第一节 发育中的干细胞或祖细胞突变产生CSCs
干细胞通过不对称分裂产生一个子代干细胞和一个定向祖细胞，经历有限的分裂，产生特定组织。由于干细胞寿命长，很容易丧失对自我更新能力的稳态控制，发生癌性转化，变成CSCs。产生的CSCs也能够产生转化的祖细胞，其子代细胞发生生长、分化异常，导致肿瘤形成。与此同时，产生的CSCs保留了干细胞的自我更新特性，并能够在移植试验中产生新的肿瘤。越来越多的证据表明在特定环境下转化的祖细胞也可能获得干细胞特性（图3-1）。
下面我们将通过几个方面详细说明这一假说。
正常干细胞通常通过3个特征来鉴定：
形成同样的新干细胞的能力。具备亲代全部的增殖、扩增、分化能力，维持干细胞总量的恒定。
分化出不同子代细胞的能力。在一个渐进的过程中，产生细胞多样化和特定化，不断补充寿命短的成熟组织。
根据环境刺激和遗传约束调节、平衡分化及自我更新。
从上面的比较中我们可以看出，CSCs和正常干细胞均具有自我更新、分化潜能，并在代谢、信号途径、周期调节上具有相似性。而CSCs区别于正常干细胞的主要特点是对自我稳定调节的失控，表现出非正常的增殖和分化能力，从而具有了异质性，区别于正常干细胞。因此正常干细胞只要稍微发生突变导致自身稳态发生变化即可转变为CSCs。
分析细胞表面标记表明CSCs可能来源于成体干细胞。由于造血干细胞研究进展较快，因此白血病干细胞的分离和表面标记测定开始较早。研究发现，几乎所有白血病干细胞与造血干细胞一致，均为CD34+。如所有的急性单核细胞性白血病（除急性早幼粒细胞性白血病）干细胞都为CD34+CD38-。白血病细胞为CD34+CD38-Thy-1-。急性髓细胞白血病细胞频繁发生染色体易位（8；21），形成AML1-ETO嵌合转录物。患者缓解后骨髓中有一部分干细胞仍能合成AML1-ETO融合蛋白，但这部分干细胞及其子代不能诱发白血病，在体外能分化为正常的红细胞系，细胞表面标记也与正常造血干细胞几乎完全一致，为CD34+CD38-Thy-1+。说明易位最早发生于正常造血干细胞，突变在造血干细胞的亚群或子代中发生，导致白血病的发生。根据白血病干细胞的标记与正常造血干细胞的不同，突变大约发生于Thy-1的祖细胞或丢失Thy-1的造血干细胞。
动物实验发现，乳腺癌干细胞标记CD44+在幼稚细胞、祖细胞或干细胞中都是经常见到的；而在对乳腺癌患者的观察中证实，大部分患者的CSCs表型与正常干细胞表型相同的有，CK8+、14+、18+、Vimentin+和 EGFR+。对儿童脑肿瘤的研究表明，CSCs标记 CD133、musashi-1、Sox2、melk、PSP、Bmi-1 和 nestin，与神经干细胞完全一致。
这些都表明CSCs在细胞表面标记上与正常干细胞相似，CSCs可能来源于正常干细胞。
干细胞的异质性主要是指：①干细胞中具有不同细胞表面标记的细胞；②干细胞中具有不同阶段的细胞。
与干细胞相似，CSCs也具有异质性。乳腺癌干细胞是实体瘤中最早报道的CSCs。人乳腺癌干细胞可以通过CD44+CD24-/low、SP法、ALDH+和PKH26染色来富集。尽管这些不同方法富集的乳腺癌干细胞间的关系仍然不清楚，但这表明人乳腺癌干细胞表型上是不完全相同的。研究表明乳腺癌干细胞标记存在异质性，而且不同亚群之间、不同患者之间都存在异质性。乳腺癌干细胞可以通过不同的方法去富集，这也表明不同的方法界定的乳腺癌干细胞可能具有重叠。因此，可以通过组合的方法去富集乳腺癌干细胞。例如，尽管ALDH+和CD44+CD24-/low细胞具有一部分重叠，但同时包含两种干细胞标记的细胞似乎比只表达一种干细胞标记的细胞成瘤性更强。Meyer等的研究对这一现象提供了更多的证据。在ERα-的乳腺癌，CD44+CD24-和CD44+CD24+细胞均具有干细胞特性。然而，用CD44+CD49fhiCD133/2hi联合富集乳腺癌干细胞，结果获得了成瘤性更高的乳腺癌干细胞。乳腺癌干细胞是少有的既经历对称性分裂，又经历不对称分裂的CSCs。Cicalese等用染料PKH26保留/洗脱的方法，在ErbB2阳性的乳腺癌中发现乳腺癌干细胞中比通常的乳腺癌具有更高比例的对称分裂的乳腺癌干细胞。有趣的是，在正常乳腺干细胞中发现，当p53缺陷时，对称分裂增加，并且促进了乳腺癌的发生。
在脑肿瘤中，干细胞样的星形胶质瘤细胞可以通过细胞表面标记法来富集，如CD133、SSEA-1、EGFR和CD44，也可通过SP法和神经球传代法来富集星形胶质瘤干细胞。有趣的是，CD133作为脑CSCs标记具有明显的不确定性。在CD133+和CD133-脑肿瘤细胞中均发现了脑CSCs。在一些星形胶质瘤中CD133+的星形胶质瘤细胞没有表现出强的成瘤能力，而CD133-群体却表现出强的成瘤能力。另外，虽然有报道称CD133+和CD133-细胞间存在种系关系，但这两群细胞的细胞起源可能不同。陈等认为星形胶质瘤细胞中包含多种不同的CD133-细胞群体，这些细胞代表了CD133-细胞的不同分化阶段，一些CD133-细胞产生了侵袭性的包含CD133+和CD133-细胞的肿瘤，并可能通过对称分裂产生生长缓慢的CD133的肿瘤。
在结肠癌中，CD44+细胞似乎能一直用于富集结肠癌干细胞，并且CD44+EpCAM+的细胞用CD166进一步分选，得到的细胞成瘤率更高。ALDH也被用作结肠癌干细胞的标记，但ALDH+的结肠癌细胞仍然具有异质性，进一步用CD133或CD44富集能够明显提高成瘤能力。在前列腺也有类似的报道。
另外，即使是急性髓细胞白血病中的白血病干细胞，这种CSCs特征最明显的CSCs，也具有异质性。急性髓细胞白血病干细胞首次被报道时是具有CD34+CD38-的细胞群体。但10年后却发现CD34+CD38-细胞中真正的白血病干细胞非常少，并包含各种不同的具有自我更新潜能的细胞。在NSG鼠的异种移植试验中发现，白血病细胞比例非常小，但发现了其他异质性的肿瘤起始细胞，这些细胞不仅存在于Lin-CD38-细胞，而且在CD34-、Lin+、CD38+及CD45RA+的细胞中也有。
除了表型的异质性，肿瘤还具有等级的异质性，即肿瘤中也存在不同发育阶段的细胞。特定肿瘤内的CSCs可以形成不同的细胞类型。肿瘤可以被看做是没有功能的一个复杂机体。肿瘤异质性可以被看做为肿瘤起始过程中突变逐渐积累的结果。有证据表明原代肿瘤基因型决定了肿瘤祖细胞的所有表型。来源于原始CSCs的更成熟的肿瘤细胞起始细胞可能决定了下一代细胞的遗传特征并反过来变成新的CSCs，独立于原始的CSCs发育。实际上，分级的肿瘤起始群体和独立进化的肿瘤克隆都可能产生CSCs的异质性。
在早期肿瘤发生过程中，CSCs可能主要经历一种方式的突变，发育成肿瘤祖细胞，继而成为分化的肿瘤细胞。换句话说，发育中的肿瘤可能包含高成瘤性的未分化CSCs，这些CSCs最终将发育成各种表型的分化肿瘤细胞，这些细胞具有低的成瘤性或不具有成瘤性。但CSCs大多还是低分化或未分化状态的。例如在白血病干细胞中，成瘤性最强的部分仍然是未分化的Lin-CD34+CD38-细胞。在单个细胞形成干细胞球的试验中，干细胞球中包含多重类型的分化细胞。CD133+的结肠癌干细胞在体外能够多年保持未分化状态，但在体内情况下，它们能够产生各种分化状态的肿瘤细胞。这些表明未分化肿瘤细胞比分化的肿瘤细胞成瘤能力更强。另外，不像正常器官，肿瘤缺乏正常细胞的约束、调理性，在分化过程中发各种各样的缺陷，随后癌细胞表现出高的自发的形态学、表型和功能的不同（图3-2，图 3-3）。
综上，CSCs像正常干细胞一样也有表型和分化上的异质性。这也表明了CSCs可能来源于正常干细胞。
肿瘤进展被认为是肿瘤细胞发生亚群之间变异，也是肿瘤细胞亚群与宿主细胞之间相互作用的结果。例如，突变、扩增和DNA修复缺陷。来自各方面的因素最终造成正常干细胞的基因组发生变化，从而使得干细胞自我更新和分化能力出现异常，产生CSCs。Hedgehog是一个和细胞极性相关的基因，在细胞形态发生和分裂过程中起重要作用。作为一种形态相关蛋白，Hh诱导细胞以浓度依赖的方式分化。作为有丝分裂原，Hh驱动亲代细胞增殖，介导上皮和间质之间相互作用。在多种组织中发现，间质细胞和祖细胞对Hh敏感。与此相对，成熟上皮细胞对Hh没有典型的应答。目前已经鉴定出三种Hh配体，分别是Shh、Ihh和Dhh，以自分泌和旁分泌的方式发挥作用。在Hh配体缺乏的情况下，Patch（PTCH）、Hedgehog受体结合并抑制SMO，因此阻止靶基因转录。结合Hh配体到PTCH释放SMO并允许信号进一步的传播，通过3个gli转录因子，Gli1、Gli2及Gli3，导致靶基因转录。Gli蛋白通过位于靶基因内的共有序列直接调节靶基因表达。因此PTCH是一个负性调节因子，SMO是一个正性调节因子。有趣的是，在哺乳动物中，初级纤毛蛋白成分需要hedgehog信号的协同作用发挥作用。在Gorlin综合征或基细胞痣综合征中，Hh受体PTCH发生突变并丧失正常功能。Gorlin综合征患者有多种发育缺陷，增加了肿瘤的发生概率。比如可以发生基底细胞癌、髓母细胞瘤、卵巢纤维瘤、横纹肌肉瘤、脑膜瘤等各种肿瘤。大量散发的髓母细胞瘤和基底细胞癌也表现出高的Hh途径活性。在临床试验中，在患有基底细胞癌和髓母细胞瘤的患者，SMO抑制因子表现出潜在的抗肿瘤活性。在癌基因成瘤模型中，失活Hh途径导致细胞增殖紊乱，进而形成肿瘤。目前越来越多的证据表明Hh途径在许多其他实体瘤中激活，包括结肠癌、胰腺癌、乳腺癌、小细胞肺癌、肝癌等。体内外，Hh途径激活可以影响肿瘤的发生、发展。Thayer等人首先在胰腺癌中阐明了增加的Hh途径活性。Shh表达程度与导管上皮的不典型程度相关。Shh表达似乎限定在上皮中，在异常的上皮中，PTCH表达增加，周围的间质细胞存在自分泌和旁分泌信号。另外，用SMO抑制剂环杷明处理胰腺癌细胞，导致细胞增殖减低和凋亡增加，进一步支持了自分泌信号。在体内，环杷明处理胰腺癌细胞移植个体，导致肿瘤体积减小，表明Hh在细胞生存和增殖中具有重要作用。Li等用real-Time PCR表明，相对于正常胰腺上皮细胞，Shh转录活性在胰腺移植瘤中上调4倍，在D44+CD24+ESA+的胰腺癌干细胞中上调43倍。在胶质瘤和乳腺癌干细胞中Hh活性也已经被鉴定，调节这些细胞中Hh信号活性导致成瘤能力的下降和CSCs的剔除。这些表明Hh的表达与CSCs有一定的关联。
Bmi1是HSC和神经干细胞维持干细胞特性的必需基因。Bmi1抑制促进分化或死亡的基因是干细胞唯一能够成功维持干细胞特性的方式。在白血病小鼠模型中，Bmi1对白血病干细胞的持续增殖和自我更新具有非常重要的作用。当野生型小鼠骨髓细胞感染表达HoxA9和 Meis1的逆转录病毒，小鼠死于白血病。重要的是，这一现象要Bmi1发挥作用。但Bmi1突变的小鼠感染了表达HoxA9和Meis1的逆转录病毒后，白血病遗传到下一代小鼠。因此，Bmi1缺失，白血病细胞不能自我更新，最终停止复制。干细胞中打开Bmi1表达的基因和Bmi1抑制的靶基因，可能也参与了肿瘤的自我更新。例如，Sonic hedgehog信号，在脑和血液中参与干细胞的自我更新，能够调节原始神经干细胞或祖细胞中Bmi1的上调。与此同时，p19Arf、p16Ink4a及 Tp53等蛋白的基因负性调节Bmi1，是肿瘤抑制基因，可以阻止干、祖细胞中不合适的自我更新。对于肿瘤的发展，持续增殖是必需的。在正常干细胞中控制自我更新的分子途径，同样可以被白血病和其他恶性肿瘤中的CSCs所利用。因此，缺乏Bmi1时，白血病细胞不能自我更新并最终停止复制。确定Bmi1在干细胞中的决定作用的同时，我们也应该确定这一调节过程中其他关键调节因子。干细胞中启动Bmi1的基因和Bmi1抑制的基因也参与自我更新和癌症过程。例如，Shh信号已经被证明参与脑和血液干细胞的自我更新，在原始神经干细胞或祖细胞能够上调Bmi1表达。常见的与干细胞和肿瘤相关的主要信号途径，见图3-4。
细胞周期检验点机制缺陷，DNA损伤应答的突变也可能导致基因组不稳定，导致恶性转化。多种家族癌综合征是由于DNA损伤感知、识别和修复基因突变引起，比如运动失调性毛细血管扩张症、马方综合征、奈梅亨断裂综合征及范可尼综合征。这些基因编码蛋白激酶，如ATM和ATR及它们下游的效应激酶，Chk1和Chk2，也包括BRCA1和BRCA2等连接分子，这些分子可以传递信号导致不同的应答模式——修复、阻滞、凋亡。研究表明早期癌变的人细胞激活ATR/ATM调节的DNA损伤应答网络延缓或阻滞了肿瘤的形成。ATMChk2-p53途径等检验点的突变可能允许细胞增殖、幸存，增加基因组靶不稳定性导致肿瘤进展。
基因水平转移发生在吞噬或内吞过程中。水平基因转移包括三个步骤：第一，供体DNA进入受体细胞；第二，获得的基因整合入受体基因组；第三，整合的基因以对受体有利的方式表达出来。前两步可能通过转化、转导和接合作用实现。转化包括外源DNA的摄入并有将DNA从远处转移入细胞的作用。转导包括新的遗传物质通过吞噬体引入宿主细胞的作用。接合包括物理的接触，供体和受体细胞间，能够接到染色体序列的转移，通过质粒的方式。真核细胞体外DNA可以被从凋亡细胞转移到受体细胞，通过吞噬作用。包含完整EB病毒DNA的细胞共培养导致EB病毒DNA的摄入、转移并整合入吞噬细胞中。另外，在受体细胞中mRNA和蛋白质水平均检测到了EB病毒的表达，表明获得遗传物质后进行了功能的整合。另外，来源于肿瘤细胞的凋亡体能够诱导p53缺陷的成纤维细胞形成克隆并形成肿瘤。通过吞噬途径全部染色体或染色体的一部分可以转移入受体细胞。这表明水平基因转移可能在肿瘤的起始和进展过程中具有非常重要的作用。我们知道肿瘤细胞具有吞噬功能，因此，通过水平基因转移可能在肿瘤的形成和发展过程中起到非常重要的作用（图 3-5）。
在真核生物基因组中，编码蛋白质的基因仅占少部分，而大多数是不能编码蛋白质的非编码基因。非编码基因包括非编码DNA和非编码RNA。
非编码DNA是指不能编码制造蛋白质只能制造出无翻译功能的RNA的DNA序列。非编码基因在很长的一段时间里被认为没有功能，而称为垃圾DNA。随着研究的进展，逐渐发现很多非编码DNA在基因剪切等方面起重要的作用。在非编码DNA家族中，还有一类特殊的群体，称为假基因。假基因与基因很像，但却不能产生功能性蛋白。目前鉴定的假基因已超过12 000个。假基因具有保护真基因的功能。如果假基因丢失，真基因的功能也不能正常发挥。非编码DNA还能通过合成调节性RNA发挥功能。这些RNA并不是为了合成蛋白质，但却发挥着非常重要的作用。迄今为止，细胞中的rRNA、tRNA、snRNA、asRNA、snoRNA、miRNA、piRNA都是非编码DNA合成的。它们参与到基因活化、基因沉默、基因印记、基因补偿、蛋白合成与功能调节、代谢调控等众多生物学过程中。此外，非编码DNA中还存在大量重复的DNA序列，这些DNA看似没有意义也不能编码蛋白质，却能形成特殊的DNA高级结构，并以此调节附近基因的活性。
非编码RNA是指不编码蛋白质的RNA。其中包括rRNA、tRNA、snRNA、snoRNA 和microRNA 等多种已知功能的 RNA，还包括未知功能的RNA。这些RNA的共同特点是都能从基因组上转录而来，但是不翻译成蛋白，在RNA水平上就能行使各自的生物学功能了。非编码RNA从长度上来划分可以分为3类：①小于50nt的非编码RNA，包括microRNA、siRNA 及 piRNA；②50nt到 500 nt的非编码 RNA，包括 rRNA、tRNA、snRNA、snoRNA、SLRNA及SRPRNA 等；③大于500nt的非编码RNA，包括长的mRNA-like的非编码RNA，长的不带polyA尾巴的非编码RNA等。
众所周知，microRNAs（miRNAs）可以调节参与生长、增殖、凋亡、应激基因的基因。miRNAs是短的20～22个核苷酸的RNA分子，可以负性调节基因表达。在动物细胞，单链miRNA通过3′UTR端部分互补序列结合特定的靶mRNAs。结合miRNA的mRNA不能翻译，导致他们编码的蛋白质合成减少或者被RNA干扰效应复合体降解，导致转录数量减少。研究表明，在人类的多种肿瘤中miRNA基因表达发生改变。改变特定miRNAs表达参与肿瘤起始，并且可能对干细胞克服G1/S期检验点进入细胞周期具有重要作用。
miR-17-92位于染色体13q32-33，编码miR-17-5p、miR-17-3p、miR-18a、miR-19a、miR-20a、miR-19b-1和miR-92-1。芯片分析B细胞淋巴瘤样本和激活Myc基因产生的鼠B细胞淋巴瘤模型。结果发现肿瘤表现出某些miRNA表达上调，而myc表达下调。这种现象通常在myc诱导的淋巴瘤中可以被观察到。另有研究表明Myc直接结合到miR-17-92位于13号染色体的位点，激活miR-17-92的表达。另外，研究还表明miR-17-5p和miR-20a负性调节E2F1转录因子的表达。E2F1是myc的另外一个靶点，它可以促进细胞周期进程。研究表明，myc激活E2F1介导的转录，而减少他的翻译，提供了精确的myc增殖信号的调控。因此，miR17-92与myc相互作用可能促进B细胞淋巴瘤的形成。
miR-200家族包括miR-200a、miR-200b、miR-200c、miR-141及miR-429。研究发现miR200c可以调控Bmi1，并可以抑制乳腺癌细胞的扩增和胚胎性肿瘤细胞的生长。miR200c可以抑制正常乳腺干细胞形成乳腺导管和乳腺癌的产生。miR-200c可以抑制乳腺癌干细胞生长并诱导其分化。在乳腺癌干细胞中miR200c表达下调。也有研究表明miR-200c，miR-203和miR-183，在干细胞标记的调节和胰腺癌及结直肠癌分化中扮演着重要的角色。与这些发现一致，丧失这些干细胞特性的抑制性miRNA，将导致乳腺癌干细胞形成。
与Piwi蛋白相作用的RNA称为piRNAs。piRNA的长度为24～33nt，绝大多数在29～30nt。现发现的piRNA主要存在于基因间隔区，而很少存在于基因区和重复序列区。piRNA在小鼠染色体上的分布很不均匀，主要分布在2号、4号、5号和17号染色体上，很少分布于1号、3号、16号、19号和X染色体上，而基本不分布于Y染色体上。人类中，piRNA的分布相对均匀，但在13号、20号、21号和性染色体上分布较少。成熟piRNA 3′端的2′氧是被甲基化修饰的。piRNA主要功能包括：沉默基因转录，维持生殖系统和干细胞功能，调节翻译和mRNA的稳定性。
Piwi是一个表观遗传调控因子。在果蝇基因组中，Polycombgroup（PcG）与PcG反应元件（PREs）结合沉默管家基因。Jia Cheng等发现piRNA651在胃癌中表达上调。piRNA651的表达水平与胃癌的分期相关。胃癌、结肠癌、肺癌、乳腺癌piRNA651表达上调。在胃癌、肺癌、间皮瘤、乳腺癌、肝癌和宫颈癌的细胞系中piRNA651表达也上调。piRNA651抑制剂可以抑制胃癌细胞的生长，并阻滞胃癌细胞于G2/M期。piRNA和Piwi蛋白功能丧失与肿瘤和CSCs发生相关。piRNA与Piwi蛋白家族相互作用调节肿瘤和干细胞性质的干细胞样表观遗传。例如，小鼠Piei12和人Piwi同源基因Hiwi在各种肿瘤中异常表达。Piwil2和Hiwi的不正常表达与CSCs的发育和肿瘤发生有关，并且与肿瘤患者的不良预后相关。在肿瘤细胞过表达N末端截短称为Piwi12样蛋白的Piwil2变异体时发现，Piwi12样蛋白可参与肿瘤的发生。Siddiqi等报道在间充质干细胞过表达Hiwi抑制了细胞分化并促进了肉瘤的产生。另外Hiwi还促进DNA甲基化，充当肿瘤抑制基因的角色。piRNA通过甲基化沉默基因组中的转座子在维持基因组完整性中发挥着重要的作用。另外Piwil2还能够促进组蛋白H3乙酰化和染色体松弛。
因此，piRNA可能通过调节表观遗传学的变化影响肿瘤的发生发展。piRNAs和Piwil2/Hiwi蛋白缺陷对CSCs的发生可能有影响。
表观遗传学主要研究在没有细胞核DNA序列改变的情况时，基因功能的可逆的、可遗传的改变。表观遗传的现象很多，已知的有DNA甲基化（DNA methylation）、组蛋白修饰、基因组印记（genomic imprinting）、母体效应（maternal effects）、基因沉默（gene silencing）、核仁显性、休眠转座子激活和RNA编辑（RNA editing）等。
肿瘤发生的克隆模型中，遗传和表观遗传改变随着时间发生，并把选择性的生长和生存优势传递给肿瘤内的单个克隆，最终成为主要的细胞。肿瘤的表观遗传变化在细胞分化和命运过程中被启动。CSCs可能通过启动表观遗传重编程而产生肿瘤细胞异质性。有研究人员观察了原代乳腺癌和肝癌干细胞DNA甲基化水平和诸如H3K27之类的肿瘤抑制基因中抑制组蛋白的水平。结果发现，CSCs相对于分化的癌细胞，表现出高的转录激活状态。与此相似，在白血病干细胞中Bmi1、Notch1和Wnt干细胞特性基因的组蛋白修饰与非干细胞相比有显著差异。在头颈部鳞癌中，相对于CD44-的细胞，CD44+的CSCs表现出独特的表观遗传特征，22个基因表现出不同的甲基化模式。CSCs关闭和开启CSCs标记的动态特征支持表观遗传学机制。因此，实际上可能所有的CSCs标记都是被DNA甲基化或组蛋白修饰或自身的染色体修饰酶的变化所调节。
在正常干细胞中，靶向PcG蛋白的基因处于超甲基化状态。而这些基因通常情况下处于抑制状态，并与衰老相关。因此保持细胞处于未分化状态，可能是恶性转化的第一步。在分化细胞中诱导多向分化因子表达的表观遗传重编程将导致异常的干细胞特性和肿瘤。研究表明在分化细胞或肿瘤细胞中Oct4、c-myc、Sox2和Klf4通过表观遗传机制被调节。
肿瘤通常大部分基因表现为低甲基化，个别基因表现出超甲基化。在肿瘤中很多促进生长的基因是通过低甲基化激活的，例如胃癌中的HRAS、cyclin D2和maspin，肾癌中的碳酸酐酶IX，结肠癌中的S100钙结合蛋白A4。另外，许多肿瘤/睾丸基因，在正常人睾丸中不表达，在肿瘤中通过低甲基化激活。如MAGE（melanoma-associated Antigen）基因家族可以通过低甲基化激活，在黑色素瘤和胶质母细胞瘤中具有抗原性和免疫治疗价值。通过低甲基化激活人乳头瘤病毒HPV16是宫颈癌发病的一个重要原因。雌激素和三苯氧胺可以使PAX2启动子低甲基化，使PAX2激活，导致细胞增殖，子宫内膜增生进而癌变。与此相对，肿瘤抑制基因的沉默与启动子超甲基化相关，比如最早描述的Rb基因，其他基因包括p16、VHL、MLH1、APC 和 E-cadherin。
组蛋白修饰是指包括组蛋白乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等在内的多种共价化学修饰。真核生物的基因组DNA有几米长，需要折叠包装成只有几微米的染色体。这一过程是通过DNA缠绕在组蛋白H2A、H2B、H3和H4上，通过组蛋白H1进行连接，进而形成核小体，最终再压缩成染色体实现的。染色体主要以两种形式存在：一种是密度低的可进行转录的常染色体；另一种是高度致密处于沉默状态的异染色质。目前认为组蛋白在调节基因转录和以DNA为基础的细胞过程中具有重要的作用。核心组蛋白有一个中央的组蛋白折叠区域，这一区域在侧方露出N或C末端的尾部。这个尾部从染色质聚合体表面突出并对蛋白酶敏感，因此提供了一个和其他蛋白质发生相互作用的暴露表面。组蛋白尾部是乙酰化、甲基化、泛素化和磷酸化等共价修饰的靶点。这些修饰充当染色质修饰复合体结合的信号，通过修饰允许或抑制染色体发生构型变化。这种修饰也被认为能够形成“组蛋白密码”。组蛋白密码可能具有协同一致的特点并导致细胞发生变化。介导染色体修饰和重塑的因子有：组蛋白乙酰基转移酶、组蛋白脱乙酰基酶、组蛋白甲基转移酶和ATP依赖的核小体重塑复合体。
组蛋白修饰和DNA甲基化失调是一个普遍现象，并可能改变干细胞自我更新潜能和导致表观遗传修饰的干细胞群体的扩张。TRRAP是HAT复合体中的一个成分，在胚胎发育和干细胞自我更新潜能的维持中具有重要作用。TRRAP和TRRAP介导的组蛋白赖氨酸残基发生乙酰化，进而通过与C-myc和PcG蛋白相互作用影响干细胞分化和自我更新，导致恶性转化。
在真核生物中，组蛋白N末端氨基酸残基可发生乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化等共价修饰，这些可逆的共价修饰组成了所谓的“组蛋白密码”而调控相应区域基因的表达和（或）基因产物的降解。组蛋白乙酰基转移酶（histone acetyltransferase，HAT）介导的赖氨酸乙酰基化促进基因转录；组蛋白去乙酰基酶（histone deacetylase，HDAC）催化赖氨酸去乙酰基化通常与染色质失活有关。HAT和HDAC能改变染色质组蛋白乙酰化状态，使染色质的构型发生变化，进而激活或抑制基因表达，目前，关于组蛋白修饰与胃癌关系的研究尚不深入，主要集中在组蛋白H3和H4的乙酰化修饰方面。Chen等的研究表明，抑癌基因RhoE的去乙酰化，而非DNA甲基化，与胃癌中RhoE基因表达下降相关。Mitani等发现，在胃癌标本中抑癌基因p21WAF1/CIP1启动子区组蛋白H3呈低乙酰化状态，这种低乙酰化与p21WAF1/CIP1表达减少有关。Hamai等的研究表明，HLTF的5′-CpG岛的异常甲基化及组蛋白的去乙酰化与胃癌中HLTF表达下调有关。Meng等发现组蛋白H3-K9甲基化与胃癌细胞株SGC-7901和MGC-803中p16、MLH1的DNA甲基化呈正相关，而组蛋白H3-K9乙酰化与其呈负相关。
基因组印记（genomic imprinting）是指基因的表达与否取决于它们是在父源染色体上还是在母源染色体上。①基因组印记遍布基因组：例如在人基因组中有100多个印记基因，成簇时形成染色体印记区，连锁时会有不同的印记效应；②基因组印记的内含子小：雄性印记基因重组频率高于雌性印记基因；③印记基因组织特异性表达：例如小鼠中Ins1、Ins2是等位印记基因，在卵黄中Ins1单等位基因表达，在胰腺中Ins1、Ins2同时表达；④基因组印记在世代中可以逆转：个体产生配子时上代印记消除，打上自身印记。
早期的数据表明基因组印记可能参与了葡萄胎和卵巢畸胎瘤发生。许多研究表明在Wilms瘤和胚胎横纹肌肉瘤普遍存在母源等位基因的杂合性缺失，暗示了通常只有母源的等位基因可以表达，而这些基因又大多是未分化的肿瘤抑制基因。肿瘤中基因组印记的第一个分子证据是印记丢失。印记丢失导致正常情况下处于沉默状态的IGF2异常激活，导致Wilms瘤中两个IGF2等位基因病理性表达。印记丢失要么导致异常激活正常情况下处于沉默的印记生长促进基因的等位基因，要么导致异常沉默印记肿瘤抑制基因的正常表达拷贝。在肺癌、乳腺癌、卵巢癌和胶质瘤中也发现IGF2印记丢失是一种普遍现象。其他的印记丢失基因还有，乳腺癌中的ARHI，嗜铬细胞瘤、神经母细胞瘤和Wilms瘤中的DLK1/GTL2，乳腺癌中的PEG1。
肿瘤从正常干细胞起源并通过表观遗传变化获得与起源细胞不同的特征。这表明表观遗传对肿瘤起源细胞的影响非常大。
干细胞微环境是干细胞停留的微环境，影响着干细胞的增殖和分化，通过与干细胞之间的直接和（或）间接作用影响干细胞的命运。在干细胞微环境中干细胞的数量，通过对称和不对称分裂精确的维持着，自我更新途径的失调导致肿瘤更新形成。
在果蝇生殖细胞中发现了微环境调节干细胞最好的例子。在生殖组织中，成体支持细胞提供微环境，维持生殖干细胞干性。实际上，微环境是维持生殖干细胞的细胞信号转导途径激活分子的来源。干细胞在物理上紧靠微环境，当他们分裂时，微环境指导他们的有丝分裂纺锤体方向，导致一个子细胞留在微环境中，其他子细胞离开微环境，激活分化途径的信号的基因表达。其他调节层确保对微环境信号的应答是局部的，同时确保离开微环境的子代细胞能够分化，不同于仍在微环境中的姊妹细胞。
然而，这种机制可能存在负反馈环，可以激活或抑制对自我更新信号或不同细胞与微环境相隔离的信号的应答。在雌性果蝇生殖细胞中，干细胞内从信号分子到关键靶标的调节通路已经明确，从微环境来的信号的主要角色是阻滞启动分化起始基因的表达。正常干细胞与CSCs有许多非常相近的特点。最显著的特征就是自我更新。为了维持组织稳态，包含干细胞特性的子代细胞数量必须严格控制。通过阻滞干细胞池的扩增，干细胞被阻滞形成肿瘤。另外，对干细胞微环境的依赖，提供了正常干细胞和CSCs的巨大不同。在这种情况下，正常干细胞微环境控制增殖、自我更新和分化之间的平衡。由于克隆形成使得癌细胞在相对长的时间内聚集选择性的突变，因此成瘤克隆的遗传改变不可能导致迅速和广泛的增殖，仅仅限定在肿瘤细胞的一个亚群。
干细胞微环境中来自微环境的旁分泌信号可以维持干细胞的特征和自我更新能力，控制着干细胞稳定和在自我更新和分化起始时的关键选择。因此，微环境的变化可以通过旁分泌的方式影响正常干细胞，一旦自我更新失调，将导致肿瘤的形成。
EMT和间质-上皮转换（mesenchymal-epithelial transition，MET）在胚胎发育过程中具有极其重要的作用。例如在胚胎发育过程中，通过EMT过程产生的中胚层可以发育为多种类型的组织，进而产生上皮性器官，肾、卵巢就是经EMTs产生的。发育遗传学的研究也表明众多转录因子在经程序的EMTs的胚胎发育过程中起重要作用。近年的研究表明，这些胚胎转录因子还赋予新生瘤细胞转移、侵袭和耐受凋亡的能力。
在肿瘤转移过程中，经常要经过EMT，分散的肿瘤细胞具有自我更新能力，能够形成微转移灶，这与CSCs极其相似。尽管EMT和干细胞表型在分子上具有相似性，但以前一直认为两者是独立的过程。直到上皮细胞经历了EMT过程之后产生了具有干细胞特性的细胞这一研究结果出现，才发现了两者的相关性。发生EMT变化后，人乳腺上皮细胞获得了间质表型并表现出CD44high/CD24low的干细胞特征。经过EMT过程，上皮细胞可以聚集成球生长，表明上皮细胞具有了干细胞特性并获得了自我更新能力。这些来源于EMT过程的间质样细胞表现出更强的成瘤能力并且转移能力也增加。进一步研究发现人乳腺上皮细胞中CD44high/CD24low部分也表现出了间质样特征：低表达E-cadherin，高表达Snail、Twist。在胰腺癌中也发现Zeb1诱导干细胞标记的表达，并表现出干细胞球形成能力。也许干细胞和EMT之间最清楚的分子联系是Wnt信号途径。Wnt对干细胞表型的维持具有非常重要的作用。在肿瘤中，激活β-catenin促进了肿瘤的进展，并且在许多类型CSCs中也发现了β-catenin的激活。Wnt通过稳定Snail并诱导Slug和Twist诱导EMT过程。β-catenin可以锚定在黏附连接上，与E-cadherin相连接。在EMT过程中，E-cadherin丢失伴随着β-catenin核转位，并作用于其靶基因。
这表明干细胞和EMT诱导过程具有相似之处，并且被相似的分子机制所驱动。EMTs过程与CSCs的产生相关。