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病变细胞的DNA甲基化、组蛋白修饰、ncRNA和染色质相关蛋白的表达模式通常与健康细胞不同，凸显了表观遗传调控在大多数人类疾病中的重要性。关于人类疾病的大部分表观遗传学知识最初是从癌症中获得的，目前人们对理解表观遗传修饰在其他人类疾病中的作用越来越感兴趣。
癌症是由于细胞恶性增殖并且生长失去了控制，从而引起的一种复杂的疾病。目前全球均致力于研究其发生发展的机制，期望寻找到有效的治疗方法，但由于其发病较为复杂，迄今尚未完全阐明。癌基因和抑癌基因的基因改变被认为是引起癌症的原因之一。癌症基因组图谱（the cancer genome atlas，TCGA）阐述了与癌症相关的分子变化，并且揭示了与癌症相关基因突变包括染色体的重排以及拷贝数变异。最近，越来越多的研究表明癌症与表观遗传修饰密切相关，因此通过调控表观遗传修饰重置细胞状态，从而更好地预防、治疗癌症，这将是人类抗癌史上的一座里程碑。癌症相关的表观遗传学修饰主要包括DNA甲基化、RNA甲基化、组蛋白修饰、染色质三维结构以及ncRNA等。
DNA甲基化的异常与疾病紧密相关。与正常细胞相比，癌细胞中的整体DNA甲基化程度较低，并且随着恶性程度的增加，其甲基化程度会进一步降低。甲基化程度低导致染色体重组和易位增加、转位子失调，导致染色体不稳；并且原癌基因的异常激活也与低甲基化状态相关。DNA低甲基化使得促癌基因的表达增加，进一步加剧了癌症的发生发展。此外研究发现DNA低甲基化在癌症早期阶段和终末期阶段均有发生，与癌症的发生发展以及预后密切相关，可以成为预防、早期诊断和治疗的重要靶点。在DNA整体低甲基化的状态下，存在局部高甲基化。与DNA高甲基化相关的基因包括抑癌基因和细胞周期、信号通路关键检查点、DNA损伤修复和血管生成相关的基因；由于DNA高甲基化使得这些基因表达沉默或丧失相关功能，加剧癌细胞的增殖、迁移和侵袭能力，这是癌症发生发展的重要机制。所以，DNA甲基化所引起的表观遗传学的改变是癌症发生发展的重要组成部分。
m 6 A在不同组织、细胞系和时空模型中的修饰是一个复杂的调控网络，当m 6 A甲基化发生紊乱时，机体将会发生一系列的变化，导致疾病的发生以及耐药现象。研究表明m 6 A甲基化修饰与癌症具有许多潜在联系，且对其发生发展具有重要作用，为癌症的早期诊断和治疗提供了更多可能性。m 6 A甲基化对于癌症是一把双刃剑，缺乏或增加特定基因的m 6 A都可能导致肿瘤的发生发展。降低胶质母细胞瘤干细胞（glioblastoma stem cell，GSC）ADAM19的m 6 A甲基化水平可以增加ADAM19表达水平，从而促进GSC的增殖，并最终导致胶质母细胞瘤的发生。肿瘤抑制因子细胞因子信号转导传送阻抑物2（suppressor of cytokine signaling 2，SOCS2）的m 6 A甲基化修饰增加导致SOCS2降解，从而促进肝细胞癌的发展。在急性髓细胞性白血病中，去甲基化酶脂肪和肥胖相关蛋白（fat mass and obesity-associated protein，FTO）的过表达使得m 6 A水平降低，下调锚蛋白重复序列和细胞因子信号转导传送阻抑物2（ankyrin repeat and suppressor of cytokine signalling box containing protein 2，ASB2）和维甲酸受体α（retinoic acid receptor alpha，RARA）的表达水平，促进白血病的发生。烷基化修复同源蛋白5（alkB homolog 5，ALKBH5）为m 6 A去甲基化酶，敲低ALKBH5明显减弱恶性胶质瘤细胞的增殖能力。另有研究表明m 6 A可能成为放疗或化疗的新靶标。在进行紫外线辐照时，m 6 A以剂量依赖性的方式出现在U2OS骨肉瘤细胞DNA损伤位点，且响应值在辐照2min后达到峰值，此后逐步降低；敲除甲基转移酶METTL3可降低DNA损伤。在结直肠癌患者中，METTL3在mRNA及蛋白质水平上均显著上调，且高表达METTL3的患者化疗效果差，整体生存率较低，当敲除METTL3后发现肿瘤体积减小，且肿瘤的生长速度减缓，表明METTL3在肿瘤中扮演着重要角色，而METTL3作为m 6 A甲基化修饰的调控酶，通过它可以改变m 6 A的水平。另有研究报道，敲低ALKBH5后亦能提高生存率。所以，m 6 A甲基化水平对于癌症患者化疗具有重要意义。
异常组蛋白修饰常发生在包括癌症在内的许多疾病中。异常的组蛋白修饰可能是由基因突变、易位或表达失调引起的。组蛋白修饰与抑癌基因启动子、CpG甲基化的特异组合密切相关。组蛋白乙酰化可以中和带正电荷的赖氨酸侧链，并使DNA结构更加开放，以促进转录因子和其他蛋白质的结合，实现基因表达。组蛋白乙酰化与肿瘤分期、浸润和淋巴转移有关，如HDAC4可通过抑制p21促进胃癌的进展，组蛋白H4在胃组织中乙酰化水平较低。研究表明HAT具有肿瘤抑制功能，HAT活性失调可能会导致癌症的发生及发展。但是HAT的过度表达同样也可导致癌症的发生。同时，HDAC的异常表达也可导致癌症的发生发展。
染色质三维结构与癌症的发生发展具有密切的联系。在正常细胞和癌细胞中都存在拓扑相关的域，这表明染色体在很大程度上被折叠，并且它们在癌细胞的核内保留了物理位置。同时H3K4me3的存在可能有助于在正常细胞和癌细胞中定义TAD。癌细胞和正常细胞染色质的整体三维空间结构相似，但是存在许多细微的差异。例如，癌症中TAD较小，且这些较小的TAD通常位于常规TAD体系结构内，而不是形成新的TAD。实际上，在正常细胞中存在的大多数域边界也存在于癌细胞中。并且在较小的TAD中发生了新的癌症特异性相互作用，这些癌症差异相互作用在增强子、启动子和CTCF占据的基因组区域中富集，癌症的差异相互作用可能解释了癌细胞独特的表观遗传程序，比如增强子动力学在调节正常细胞与癌细胞之间的差异局部相互作用中起作用。研究表明骨髓瘤细胞中的拓扑结构比正常细胞多且其长度比正常细胞的短，并且在TAD处容易发生对拷贝数变异断点，这些对拷贝数变异有助于形成新的拓扑相关结构域从而影响基因的表达，表明三维结构影响了骨髓瘤细胞相关基因的表达。异柠檬酸脱氢酶1（isocitrate dehydrogenase 1，IDH1）产生的异常代谢废物通过调控染色质的三维结构从而驱动癌症，如脑胶质瘤中，突变基因IDH1与拓扑相关结构域有相关性。
若核小体重塑发生突变则可能引起多种癌症（如卵巢癌和膀胱癌）的发生，表明重叠性双核小体可调控相关基因的表达从而引发癌症。此外核小体定位与DNA甲基化是密切相关的，在基因转录起始位点附近两者互斥。
ncRNA在恶性肿瘤的发生、发展中发挥了重要的作用。2002年，Calin等发现miR-15a/16-1的缺失在慢性淋巴细胞白血病十分常见，首次阐明了ncRNA与恶性肿瘤的关系。此后，众多的研究发现ncRNA，尤其是miRNA，可调控恶性肿瘤发生、发展的多个步骤。ncRNA在恶性肿瘤中的表达发生异常变化，而异常变化的ncRNA可调控恶性肿瘤的增殖、凋亡、代谢、侵袭和转移。ncRNA还可以参与调控基因组的稳定性和CSCs的形成，参与调控恶性肿瘤的发生。ncRNA在恶性肿瘤中的差异表达，提示ncRNA可作为肿瘤诊断的标志物。而ncRNA对CSCs的调控表明其可导致肿瘤耐药性的形成，因而开发针对ncRNA的药物可为肿瘤的治疗提供新思路。
DNA甲基化是免疫学中研究最多的表观遗传修饰方式，也是免疫系统分子网络的源头。与肿瘤细胞的DNA（与正常组织相比）发生的全基因组低甲基化类似，经典的自身免疫性疾病以全基因组整体甲基化为特征：如系统性红斑狼疮（systemic lupus erythematosus，SLE）会产生一系列抗体而导致多器官的炎症和损伤；类风湿性关节炎是一种慢性系统性自身免疫性疾病，主要引起关节的发炎和损伤。T细胞中的DNA低甲基化是如何诱导SLE尚不清楚。有研究认为去甲基化可以引起整合素黏附受体过表达，导致自身反应性应答。在全基因组水平，鉴定DNA低甲基化调控的基因将有助于理解这些自身免疫性疾病，并发现治愈SLE的有效方法。目前已经报道了表观遗传学调控很多免疫疾病，包括表观遗传沉默的ABO血型基因、人类白细胞抗原（human leukocyte antigen， HLA ）基因和恶性黑色素瘤抗原编码基因（melanoma antigenencoding gene， MAGE ）家族。在大部分细胞中，由于CpG岛甲基化， MAGE 基因表达通常被抑制；但在多种肿瘤内，由于CpG岛去甲基化， MAGE 基因可能被表达，起到能够被细胞毒性T细胞识别的抗原作用。肿瘤学、免疫学、生物医学和科学领域均报道过特异性基因组DNA甲基化水平的异常。表观遗传调控控制着神经分化和记忆巩固、学习或认知等重要的过程。因此，许多神经退行性疾病与表观遗传调控失调有关。脑部特定基因的5mC和5hmC谱变化与阿尔茨海默病的进展有关。在阿尔茨海默病患者脑样本中，双特异性磷酸酶22（dual specificity phosphatase 22，DUSP22）（负责异常磷酸化tau蛋白的去磷酸化）的启动子区高甲基化，导致其表达下调。而且，在阿尔茨海默病患者体内发现：前额叶皮层中，参与神经功能的基因——脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor， BDNF ）和 CREB 的启动子区高甲基化；颞叶皮质和额叶皮质中，miR-106b和miR-153（多个靶点之一，是淀粉样蛋白mRNA）分别下调。另外，DNA甲基化异常也可以引起世界死亡率最高的心血管疾病，如动脉粥样硬化病变中CpG岛的异常高甲基化。
表观遗传因素的可逆性，特别是它们作为基因组和环境之间的中介的作用，使它们成为令人兴奋的候选治疗靶点。目前，已经在不同的实验系统中，评估了表观遗传调控酶作为药物靶点，改善疾病表型的潜力。治疗性试验表明，HDAC抑制剂可以改善神经性和精神性疾病，包括亨廷顿病、帕金森病、焦虑和情绪障碍以及鲁宾斯坦-泰比综合征（Rubinstein-Taybi syndrome）和雷特综合征（Rett syndrome，RTT）；改善其中的突触可塑性、认知和压力相关行为的缺陷。SLE患者的CD4 + T细胞中，也发现异常的组蛋白修饰模式，与特异性基因表达相关；HDAC抑制剂能够显著逆转这些特异性基因的表达。
染色质结构调控酶的编码基因异常可能导致染色质凝聚失常，并最终导致基因转录失调和异常蛋白表达。本部分旨在扩展与表观遗传调控相关的、肿瘤以外的遗传性疾病。这些疾病的表型也有助于阐明不同的染色质蛋白在细胞增殖和分化中的作用，包括与染色质重塑因子改变、DNA甲基化功能复合体成分改变以及组蛋白修饰子异常相关的疾病。
ATR-X综合征患者具独特的颅面部特征、生殖器异常和发育严重迟滞（张力减退、精神迟缓）。一些ATR-X综合征病例患有轻度α-地中海贫血病，但α-地中海贫血并不是本病的特征性病变。 ATRX 基因是ATR-X综合征的相关基因，编码SNF2家族解旋酶/ATP酶中着丝粒位点异染色质结合蛋白。着丝粒位点的ATRX蛋白对于维持有丝分裂中期Ⅱ两极纺锤体形态，以及在减数分裂过程中建立正确的染色体排列不可或缺。研究证明它的活性与表观遗传修饰相关，如DNA甲基化和组蛋白去乙酰化修饰。
虹膜视网膜缺损、心脏畸形、后鼻孔闭锁、成长及大脑发育迟缓、生殖器和/或泌尿道畸形，以及耳发育异常和/或耳聋（coloboma of the eye，heart anomaly，choanal atresia，retardation of mental and somatic development，genital and/or urinary abnormalities，and ear abnormalities and/or deafness，CHARGE；OMIM#214800）综合征在新生儿中的平均发病率约为1/8 500~1/12 000。这是一种常染色体显性遗传疾病，具有遗传表型多样性。大多数病例是由于ATP依赖性染色质重塑酶中染色体解旋酶的DNA结合域家族成员的突变或缺失，并最终导致这种调控染色质结构和基因表达的蛋白质的改变。
CSB患者表现为发育不良、身材矮小、早衰、神经病性改变、光敏感增加、乳齿延迟更换、恒牙先天性缺失、假性巨牙症、牙槽突萎缩和龋齿。CSB是一种常染色体隐性遗传性疾病，由切除修复交叉互补组6（excision repair cross-complementing group 6， ERCC6 ）基因突变引起。ERCC6蛋白具ATP酶活性，是核苷酸切除修复（NER）通路中的一部分；NER通路是可以消除多种DNA结构病变（包括紫外线引起的二聚体和DNA交联作用）的复杂系统。
SIOD是一种常染色体隐性遗传疾病，诊断特征包括：自儿童期开始的生长发育迟缓、肾衰竭、复发性感染、大脑梗死和缓慢进展性免疫缺陷，如T细胞免疫缺陷和皮肤色素沉着。SMARCAL1是SWI/SNF复合体的组成部分，而 SMARCAL1 基因突变是本病发病原因。
ICF综合征的特征包括免疫缺陷，1号、9号和16号染色体着丝粒不稳定性，以及面部异常。ICF综合征患者的面部异常表现为眼距过宽、耳位过低、内眦赘皮和巨舌症。ICF综合征患者血清免疫球蛋白水平不同程度降低，因此感染性疾病导致了大部分患者未成年夭折。这是一种罕见常染色体隐性遗传疾病，以不同严重程度的染色体异常为突出表现。本质上，它包括1号、9号和16号染色体着丝粒旁异染色质形成，体细胞染色体臂之间重组增加，并形成多枝构象的明显倾向。ICF综合征表型的细胞遗传学异常与经DNMT抑制剂5-氮杂胞苷（5-azacytidine）或5-氮杂脱氧胞苷（5-azadeoxycytidine）处理的正常的前B淋巴母细胞样细胞系中发现的去凝集作用非常相似，表明在ICF综合征中基因组的DNA甲基化起到重要作用。事实上，约40%的ICF综合征患者中发现 DNMT3B 基因突变， DNMT3B 编码一种从头合成的DNA甲基化转移酶，作用于富含CpG的卫星DNA。因此，从生物化学角度来看，ICF综合征具有异染色质区域CpG位点低甲基化的特点。
RTT是一种神经系统发育严重失常的疾病，主要发生于女性，新生儿中的平均发病率约为1/15 000。临床表现为出生6~18个月生长发育停滞、获得性技能丧失、语言能力和常规活动能力（常见于手部）丧失、头小畸形、癫痫发作和精神发育迟滞。罕见情况下，RTT可发生于具体细胞嵌合或多余X染色体的男性患者。70%~80%的典型RTT患者中发现 MeCP2 基因编码区域的突变，其余病例则是源于 MeCP2 基因的大段缺失、 MeCP2 基因非编码区的突变以及其他基因的突变。具有婴儿期痉挛症状的非典型的RTT可能与类细胞周期蛋白依赖性激酶5（cyclin-dependent kinase-like 5， CDKL5 ）基因突变相关。 MeCP2 基因编码一种优先结合甲基化的CpG岛的蛋白质，继而通过招募HDAC、组蛋白甲基转移酶和多梳蛋白抑制转录。此外，RTT患者还可能含有异常染色质二级结构，可广泛影响未突变基因的表达。研究已提出，RTT患者中 MeCP2 异常导致在神经系统中正常情况下沉默的基因异常上调，如 BDNF 基因或印记基因。RTT患者中 MeCP2 基因的关键性作用使得利用 MeCP2 基因来进行早期诊断和产前筛查成为可能。并且，表观遗传调节在RTT的发病机制中的重要作用为治疗提供了更多的机会。
CLS是X染色体连锁性疾病，在男性患者中的症状较女性更加严重。CLS男性患者常表现为重度至极度精神发育迟滞和生长发育迟缓，但女性患者可能完全无症状，或极度轻微。可能观察到其他特征，如骨骼畸形、独特的面部特征、头小畸形和手掌柔软、短锥形手指等。新生儿中CLS的发病率为1/40 000~1/50 000，它是由核糖体蛋白S6激酶（ribosomal protein S6 kinase， RSK ）基因突变引起RSK参与丝裂原活化蛋白激酶级联反应（mitogen-activated protein kinase cascade），刺激细胞增殖（细胞周期的G 0 和G 1 期之间的转换）和分化。RSK2负责转录因子CREB和组蛋白H3的磷酸化，是表皮生长因子响应丝裂原刺激的机制之一。对从患者血液中直接提取的淋巴细胞进行 RSK2 mRNA和蛋白表达的分析发现，一个假定的磷酸化位点发生突变对 RSK2 的活性至关重要。这两种方法都是快速实用的CLS诊断技术。
RSTS是一种常染色体显性遗传疾病，临床特点包括智力发育迟缓、阔拇指巨趾、面部异常和身材矮小。RSTS患者发生肿瘤的危险性增加，特别是先天性青光眼。新生儿中平均发病率是1/100 000。几乎全部RSTS病例均发现编码转录共激活因子CREB结合蛋白（CBP）的基因有突变，小部分RSTS病例发现 EP300 基因突变。CBP和EP300都是组蛋白乙酰转移酶，组蛋白乙酰转移酶丢失与RSTS直接相关，说明RSTS是由于染色质异常调节引起的。
Sotos综合征是著名的常染色体显性遗传的过度生长综合征，临床表现为儿童期的身体发育显著增长、骨龄提前、头颅巨大、特殊面容和不同程度发育迟缓，其他可能的临床特征还包括心脏和肾脏畸形，癫痫和脊柱侧弯。Sotos综合征患者肿瘤发生的风险平均为2%~3%，高于一般人群。最常见的肿瘤类型是白血病和淋巴瘤，但也有神经嵴肿瘤、小细胞肺癌和骶尾部畸胎瘤。Sotos综合征是由于包含核受体结合的SET区域蛋白1（ NSD1 ）基因单倍剂量不足引起的。约90% Sotos综合征患者中 NSD1 功能缺失可由多种基因突变造成，如截断突变、错义突变、染色体5q35中包含 NSD1 基因的巨大缺失（macrodeletion）和微小缺失（microdeletion）或引起 NSD1 与核孔蛋白98（nucleoporin 98， NUP98 ）融合的t（5；11）（q35；p15.5）易位。 NSD1 含有一个SET结构域，具有内在组蛋白甲基转移酶活性，特异性针对H3K36和H4K20，这些均为染色质结构和基因功能的表观遗传学标志。
DiGeorge综合征是一种复杂的疾病，其特征包括学习障碍、特征性面部特征、黏膜下腭裂、心脏缺陷、胸腺功能障碍、新生儿低钙血症、精神疾病以及T细胞缺乏引起的感染易感性。DiGeorge综合征是由包含DiGeorge综合征临界区基因8（DGCR8）的染色体22q11.2的缺失引起的。该区域包括一个双链RNA结合蛋白，这是miRNA成熟过程中处理pri-miRNA释放pre-miRNAs所必需的。DGCR8转基因小鼠模型显示了大脑中一系列miRNA的生物发生变化，导致树突状形态和记忆缺陷的改变。此外，DGCR8缺乏与细胞增殖减少和血管平滑肌细胞活力降低有关，而这与miR-17/92簇和miR-143/145簇的废除有关。
MNG疾病中的 DICER 突变，常染色体显性遗传性MNG是一种疾病，其特征是 DICER 中的杂合突变导致甲状腺结节性过度生长。 DICER 编码miRNA处理所必需的一种RnaseⅢ家族核酸内切酶，其突变也与胸膜肺母细胞瘤有关。与对照图谱（即Let-7a和miR-345）相比，MNG患者的 DICER 突变与miRNA改变有关；进而导致基因表达模式的失调。
肌萎缩侧索硬化10型伴有或不伴有额颞叶变性是一种常染色体显性遗传疾病。它是一种神经退行性疾病，可导致致命的瘫痪和呼吸衰竭。据报道，半数患者携带TAR DNA结合蛋白43（TAR DNA-binding protein， TARDBP ）杂合突变，编码miRNA相关的TARDBP蛋白。 TARDBP 的去除对细胞核有两种结果：前体miRNA丰度的增加和premiRNA在细胞质中的保留。同样，体外细胞模型中TDP43的缺失降低了特异性miRNA（miR-132-3p和miR-132-5p）的表达。
表观遗传学在疾病诊断中的应用，主要体现在癌症中，例如DNA甲基化缺陷和异常的组蛋白修饰，在整个肿瘤形成的自然过程中进行调控，并在早期发作，进展以及最终复发和转移中被检测到改变。鉴定和使用这些表观遗传标记来识别高危患者人群，完善诊断标准并提供预后和指导治疗决策具有越来越大的临床意义。此外，表观遗传修饰的靶向性为其作为治疗途径提供了可能，并为具有这些表观遗传异常的恶性肿瘤患者提供了独特的治疗选择，为新的个性化医学指出了一个可行的方向。在这所有的表观遗传学修饰中，DNA甲基化已证明具有稳定性并且相对易于测试，因此在临床上具有更加重要的意义。
自从在恶性肿瘤中发现异常的DNA甲基化以来，过去几十年来，恶性肿瘤中的表观遗传学异常及其发生机制已成为癌症研究的一个重点。表观基因组的改变已被证明可以影响肿瘤形成、进展和治疗的每个步骤。而这些变化是癌症检测、诊断、分层和治疗干预的主要靶点。随着高通量测序技术的出现，仅需要非常少量的生物样品便能够测试患者的表观遗传状态。这为DNA甲基化作为癌症诊断的标准提供了必要的理论依据。
MLH1 启动子甲基化在关于结肠癌的文献中经常被提及；许多研究已经鉴定出数百种在原发性结直肠癌基因组中异常甲基化的基因，包括Wnt信号通路关键基因（ APC、AXIN2、DKK1、SFRP2、SFRP2 和 Wnt5A ）、DNA修复过程的成分（ MGMT 和 MSH2 ）、细胞周期相关基因（ CDKN2A 和 CDKN2B ）以及Ras信号级联（ RASSF1A 和 RASSF1B ）。
在结直肠癌的发生和发展中，这种特定癌症的DNA甲基化促使非侵入性结直肠癌生物标志物检测的发展。已经应用于临床的筛查结直肠癌的血液检测方法可测量异常甲基化 SEPT9 的存在，该基因参与细胞增殖的控制。坏死和凋亡癌细胞释放到外周血中的 SEPT9 基因可以被检测，报道表明结直肠癌患者血浆中异常甲基化 SEPT9 的检出率约为90%，且在有症状患者中，该测试显示出优于粪便免疫组织化学测试，在无症状患者中，该测试的敏感性和特异性低于粪便免疫化学测试，这提示我们需要进一步研究和完善检测技术以及仔细选择定义异常 SEPT9 甲基化检出阈值。尽管有数据支持将其用作诊断工具，但从大规模筛查的角度来看， SEPT9 甲基化状态仍仅推荐用于拒绝其他检查的患者进行补充检查。此外，粪便DNA分析是另一个具有前景的研究方向。与标准的粪便免疫化学测试相比，包括对 NDRG4 和 BMP3 甲基化状态以及其他结肠癌基因突变的靶向检查表现出了更高的检测效率。DNA检测手段可检出那些因遗传变异和表观遗传学改变的积累而导致的结直肠癌，为检出肿瘤特异性的病变提供了一种非侵入式检验工具，其检测敏感性已经达到了和结肠镜检查相当的水平。迄今为止限制这一技术推广的主要障碍是特异性较低，粪便特定位点的异常DNA甲基化检测假阳性率显著高于结肠镜检查中观察到的假阳性率。
基于前列腺特异性抗原（prostate specific antigen，PSA）筛查前列腺癌仍存在争议，对于前列腺癌的诊断必须减少任何不必要的活检或其他有创干预，基于这一困境提出了使用表观遗传状态作为标记检测前列腺癌的方法。在多达90%的前列腺癌病例中发现谷胱甘肽S-转移酶Pi 1（glutathione S-transferase Pi 1，GSTP1）的CpG岛序列存在异常甲基化，并且在对血浆、血清或尿液进行检测时，其特异性比传统PSA筛查高得多，可以被用来辅助PSA的检测，而且 GSTP1 启动子DNA甲基化水平已经在良性前列腺增生和不同等级腺癌之间表现出了一定的区别。除 GSTP1 外的两个基因—— RARβ2 和 APC 的甲基化也表现出了在前列腺癌诊断中的前景，尿液样品中这三种标记物的检测将诊断准确性从仅检测总血清PSA的51.7%提高到了61.7%，针对这三个基因添加甲基化特异性分析可以提高诊断准确性。
胰腺癌的早期诊断仍然是现阶段临床上的一个困境，DNA甲基化分析可能有助于早期诊断并降低胰腺癌的死亡率。有研究表明，对循环血液DNA进行甲基化的研究可以识别出胰腺腺癌患者。通过检查基因 BMP3、RASSF1A、BNC1、TFPI-2、APC、SFRP1 和 SFRP2 的甲基化状态可以预测胰腺癌，且诊断的预测准确性与肿瘤的分期无关，这表明循环血液DNA甲基化状态的检测可能有助于胰腺癌的早期诊断。
一些无法确定原发病灶的转移性肿瘤对于肿瘤的临床诊断提出了独特的挑战，这些肿瘤患者在经验性化学疗法治疗的中预后不良。基因表达谱分析已试图通过协助隐匿性肿瘤分类来回应这一挑战，其中一种新的区域DNA甲基化指标——甲基化单倍型区域，被证明具有组织特异性，并且能够帮助肺转移癌或结直肠转移癌患者准确定位起源组织。在隐匿性恶性肿瘤的背景下，DNA甲基化状态是协助选择化疗方案的有用工具；而且DNA甲基化是一个相对稳定的表观遗传标记，它可能优于通过mRNA谱分析来鉴定肿瘤起源组织。
组蛋白修饰调控异常与人类疾病发生、发展密切相关，组蛋白修饰在人类疾病及药物研发中的作用也得到广泛的重视。随着组蛋白修饰调控的生化分子、细胞机制得到越来越清晰的阐明，人们将更好地理解和破译“组蛋白密码”并揭示其与人类疾病和健康的关系。组蛋白修饰调控靶向的创新药物发现和诊疗手段研发必将在疾病的现代精准医疗过程中大放异彩。
在乳腺癌患者中，高水平的H3K9ac与更好的无病生存率和转移特异性生存率之间存在相关性。此外，在特定基因（例如 FGF14、PAX3、DLX5、DLX6、MYT1、Hand2、Gata4 ）的启动子中观察到强H3K9ac信号。在乳腺癌的部分亚型中确定了 RUNX1 基因的H3K27me3富集，而RUNX1表达与预后不良相关。
现在人们已经认识到表观遗传异常实际上存在于所有形式的癌症中，并已被证明在某些情况下有助于风险评估、诊断、预后和治疗选择。尽管现有数据指出了DNA甲基化作为临床工具的实用性，目前其广泛应用限于少数肿瘤。表观遗传学状态的检测在推广之前仍然有许多问题需要解决。
大多数表观基因组修饰是可逆的，这意味着巨大的治疗潜力。因此，表观基因组学是现代生物学和生物医学领域最具创新性的研究领域之一，表观遗传学控制的分子标志可以用作医学干预和治疗的目标。
从正常细胞向癌细胞转化过程中，表观基因组也在进行重编程。癌细胞中活跃和抑制的染色质区域的定位可以提供更准确的预后，甚至可以促进治疗。例如，DNMT和HDAC抑制剂已被批准用于癌症治疗。此外，可以使用HDAC抑制剂治疗许多精神疾病，例如焦虑症和抑郁症。有趣的是，这些小分子抑制剂还能增强免疫治疗剂的疗效，例如阻断细胞毒性T细胞表面抑制性受体程序性死亡-1（programmed death-1，PD-1）和癌细胞表面抑制性受体细胞程序性死亡配体-1（programmed death ligand-1，PD-L1）也称为表面抗原分化簇274（cluster of differentiation 274，CD274）之间的相互作用。目前，免疫疗法是最有前途的癌症疗法，因为它利用了细胞毒性T细胞的免疫监视功能。PD-1诱导的信号转导级联会抑制免疫反应细胞的激活。阻断PD-1，可以消除其介导的免疫抑制反应。当细胞毒性T细胞重新开始生长和/或发挥效应功能时，这种免疫检查点阻断可以增强宿主的抗肿瘤免疫反应。此外，围绕DNA甲基化展开的研究是通过表观遗传学治疗肿瘤的一个热点。了解正常和异常DNA甲基化的细胞仍然是一个令人充满兴趣的领域，尤其是因为DNMT抑制剂是少数获得美国食品和药物管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准用于常规临床用途的表观遗传疗法之一。尽管诸如DNMT抑制剂5-氮杂胞苷和地西他滨等在多种恶性肿瘤中显示出不一样的结果，但是它们已经在骨髓增生异常综合征（myelodysplastic syndrome，MDS）中表现出了明确的治疗效果。目前MDS的治疗主要是通过支持治疗进行的，然而，有研究表明，即使在预后较差的患者中，用5-氮杂胞苷治疗也可以改善其生活质量并延长生存时间。DNMT抑制剂5-氮杂胞苷和地西他滨诱导编码主要组织相容性复合体（MHC）或肿瘤抗原的基因的表达，这增加了细胞毒性T细胞对癌细胞的识别和清除。此外，地西他滨增加了癌细胞对Ⅰ型干扰素生长抑制的敏感性，导致了“病毒模拟”，即DNA去甲基化激活癌细胞中内源性逆转录病毒元件的转录，从而导致双链RNA介导的免疫反应。T细胞的免疫检查点阻断与表观遗传介质（例如染色质修饰剂抑制剂）的组合提供了一种治疗癌症和慢性感染的更广泛方法。例如，在接受免疫检查点抑制剂治疗之前，霍奇金淋巴瘤患者接受了DNMT抑制剂治疗，他们的癌症完全缓解率（remission rate，RR）更高。
组蛋白修饰同样被研究用来治疗多种癌症。Zeste基因增强子同源物2（enhancer of zeste homolog 2，EZH2）主要负责H3K27的甲基化，多种肿瘤中 EZH2 的基因突变提示EZH2的致癌作用和抑癌作用并非绝对。组蛋白磷酸化与一种非RTK JAK2有关，JAK2经常在血液系统恶性肿瘤中扩增或突变。在核内，JAK2特异性磷酸化H3Y41，激活造血系统原癌基因（例如 Lmo2 ）的表达。许多针对激酶的小分子抑制剂在临床上被用作抗癌治疗方法，例如JAK2抑制剂，这些抑制剂导致这些酶产生的组蛋白修饰的总体减少，这些药物可以视为间接的表观遗传疗法。
ncRNA同样被用来研究作为肿瘤治疗药物的可能性。事实证明，基于RNA干扰的疗法是对抗多种疾病（包括癌症）的强大工具。科学家们正在研究开发安全有效的方案，以将血清中极易碎的小RNA分子递送至人体的靶器官和细胞，涉及可生物降解的纳米颗粒、脂质、化学修饰和结合。另一方面，已经研究了控制细胞生物学过程平衡的miRNA作为癌症治疗中治疗靶标的可能性。此外，我们关注于人类癌症中失调的miRNA，这些ncRNA在临床前试验中已作为治疗靶点取得了进展。RNA干扰技术的进一步发展和临床试验的进展将有助于实现核酸药物的实际应用。
表观遗传药物增加了正在进行临床前或临床试验的化合物的数量。涉及“写入器”“擦除器”和“读取器”，例如带有溴结构域或甲基结合蛋白的染色质重塑蛋白。肿瘤学是当前临床表观遗传学的主要研究方向，表观遗传学正在改变我们对癌症发生以及癌症分期和分类的看法。尽管对于某些癌症，这已经能够成为现实，但对于其他癌症，仍需要进一步的研究。揭示发病机制中涉及的表观遗传和遗传变化一直是一项艰巨的任务，目前迫切需要进一步加快从实验室到临床应用的转化，应用于诊断、预后和治疗反应评估。因此，在分子水平上了解复杂的疾病相关表观遗传变异的功能结果至关重要。表观遗传学修饰最明显的作用是改变基因表达。但是我们需要更深入地了解这一问题。医学领域大量的临床试验或临床前研究表明，在不久的将来，临床表观遗传学将远远扩展到癌症之外（图5-1）。
图5-1 表观基因组学对正常发育和疾病影响的实例
圆圈分别代表关键的表观基因组机制和主要相关因子。利用小分子抑制剂可以通过逆转失调的表观基因组学，例如HDAC抑制剂（HDACi）、DNA甲基化酶抑制剂（DNMTi）、SIRT抑制剂（SIRTi）、辅因子（例如SAM）、代谢物（α-keto-glutarate）、组蛋白赖氨酸甲基转移酶抑制剂（HKMTi）、BET抑制剂（BETi）、PARP抑制剂（PARPi）和组蛋白赖氨酸去甲基化酶抑制剂（KDMi）。