑制表达。
异常的DNA甲基化还会导致某些抑制细胞转移的基因表达被抑制，进而促使肿瘤发生转移。这些转移相关基因包括钙黏附蛋白（E-cadherin）基因、乙酰肝素硫酸盐合成途径、蛋白酶类组织抑制剂、轴突生长导向分子、血小板反应蛋白（throm-bospondins）和层粘连蛋白等。最明显的是E-钙黏蛋白基因（CDH1）：某些原发肿瘤呈现E-cadherin超甲基化，但相应转移灶E-cadherin基因却未发生甲基化。这些结果显示，在原发肿瘤中E-cadherin表达缺失，但远端转移灶中E-adherin表达可恢复原有水平。
由此可见，转移细胞要正确整合入一个新的正常细胞环境，E-cadherin去甲基化和再表达是必不可少的。此外，基因内含子DNA，如LINE1和Alu重复序列被激活后，可转录或转位至其他基因区域并扰乱基因组。LINE1和Alu元件内较高程度的低甲基化与神经内分泌肿瘤和淋巴结转移相关。还有研究显示，许多具有高侵袭性或具有转移潜能的肿瘤中，某些基因呈现低甲基化，如SNCG和uPA／PLAUE 影响DNA甲基化水平的多种酶，包括DNMT3a、TET蛋白的突变或失活也被证明与多种白血病有关。例如，急性髓细胞性白血病（acute myeloid leukemia，AML）和其他几种淋巴细胞白血病中发现TET1的异常融合。这些证据都提示了DNA甲基化在癌症发生和发展中的关键作用。
2个H2A、2个H2B、2个H3、2个H4和约146bp的DNA组成染色质的最基本单位——核小体。组蛋白上面的很多氨基酸可以通过各种翻译后的可逆的共价键修饰，包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等，形成理论上数目繁多的特定的“组蛋白密码”来形成“开放”或“关闭”的局部染色质结构，或是决定何种蛋白结合到特定DNA区域，从而调节多种DNA功能，包括转录、复制以及损伤修复。例如，组蛋白的H3K4、H3K36、H3K79三甲基化、H3K9和H3K14的乙酰化以及H4K20和H2BK5的单甲基化都导致基因激活，而H3K9的单/双甲基化和H3K27的三甲基化会抑制基因表达。更有意思的是，在胚胎干细胞（可能也包括其他细胞）内，“预备状态基因（poised genes）”有非常特异的“双调节码——H3K4和K3K27的三甲基化”，使得这些基因很容易被激活。迄今已发现数百种蛋白酶参与组蛋白共价修饰的精细调控。组蛋白修饰异常是肿瘤细胞的一个明显标志，例如，肿瘤细胞有着非常显著降低的H4K20的三甲基化和H4K16的乙酰化。而关于组蛋白修饰酶在肿瘤组织中的突变或表达异常的报道更是层出不穷，现在已知较多的是修饰组蛋白乙酰化和甲基化的酶在多种癌症中的突变，而其他类的酶与癌症的关系则还处于研究初期阶段，例如最近发现癌基因其实是一个组蛋白激酶。
1. 组蛋白乙酰化酶和去乙酰化酶
数种组蛋白乙酰化酶基因的移位在许多种血液肿瘤中频繁出现，这些酶包括EP300、CREBBP、NCOA2、MYST3、MYST4等，而腺病毒蛋白E1A和SV40T结合组蛋白乙酰化酶EP300和CREBBP后可异常激活许多基因，导致细胞增殖分裂加快，从而在很多组织系统中引发癌变。有研究发现，EP300的突变和另一种组蛋白乙酰化酶KAT5的染色体移位可以大大增加结直肠癌、胃癌、乳腺癌以及胰腺癌的发病率。HDAC类和Sirtuins类两个家族的组蛋白去乙酰化酶都在很多类型的癌症中高表达，抑制它们的活性即可以抑制肿瘤生长。
2. 组蛋白甲基化酶和去甲基化酶
很多组蛋白甲基化酶和去甲基化酶也被发现与癌症发生发展密切相关。在许多种癌症中都有由于染色质移位、基因扩增或缺失、突变、融合、过表达或表达抑制等多种方式导致的酶表达水平或活性异常。例如，H3K4甲基化酶MLL在大于70％的新生儿白血病和5％～10％的成人AML、淋巴细胞性白血病中发生部分重叠性复制（partial tandem duplication，MLL. PTD）或者基因融合。和MLL异常有关的白血病往往对现有治疗方法不敏感，从而预后很差。已发现的可以和MLL发生融合的基因有80多种，其中一个关键机制是MLL和其他蛋白融合后引起的DOTLL，即一种H3K79甲基化酶，其结合到更多的位点可以导致很多促癌基因异常激活。
另一个H3K4甲基化酶SMYD3高表达于结直肠癌和肝癌中，使细胞繁殖和恶变加强。NSD1是一个H3K36（还可能包括H4K20）甲基化酶，其与白血病、胶质瘤、神经母细胞瘤以及一种非常容易患癌症的Sotos综合征有关。但在这些组蛋白甲基化酶中，与癌症关联最多且最复杂的还是H3K27甲基化酶EZH2。EZH2是PRC2复合物的关键成分，通过影响基因表达而在干细胞自我复制、定向分化、器官形成等生命过程中起着非常关键的作用。EZH2起初被发现高表达于前列腺癌、乳腺癌、结直肠癌、皮肤癌和肺癌，其诱发癌症的机制为：EZH2对干细胞特异基因的激活以及很多抑癌基因，如P16、P27和BRCA1的调控等。已有研究发现，抑制EZH2活性的确能在小鼠模型中抑制甚至完全阻断肿瘤的生长。
在弥散性大B细胞癌中，EZH2的一个等位基因发生突变后和另一个等位基因表达正常的EZH2组合会出现更强的酶活性。而新近的研究却发现EZH2在25％的T细胞白血病中发生失活性突变。因此，根据不同的细胞环境，EZH2既可以是癌基因，也可以是抑癌基因。另一方面，关于组蛋白去甲基化酶在癌症中的研究也越来越多，如催化双甲基或三甲基化的H3K4去甲基化的JARID1家族的多个蛋白在多种癌症中高表达，且很可能是致癌原因；对EZH2起拮抗作用的H3K27去甲基化酶UTX在很多癌症中发生突变；催化单甲基化或双甲基化的H3K4去甲基化的LSD1在乳腺癌中的表达缺失。研究表明，LSD1的表达可以抑制乳腺癌细胞的侵袭和转移，并且影响转化生长因子β（transforming growth factor β，TGFβ）信号传导，这表明LSD1是一个强效的抑癌基因，可能是干预乳腺癌转移的新的分子靶点。
染色质重塑（chromatin remodeling）指的是在没有DNA和组蛋白共价修饰变化的情况下，染色质结构发生的变化，包括核小体的解体（DNA和组蛋白的分离）、移位、DNA-组蛋白之间亲和力的变化以及染色质三维结构的变化。染色质重塑通常是由一些能水解ATP产生能量的较大的复合物催化的，这些复合物包括SWI/SNF、ISWI、IN080等，它们通过影响染色质结构而调控转录、复制、DNA损伤修复等，从而在干细胞自我复制、分化发育、器官形成等过程中发挥重要作用。近几年研究发现，这些染色质重塑复合物，尤其是SWI/SNF复合物与多种癌症相关。SWI/SNF复合物在从酵母到人的所有整合细胞中都保守存在，影响基因表达、复制等基本DNA功能。哺乳动物SWI/SNF复合物包含8～12个成分，其组成成分（和具体功能）呈组织特异性以及发育阶段特异性。SWI/SNF复合物的ATP酶可以是BRGl或BRM其中之一，其他成分包括SNF5、BAF155、BAF170、ARID1a和BAF180等。
编码这些成分的基因在多种癌症中发生突变，其中最早发现与癌症有关且证据最多的成分是SNF5。早在1998年，Versteege等发现，突变基因SNF5反复出现在一种高死亡率的儿科恶性肿瘤——恶性柱状细胞癌中，而且SNF5突变和MRTs的关系还具有家族性：有单个等位基因SNF5突变的家族容易发生另一个等位基因失活，从而发生癌变。随后，研究又发现神经鞘瘤（schwannomatosis）等多种癌症均存在SNF5突变。人为诱导SNF5在这些肿瘤细胞中表达，会导致这些细胞生长抑制。为直接验证SNF5的抑癌活性，我们构建了条件性SNF5缺失的转基因小鼠，研究发现，SNF5是一个非常强的抑癌基因，在小鼠模型中诱导缺失SNF5会导致恶性肿瘤，且越来越多的证据支持其他SWL/SNF成分也和癌症有很强相关性的结论。例如BRG1在肺癌、乳腺癌、胰腺癌、前列腺癌等癌症中缺失或突变；ARID1a在近50％的卵巢癌、胃癌、乳腺癌等多种癌症中突变；BAFl80在近半数肾癌中突变等。
长期以来，人们普遍认为，癌症是一种“遗传性”疾病，即主要是由若干（至少2～3个）基因突变累积导致靶细胞持续增殖、凋亡失控、侵袭能力增强等变化从而癌变。然而，最近几年在以下几方面的研究进展，尤其是癌症基因组测序项目的实施，使得人们开始重新审视这一理论。
首先，人们发现基因被激活或失活，并不一定要通过DNA序列改变，表观遗传调控失常也可和基因突变一样造成致癌后果。例如，基因编码区的突变可阻断抑癌因子VHL的表达从而造成恶性肾癌，然而即使很多患者没有VHL基因编码区的突变，该基因启动子高度甲基化也可以完全抑制VHL基因的表达而致癌。又比如很多癌变细胞里P16基因虽然序列正常，但其表达却受表观遗传抑制（如其启动子高度甲基化或SWI/SNF功能缺失）而不能发挥抑癌功能。此外，很多在发育过程中起重要作用的信号传导通路，包括WNT、Hedgehog和TGFβ等的关键成分突变也可导致癌变。最近几年的研究表明这些信号传导通路也可以通过表观遗传的方式调控，例如北京大学基础医学院尚永丰实验室发现LSD1可以调节TGFβ信号通路，我们实验室也发现SNF5和Hedgehog信号通路关系密切，这些证据都表明遗传（DNA序列改变）和表观遗传两种方式可以导致同样的结果，这些研究奠定了表观遗传调控失常致癌的理论基础。
其次，最近几年发展起来的测序技术使得人们有可能测定同一种癌症的多个样本的全外显子序列，甚至全基因组序列，从而比较全面、彻底地发现致癌原因。这个项目除了发现人们熟知的癌基因或抑癌基因外，最令人吃惊的是发现了表观遗传调控基因的突变（包括DNA序列中碱基突变、缺失、移位、融合或多拷贝放大等）所导致的癌症种类数量之多及发生率之高远远大于人们以前的理解。多个表观遗传调控因子被发现在血液系统恶性肿瘤（包括各种白血病）、肺癌、乳腺癌、前列腺癌、肝癌、结直肠癌、胃癌、卵巢癌、淋巴瘤等多种癌症中以很高的比率出现。例如，SNF5基因在高达98％的MRTs中突变或缺失，而组蛋白甲基化酶MLL2的突变则在高达89％的滤泡性淋巴瘤和近30％的弥散性大B细胞淋巴瘤患者样本中被检测到。
再次，虽然很多癌症患者的癌细胞中都有几十、上百甚至更多的基因发生突变，然而重要的问题是：究竟哪些是真正的致癌因素（drivers），哪些是癌变过程中导致的或根本就是随机的附带突变，这个问题长久以来没有得到解决。全基因组测序技术的快速发展为回答这个问题提供了强有力的支持——对同一种肿瘤的多个病例进行测序分析，如果有超过一定比例的患者都有某个基因的突变，则这个基因很可能就是这种癌症的致癌基因，而且这种“重复突变（recurrent mutation）”的基因数目越少，这些突变的基因越有可能是真正的致癌因素。
近几年的癌症基因组测序研究都为表观遗传在癌症发生发展中的重要作用提供了大量的实验证据。仍以MRTs为例，这种死产率极高、发展极快（通常从发病到死亡不到1年）且对现有治疗手段极不敏感的儿童肿瘤，其基因组却很稳定，没有任何染色质片段扩增或缺失，更没有整条染色体的增多或减少。
几乎所有的MRTs都有SNF5基因的双等位基因失活性突变或缺失。我们实验室的一系列工作，尤其是近期对数十例MRTs样本的深度测序，发现MRTs除SNF5本身外，只有很少几个甚至没有其他基因发生突变，因此，MRTs可以说是第一个被发现的“表观遗传性”肿瘤，这也说明癌症可以是简单的、纯粹的表观遗传性疾病。又如在膀胱癌中，将近20％的“重复突变”基因的表达产物参与表观遗传调控杂志也曾报道，和以前的猜想完全相反，视网膜母细胞瘤也是一种“表观遗传肿瘤”，对该肿瘤的全基因组测序发现，除Rb基因外，只有很少基因发生突变，但是很多基因却通过表观遗传方式被异常激活，因此，其致癌机制很可能是Rb通过和染色质重塑复合物相互作用及影响DNA甲基化而激活SYK等癌基因。此外，儿童成神经管细胞瘤和Wilms’瘤也都呈现较高程度的基因组稳定性而少有基因突变，很可能是“表观遗传肿瘤”。另一个确定真正致癌因子的方法是在体外或模型动物（最常用的是小鼠）人工诱导同样的基因突变，然后检测是否诱发同样的癌症。最好的例子还是SNF5，SNF5基因突变在98％的儿童MRTs以及其他数种恶性肿瘤中被检测到，而且还具有家族性：在丢失一个SNF5等位基因的家族中，其成员往往容易丢失另一个SNF5的等位基因从而导致MRTs。为了验证SNF5的失活的确是这些恶性肿瘤的癌变原因，我们和其他实验室制备了可诱导的SNF5条件性缺失小鼠。SNF5失活导致100％的小鼠在11周左右死于恶性肿瘤——主要是MRTs（和人的同类肿瘤在组织学和全基因组表达模式上都十分相似）和恶性的TCR依赖的成熟T细胞淋巴瘤。这些实验数据证明，SNF5的确是一个活性非常强的抑癌基因，其活性丧失能直接导致癌变。值得一提的是，SNF5的抑癌活性比任何已知的抑癌基因都强：P53失活致小鼠癌变的时间是20周（是SNF5失活导致癌变时间的2倍），P16等其他抑癌基因缺失导致的癌变则需要更长的潜伏期，而且癌变率并不是100％。其他表观遗传调控因子，如MLL和AF9等基因融合，基因融合的致癌性也在动物实验中得到直接验证。
最后，验证表观遗传在癌症发生发展中的作用还可以通过改变表观遗传调控活性阻断或逆转癌变过程。美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准的针对表观遗传的4个药物都在临床取得了很好的疗效。我们实验室利用转基因小鼠模型，发现了抑制Ezh2或Brg1的表达可以完全阻断SNF5失活所致恶性肿瘤的发生，证实了表观遗传调控因子在恶性肿瘤发生发展中的关键作用，也为这些分子作为潜在药物靶分子提供了直接的证据。
越来越多的证据支持表观遗传在癌症发生发展中的关键作用，然而其作用的分子机制还很不清楚，有待进一步深入研究。第一，表观遗传通过影响基因表达，激活癌基因或抑制抑癌基因，如表观遗传对VHL、P16和Myc等基因的调控；第二，表观遗传调控异常会导致染色质结构不稳定，从而引发染色体数目异常（aneuploidy）、大片段缺失或扩增以及DNA修复机制紊乱；第三，表观遗传可能影响细胞增殖或凋亡，例如Brg1/Brm缺失后，Rb不再诱导细胞凋亡，其他SWI/SNF也和1953有密切关系；第四，表观遗传可能影响重要信号传导通路，如WNT、Hedgehog、TGF、细胞表面受体及许多激素受体等，这些信号通路在个体发育中具有关键作用，在癌变过程中也扮演重要角色。尽管这些研究刚刚起步，但已经得出一些证据——SWL/SNF和Hedgehog密切相互作用。并且影响AR/ER信号。LSD1和TGF相互作用。我们还发现，SNF5缺失后会诱导非常恶性的依赖TCR信号的T细胞淋巴瘤发生。最后，表观遗传也能影响癌症侵袭和转移，例如LSD1可以显著影响乳腺癌的侵袭和转移能力。SWI/SNF也被证明与肿瘤转移有关。
人们曾经认为癌症是一种遗传性疾病，并花了相当大的人力、物力和时间来寻找合适的基因治疗方法，然而，实践证明，试图将一个突变的DNA序列变回正常的是非常困难的，迄今为止尚无一例成功；而表观遗传的改变却是可以调控、可以逆转的，认识到表观遗传在癌症发生发展中的关键作用，将对癌症的临床预防、诊断及治疗产生深远影响。
1. 预防
很多证据表明在癌变过程中，表观遗传变化先于DNA序列变化，且表观遗传相对容易调控和逆转，这为预防癌症提供了新思路。例如，很多致癌因素，如吸烟、酗酒、高脂饮食都能导致DNA甲基化的变化；慢性炎症和癌症的关系，尤其是消化道慢性炎症导致的食道癌、肝癌、结直肠癌等已为人们熟知，幽门螺杆菌或丙型肝炎病毒都能导致慢性炎症继而发展为癌症，而表观遗传在此过程中就起着重要的作用，包括DNA甲基化异常、表观遗传性的基因表达异常，尤其是一些细胞因子或信号传导蛋白（例如IL-2、TNF-α、IL-8、TGF-β等）的异常。因此，目前研究者们都在思考如何调控DNA甲基化以预防癌症。
2. 诊断
将表观遗传应用于癌症诊断主要集中在4个方面。
（1）检测癌细胞
DNA甲基化异常和癌症的相关性已为人们广泛接受，随着近几年测序技术的惊人进步，全基因组的甲基化检测变得更加容易，人们发现几乎每一种癌症都有其特有的“甲基化基因组模式”。目前的研究重点集中在发现这种癌症特有而正常细胞没有的全基因组水平DNA甲基化标记，并开发出简单、快速、灵敏、可靠的检测试剂盒。
（2）针对高危人群
吸烟者、矿工、慢性炎症患者、污染严重地区、有癌症高发家族史等人群的早期检测，这方面最好的例子是GSTP1基因启动子的甲基化发生在80％～90％的恶性前列腺癌患者血液中，但却与良性前列腺癌无关。
（3）对预后的预测
目前癌症治疗中最关键的问题之一是如何对组织学相似的同型癌症患者进行预后分析，以确定治疗策略、选择治疗强度。目前已经发现多种表观遗传调控因子和多种癌症预后相关，例如组蛋白甲基化酶NSD1的活性与神经母细胞瘤、DARK和肺癌、EMPS和脑癌、CDKN2A和直肠癌预后相关等。
（4）对化疗效果的检测和评估，目前也是一个热门领域。
3. 治疗
比起DNA序列的变化，表观遗传的变化更容易调控和逆转，因此，近年来对表观遗传在癌症发生发展中的关键作用的发现让医学界极为振奋，也为新药研发提供了全新的、前景广阔的一类抗癌靶分子，因而，几乎每一个药物公司都建立了研究开发针对表观遗传调控的抗癌药的部门，或者建立了和表观遗传研究公司的紧密合作。迄今为止，美国FDA批准了4个针对表观遗传调控的药物：其中两个是针对DNA甲基化的DNMT抑制剂阿扎胞苷（维达扎，vidaza）和地西他滨（decitabine），它们被用于骨髓增生异常综合征及其并发的急性白血病；另外两个是针对组蛋白去乙酰化HDAC酶的伏立诺他（vorinostat）和罗咪酯肽（romidepsin），主要用于治疗皮肤T细胞淋巴瘤；这4种药物的不足之处是缺乏特异性，即对所有的DNA甲基化酶或组蛋白去乙酰化酶都有抑制作用，因而毒副作用较大。
目前正在研发其他针对某一个特定表观遗传调控因子，包括DNA甲基化酶、组蛋白修饰酶（乙酰化、去乙酰化、甲基化、去甲基化、磷酸化、去磷酸化等）的特异性更强的药物，其中，多集中在研发针对组蛋白甲基化酶和去甲基化酶的药物。比起其他调控方式，组蛋白甲基化/去甲基化调控的特点有：①调控方式多样而精确，可以发生在多个组蛋白的多个氨基酸位点，已经验证的就有11个位点，而且甲基化状态也有4种——无甲基、单甲基、双甲基和三甲基；②特异性强：以上多位点的各种甲基化状态理论上可以有上百万种不同的组合，因而可以预见，在不同的细胞状态、不同的基因位点可以有极其特异的甲基化编码（code）；③可逆性：组蛋白甲基化可以通过各种甲基化酶和去甲基化酶来快速调控；④基于以上特点，调控组蛋白甲基化的酶种类繁多（目前已发现近百种甲基化酶和数十种去甲基化酶）且有很强的特异性，是非常适于做小分子药物的靶分子（druggable targets）。因此，许多药物公司正在积极研发特异性影响某个组蛋白甲基化酶和去甲基化酶（如EZH2、MLL、DOTl）活性的新一代抗癌药物。
过去20年来，癌症研究最令人兴奋的进展就是发现并证实了表观遗传调控在癌症发生和发展的各个阶段所起的关键作用。目前，人们已普遍接受染色质结构对基因表达存在影响的观点，大量的关于表观遗传调控在癌症发生和发展的各个阶段所起的关键作用的信息已经获得，这些信息对临床实践的指导发挥着越来越重要的作用。肿瘤表观遗传学已成为一个新兴的热门研究领域。同时，相比DNA序列变化，表观遗传具有高度的可逆性和易于调控性，为癌症预防、诊断、预后分析及治疗提供了全新的思路和广阔前景。
然而，表观遗传的研究还存在很多的挑战。表观遗传调控在癌症发生和发展的各个阶段所起关键作用的分子机制尚不清楚。例如，引发癌变的表观遗传的变化是如何开始和维持的？表观遗传和现在已知的各种癌基因、抑癌基因、信号通路等是如何相互作用的？表观遗传和DNA序列变化在癌症发生发展中孰先孰后，如何相互作用？我们是否能绘制各种癌症，甚至各种癌症亚型的，区别于正常细胞的“表观遗传谱”？这些在癌症中检测出的表观遗传变化哪些是真正的“致癌因素（driver）”，哪些是“从属变化（passenger）”？这些表观遗传变化致癌的组织特异性机制如何？如何设计研发针对某一个特定酶蛋白，甚至是其中一个特定功能基团或变异体的小分子药物？这些问题的逐步解决将会对癌症的防治带来革命性的变化。
在肿瘤发病机制中，微小RNA（miRNAs）和表观遗传学占有重要地位。miRNA是大小约22个核苷酸（nts）的内源性非编码小RNA，对基因进行转录后调控，参与细胞增殖、分化、代谢和凋亡等过程，在肿瘤的形成过程中发挥着类似癌基因或抑癌基因的作用。表观遗传是指非DNA序列发生可遗传的改变并导致相应表型变异，主要涉及DNA甲基化、组蛋白修饰、基因组印记及非编码 RNA等，这一过程是可逆的，与肿瘤的发生、发展密切相关。近年来，越来越多的研究表明，miRNAs基因表达与表观遗传之间存在复杂的调节关系，这为肿瘤发病机制研究和诊疗提供了新的思路。
成熟miRNAs通过与mRNA 3'-UTR完全或不完全互补结合来降解靶mRNAs或抑制其翻译，对其表达水平进行转录后调控。据报道，miRNAs可调控人类细胞中约1/3的蛋白编码基因，其在进化上具有保守性，在数量、序列、结构、表达和功能上具有多样性。肿瘤的发生、发展是一个多因素、多阶段的发展过程，但其确切病因和发病机制尚不明了。miRNAs的发现和相关研究为进一步阐明肿瘤的发病机制提供了重要依据。miRNAs在正常组织和癌症组织中的表达谱不同，而且每种癌症的表达谱有区别。多数miRNAs基因位于或靠近与肿瘤形成相关性脆弱基因位点，导致参与miRNAs加工过程的关键蛋白发生改变，以及miRNAs前体上的突变或多态性影响miRNAs的加工成熟等。
研究表明，miRNAs的异常表达与肿瘤的发生、浸润、转移、临床分期、耐药性及预后等都有密切的关系。Ueda等对 353 例胃癌组织及相对应胃正常上皮组织的microRNA 表达谱进行了分析，miR-125b，miR-199a和miR-100与胃癌的进展相关，而let-7和 miR-433的低表达则是胃癌的危险信号，包括更容易浸润、淋巴结转移和预后更差等。let-7负调控原癌基因RAS的表达，在青少年单核细胞白血病中发挥抑癌基因的作用。miR-21在胃癌、乳腺癌、结肠癌、肺癌、前列腺癌和胰腺癌等肿瘤中表达都有增强，参与多种不同肿瘤的形成。miR-34，miR-15/16a，miR-145，miR-29，miR-26，miR-30和miR-146a等则可调节肿瘤的浸润、转移。
肿瘤的发生是表观遗传调控和基因异常改变等多方面综合作用的结果，其中表观遗传主要通过DNA 甲基化和组蛋白修饰两种方式发挥作用，可以导致染色质重塑、基因异常活化或沉默及非编码RNA表达异常等，从而影响肿瘤的生物学行为。
DNA甲基化是指由S-腺苷甲硫氨酸（SAM）提供甲基，在DNA甲基转移酶（DNMTs）作用下，将胞嘧啶和鸟嘌呤（CpG）二核苷酸 5'端的胞嘧啶转变为 5'-甲基胞嘧啶。生理情况下，基因上游调控区的启动子区 CpG岛（富含 CpG 的序列）多处于非甲基化状态，而散在基因组中的 CpG二核苷酸则为甲基化状态，这有助于维持基因组的稳定性。研究证实肿瘤细胞中DNA甲基化异常改变普遍存在，常见形式包括抑癌基因启动子高甲基化导致其表达抑制，基因组整体水平低甲基化及癌基因的甲基化不充分等。
组蛋白是组成真核细胞染色体中核小体的重要结构，其N末端可被乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等修饰，影响基因的转录活性。其中组蛋白乙酰化由组蛋白乙酰基转移酶（HATs）和组蛋白去乙酰基酶（HDACs）相互协调完成，在维持组蛋白的功能和调控DNA 转录过程中发挥重要作用。在肿瘤细胞中，组蛋白H3、H4脱乙酰化等可使抑癌基因表达沉默，大量组蛋白修饰还提示前列腺癌复发的可能。
研究显示组蛋白低乙酰化和组蛋白甲基化可协同作用，通过表观遗传修饰的方式参与肿瘤的形成。
1. miRNAs与DNA甲基化的相互调控
在肿瘤组织中，CpG岛过度甲基化可使具有肿瘤抑制功能的miRNAs 表达沉默。Weber等于 2007年发现肿瘤相关miRNAs的表达受其基因启动子区CpG岛的甲基化水平的调节，而约50%的miRNAs的基因启动子区含有CpG岛。在结肠癌细胞 HCT116中，miRNA-124a因其CpG岛超甲基化而表达沉默，其通过细胞周期依赖性蛋白激酶6（cyclin-dependent kinase 6，CDK6）影响细胞周期和分化，CDK6还可调控抑癌基因 Rb（retinoblastoma）的磷酸化。Toyota等研究发现 ，DNA甲基化可调节结直肠癌中miR-34b/c 的表达，间质上皮转化因子（mesenchymal epithelial transition factor，MET）、细胞周期蛋白依赖激酶4（cyclin dependent kinase 4，CDK4）和剪切因子，精氨酸/色氨酸富集的剪切因子2（splicing factor arginine/serine-rich 2，SFRS2）作为miR-34b/c的靶基因都与P53调节网络有关，由此途径miR-34b/c可促进肿瘤的发生、发展。此外，miR-9、miR-34b/c 和 miR-148a等miRNAs的甲基化还与肿瘤的淋巴转移密切相关。
然而，DNA低甲基化也可诱导肿瘤形成。miRNAs也可通过别的途径影响表观遗传，miRNAs常直接或间接作用于DNMTs来调节DNA甲基化水平。研究发现，miRNA-29家族（包括miR-29a，miR-29b和miR-29c）通过直接调节DNMT3a和DNMT3b的表达影响细胞甲基化。在黑色素瘤中miRNA-29c和DNMT3b都与肿瘤的进展密切相关，并且可作为判断预后的表观遗传生物标记物。miRNA-290簇通过靶基因Rbl2间接调节DNMTs的表达，导致基因组水平甲基化的改变，还影响端粒的重组和延伸。
2. miRNAs与组蛋白修饰的相互调控
与DNA甲基化相似，组蛋白修饰和miRNAs之间也存在复杂的调节关系。乙酰化是组蛋白修饰最重要的方式之一，其通过改变染色质结构，促进转录因子与DNA链结合，启动基因表达。组蛋白去乙酰化酶4（HDAC4）受miR-22调控，在肝细胞癌中miR-22表达下降，导致HDAC4的作用增强，促进了肿瘤的发生、发展。Noonan等发现miR-449a在前列腺癌组织中表达抑制，其通过直接作用于HDAC1可以在一定程度上调节细胞的生长和生存能力。而在急性淋巴细胞白血病（acute lymphoblastic leukemia，ALL）细胞中，用HDAC抑制剂可导致31种miRNAs表达上升和10种miRNAs表达沉默。
3. DNA 甲基化和组蛋白修饰可以协同调控
miRNAs的表达：DNA甲基化和组蛋白修饰并不是完全孤立存在的。Bandres等在结直肠癌（CRC）中发现5种miRNAs表达下调，均位于CpG岛上及其周围，利用DNA甲基化抑制剂和HDAC抑制剂可在CRC细胞系中恢复其中3种 miRNAs 的表达。可见，在CRC中 miRNAs的表达沉默是异常DNA甲基化和组蛋白修饰共同作用的结果。在恶性前列腺癌中，miR-101的表达明显下降伴随组蛋白甲基转移酶EZH2表达上升，而EZH2通过调节基因启动子组蛋白H3的赖氨酸27（H3K27）甲基化参与表观遗传调控，促进肿瘤的发展。还有研究证明miR-124a高甲基化常伴随如组蛋白H3和H4的乙酰化、H3-K4的三甲基化等基因活化相关的组蛋白标记物缺失和转录抑制子甲基-CpG结合域蛋白（MBDs）占位。
在肿瘤治疗中，大量研究证明，肿瘤相关的miRNAs可作为基因治疗的新靶点，而且miRNAs表达谱变化的监测为肿瘤预后提供重要参考。敲除（knock out）或敲减（knock down）癌基因型miRNAs和引入（knock in）抑癌基因型miRNAs是其基因治疗的主要方法。在胃癌和结直肠癌细胞中过表达miR-451能抑制细胞增殖并且增加癌细胞对放疗的敏感性，因此，调控miR-451可应用于胃肠癌的治疗，提高放化疗有效性。
表观遗传是可逆的，可以通过改变肿瘤中DNA甲基化和组蛋白修饰水平等使某些关键的抑癌基因表达得到恢复，达到治疗肿瘤的目的。这为肿瘤治疗提供了新的方向，即利用染色质修饰药物激活肿瘤抑制性miRNAs，下调其靶基因，最终抑制肿瘤的形成。DNA甲基转移酶（DNMT）抑制剂的典型代表为5-氮-脱氧胞苷（5-Aza-dC），可与DNMTs不可逆结合并抑制其活性，从而使因高甲基化被沉默的抑癌基因重新激活，在一定程度上起到抗肿瘤作用。而组蛋白去乙酰化酶抑制剂（HDACI）也是肿瘤治疗的一种方法，HDACI对肿瘤细胞有相对特异性，主要通过阻滞细胞周期，促分化及诱导凋亡等途径发挥抗肿瘤作用。DNMT抑制剂和HDACI对肿瘤的治疗具有协同作用，两者联合使用可更好地抑制肿瘤生长，减少不良反应，降低耐药性等。Saito等用DNMT抑制剂和HDACI能诱导具有肿瘤抑制功能的miR-127高表达，癌基因Bcl-6是一种转录抑制因子调控P53信号通路，前者作为miR-127的靶基因表达则相应下调，从而达到治疗肿瘤的目的。其他研究也显示，这种方法对多种肿瘤都有治疗作用。
miRNAs 与表观遗传调控之间复杂的调控和作用关系决定了对该领域的深入研究具有广阔的发展前景。肿瘤的发生是多种因素共同作用的结果，miRNAs可调控多种靶基因及相应信号通路，作为治疗靶点比起传统治疗方法具有独特的优越性。虽然对miRNAs与表观遗传调控相互关系机制的研究缺乏完全足够的了解，但是通过改变基因表现特征调节miRNA表达水平的变化或者通过改变某些miRNA的表达引起基因表观遗传的变化进而直接影响肿瘤的生物学行为都无疑是良好的临床治疗思路。目前，该治疗思路尚有许多技术难题有待攻克，某些药物如DNMT和HDACI在防治肿瘤的同时也可能影响基因组的稳定性并造成其他组织癌变的可能，而稳定安全地改变细胞中miRNAs的表达方法尚未建立。因此，这种方法用于临床治疗还需明确起主要作用的表观遗传改变及其主要作用靶点并探索安全有效的生物技术手段。相信随着研究的不断深入和技术难题的攻克，miRNAs在肿瘤表观遗传调控方面会取得重大发展。