发达国家平均每三人中有一人罹患癌症，我们每人或早或晚都有可能受到癌症的侵袭。为了寻找癌症的病因，科学家们将重点放在对控制细胞分裂的基因进行研究——
从生命的开始一一受精卵到生命的终结，细胞分裂无时不在。多细胞生物体从受精卵开始，经无数次分裂，最后发育为成体；同时，细胞分裂在维持和修复机体复杂组织和器官方面也具有重要作用。机体之所以能够处于正常状态，关键在于数以百万、千万计的细胞在有条不紊地行使各自特异作用。假如一个细胞不听从指挥，肆意滋事，就会造成细胞分裂失控，，给机体带来灾难性后果。因此，细胞分裂就像一把“双刃剑”，既是机体必需的，也会诱发癌症。
细胞的异常分裂通常会引起肿瘤，可以为良性肿瘤，也可以是恶性肿瘤。良性肿瘤不是癌。但其中一部分可发展为恶性肿瘤，良性肿瘤被切除后，通常不会扩散到机体的其他部位。而恶性肿瘤就是癌，可以发生在机体的任何部位。随着癌组织的生长，可以侵犯、损害周围的其他组织，癌细胞还可通过血流播散到机体其他部位，该过程就是临床所说的“转移”。
癌症是由许多控制细胞行为的基因的突变引起的。为了找到预防和治疗癌症的方法，首先必须弄清正常细胞在生长和分裂中是如何受到严格调控的。经过几十年的深入研究，科学家发现了许多调控细胞分裂的机制。细胞周期是一个复杂的调节环路，是细胞分裂的必经之路。细胞周期确保细胞DNA进行忠实复制，最终将复制本染色体传给子代细胞。
细胞周期本身具有强大的检验和纠错功能，同时还存在其他调控机制。机体通过限制分裂细胞的数量来降低异常细胞出现的几率。经过一个周期，许多细胞分化成特定细胞，从而失去分裂能力，如神经细胞、肌肉细胞。只有一部分细胞还保持分裂功能，用于修复和更新组织。这些细胞很可能发生癌变。例如，许多类型的白血病是由未成熟（还可以进行分裂）血细胞的遗传学改变而引起的。
另一个检查癌症发生的机制为细胞自杀或凋亡。如果细胞严重受损或异常，就会自行灭亡。该过程受到严格调控，凋亡也是染色体遭到严重破坏后所常见的细胞反应。细胞周期、分化和凋亡三者共同发挥作用，可以避免细胞进行异常分裂。但当控制上述几个过程的基因发生突变，细胞变为致癌性细胞，向癌症迈出了第一步。
一次突变还不足以引起癌症。随着年龄的增长，患癌症的可能性也随之增大。研究提示，一个细胞需经4~7次突变才可能发生癌变。科学家们在研究肿瘤细胞的DNA时，在许多部位发现多种不同形式的突变：从单个碱基异常到染色体数目的改变。
无论采取什么措施，均不能完全消除癌症，因为低水平的自然突变（例如，DNA复制中造成的错误）是不可避免的。否则，进化无从谈起。另外，我们生存的外界环境还存在某些诱发因素，如低水平的离子辐射或太阳的紫外线，均可增加自然突变的发生。更有甚者，有些人天生就携带某种缺陷基因，易患癌症。正常基因参与DNA修复，其他基因则参与细胞周期的“检验点"。通常，参与癌症的关键基因调控细胞分裂，并将这些基因分为两类：癌基因和肿瘤抑制基因（抑癌基因）。
癌基因最早在病毒中发现，可以引起动物癌变。科学家将这些基因导入细胞，被导入的细胞表现为癌细胞样变化，分裂失控。具体机制还不清楚。结果这些病毒就从宿主细胞中获得一些参与细胞分裂的基因，在病毒俘获宿主细胞基因的过程中，被俘获的细胞基因就可能发生有害突变。这些病毒癌基因所对应的正常细胞基因称为原癌基因，所有原癌基因在维持细胞正常功能方面具有重要作用。只有原癌基因出现异常才变为癌基因。迄今大约已发现100种原癌基因，最具代表性的例子为Ras基因。正常情况下，该基因编码的蛋白质参与介导从细胞膜传至细胞核的信号。但是在逆转录病毒中发现了Ras基因的突变体，而逆转录病毒可以引起小鼠和大鼠的癌症。大约四分之一癌症携带突变的Ras基因版本。研究原癌基因在正常细胞中的作用机制可有助于获得对付癌基因的措施。根据原癌基因所表达的蛋白质产物的活性进行分类，许多原癌基因参与接收促细胞生长的信号。
正常情况下，细胞接到信号后，只生成原癌基因编码的蛋白质，仅有一种活性形式。原癌基因突变成为癌基因后，情况就不同了。癌基因表达的癌蛋白就可以打开细胞周期开关，使基因或蛋白质持续表达（即使没有刺激信号也如此），结果细胞生长失控。所以生物学家称这些基因异常为显性突变或“功能获得性突变”。
细胞持续生长
通过许多不同的信号转导途径来刺激细胞生长，使基因持续处于活化状态。有些致瘤细胞合成自身的促生长信号，使这些通路持续处于开通状态。有时，接收信号的受体蛋白发生突变，也可以使受体处于持续接通状态，就好像信号分子一直结合在受体上，促使细胞生长。
将信号从受体传递到细胞核的蛋白质也可以受到影响。正常情况下，Ras蛋白只有在细胞膜上受体分子与生长因子分子结合时，才处于接通状态。但在许多癌症中，Ras总是持续处于接通状态，所以细胞就好像持续受到生长因子刺激一样进行无休止地分裂。
图为乳腺癌细胞
最后，在信号转导通路的终点细胞核中也会出现异常。正常情况下，细胞核中的转录因子（一些蛋白质分子）对传递过来的信号作出应答，激活有关基因，促进细胞生长。患癌症时，转录因子可以持续活化相关基因，促进细胞生长。例如，在许多常见癌症中，发现编码myc转录因子家族的基因发生了突变。
单有癌基因还不足以引起癌症，还需要抑癌基因的参与。抑癌基因类似“刹车”，一旦突变，该“刹车”就会失灵。健康人中，抑癌基因与原癌基因一样，作用于相同部位。其作用为抑制细胞生长与分裂、促进凋亡等。已在许多癌细胞中发现抑癌基因的突变，但是与癌基因不同的是，抑癌基因只有两个拷贝（正常机体中的基因均有两个拷贝，又称等位基因）均发生突变后，才能发展为癌症。这有点像自行车车闸，一个闸就可以将自行车停下来：一个起作用的抑癌基因就足以中止失控的细胞分裂。所以，这些基因缺陷称为隐性突变，又称“功能丧失性突变”。
迄今大约发现了20多种抑癌基因。第一个被发现的抑癌基因为RB基因。两拷贝的RB基因均丧失可引起视网膜母细胞瘤（发生在视网膜），是一种恶性程度很高的癌症，好发于儿童和青少年。视网膜母细胞瘤蛋白（pRB）在细胞分裂的信号传递过程中就像一个枢纽，许多抑制细胞分裂的信号通过pRB或两种密切相关的蛋白进行连接、沟通。当pRB接通后，它就可以使某些特定的转录因子失活，中止细胞周期，起到抑制肿瘤发生的作用。
BRCA1是一个非常重要的抑癌基因，与某些家族性乳腺癌的发生有关。另一个重要的抑癌基因为p53。几乎一半的肿瘤都存在p53突变。正常细胞中，p53蛋白使细胞周期停留在G2/M检验点（关卡）处，修复受损的DNA。当p53突变时，细胞周期就不能停下来修复损伤的DNA，而是冲过检验点（关卡），将“错误信息”保留下来，增加癌变的危险性。p53防御癌症的另一途径是迫使DNA受损的细胞在DNA修复之前或在细胞表现异常时就发生自杀性死亡（凋亡）。如果敲除（即基因失活）p53基因，细胞发生凋亡的机会显著降低。现已经公认该蛋白在预防癌症中具有重要作用，所以该蛋白有“基因组卫士”之称。有一种遗传病为李-凡氏综合征，就存在p53异常，多数患者在30岁时就发展为癌症。
显而易见，参与调节细胞分裂的基因突变在癌症的发生中起关键作用。但是最开始的一步是如何发生的？如何防止它们的发生？
DNA的损伤有三种原因。最常见的原因为环境因素（包括太阳光中的紫外线、离子辐射和基因毒性物质）。第二种为代谢废物的损伤（如呼吸过程中产生的高反应性自由基分子）。最后，DNA中的一些化学联结（即化学键）自发性断裂。修复上述不同类型的DNA损伤至关重要。参与修复体系的基因的突变可以显著地提高某些癌症的危险性。例如，参与DNA修复的某个基因突变，可以引起一种罕见的着色性干皮病。患者在太阳光下诱发皮肤癌的可能性比正常人高1000倍，还易患内脏肿瘤。
DNA损伤可以阻断许多细胞过程。例如，由X射线或化学物质引起的双链DNA的断裂，可以删除或添加多余的染色体。它们还可以引起“易位”——一条染色体中断裂下来的片段添加到其他染色体上，由此可以将原癌基因变为癌基因一一它们是白血病和淋巴瘤的常见病因。
弄清受致癌突变影响的所有细胞途径是一项非常艰巨的任务。幸运的是，几乎所有哺乳动物细胞用于调节自身生长、分裂和死亡的分子机制均相同，因此，所有癌细胞具有一些共同特征。
刺激和抑制细胞分裂信号之间保持精细平衡，可以确保细胞分裂能满足正常的生长和修复。许多原癌基因突变可以使许多促生长途径处于持续活性状态。同样重要的是，肿瘤细胞还对抑制生长信号不反应，抑制生长信号通常来自抑癌基因。
总是有部分闲置
研究表明，许多参与信号传递的分子具有同样功能。所以，如果一种蛋白失活，另一种蛋白可以弥补。例如，如果肿瘤细胞丢失一些参与凋亡的蛋白，细胞还可能具有同样作用的其他蛋白质。对付癌症的一种可能的策略是开发出可以促进凋亡或在两种途径之间起连接作用的药物。
癌细胞分裂时必须克服细胞周期中多道难关。在衰老过程中，正常细胞在分裂60~70次后就不再分裂。而大多数不同类型的培养癌细胞的“老化”现象好像消失了，提示癌细胞从某种程度上说具有永生性。控制细胞分裂次数的结构为端粒，位于染色体末端。端粒中含有一个由6个碱基组成、重复数千次的序列（端粒在保护染色体末端方面具有重要作用）。DNA复制时，DNA聚合酶不能复制出于模板链等长的DNA分子。所以细胞每经一次分裂，其DNA就缩短50~100个碱基对。如果没有端粒的话，随着细胞的分裂，染色体会越来越短，而染色体末端的重要基因将很快丢失。最后，端粒变得非常短，不能保护染色体的末端。没有端粒保护的染色体末端相互连接，导致染色体紊乱和细胞死亡。
几乎所有类型的恶性肿瘤细胞均能维持自身端粒长度。主要是通过提高端粒酶的表达实现的，因为端粒酶可以复制端粒。因此，科学家希望将端粒酶作为抗癌药物的靶点。但癌症中端粒的重要性一直存在争论。有人认为细胞衰老仅仅发生在实验室培养的细胞中——天然机体环境之外的生长细胞很容易衰老。
还有一种方法是通过阻断肿瘤组织中的血管，将肿瘤组织饿死。所有细胞的生存必须从毛细血管中汲取氧和营养成分。在正常的胚胎发育和成年组织损伤修复过程中，血管和组织生长协调一致。组织一旦形成，血管生长就受到严格控制。而在肿瘤形成过程中，伴随着肿瘤细胞的不断分裂、增殖，新生血管也相应增多，供给细胞养分。而肿瘤细胞本身就可以分泌促进新生血管形成的因子。
血管形成也受刺激信号和抑制信号的双重调控，现已发现50多种参与血管形成的蛋白质分子。在肿瘤形成的早期或中期，肿瘤细胞通过改变促进和抑制血管形成的信号之间的平衡，打开“血管形成的开关”。
另外，p53蛋白也参与抑制血管形成。p53可以促进一种抑制血管形成的蛋白质分子——Throm-bospondin-1的生成。当p53基因突变后，Throm-bospondin-1的水平降低，血管细胞就开始增殖。血管通过血液供应瘤细胞营养，促进肿瘤细胞快速分裂增殖。
血管形成是肿瘤研究的一个热点，原因在于大多数肿瘤需要依赖血管生长供应血液和营养。血管形成对肿瘤细胞是特有的。所以靶向性作用于血管的药物对正常细胞造成损害的可能性非常小。目前已经研制出一些针对血管形成的药物，并用于临床试验。
即使血管非常丰富，肿瘤最终还是耗尽机体的养分和空间。在多数癌症的发生发展过程中，“带头”的一些肿瘤细胞冲出瘤体，侵入周围组织，并播散到远处组织，建立新的集落（家园）。这些转移性肿瘤为90%肿瘤患者死亡的原因。机体防御组织侵袭和转移的机制还不完全清楚。但是有时细胞与周围环境之间的连接疏松，肿瘤细胞还分泌一些蛋白水解酶，有利于癌细胞向组织转移。
许多基因突变可以引发癌症。对这些突变进一步研究，阐明正常细胞调控自身生长和分裂的机制，将推动肿瘤的治疗和预防的进程。将来会有一天，我们将弄清某种肿瘤中的所有突变，然后针对某个患者设计可以弥补突变的有效药物。相反，一种具有p53效应的药物可以治疗多种肿瘤。针对其他常见细胞癌变途径（如血管形成）的药物，也可以挽救肿瘤患者的生命。
每年用于肿瘤研究的经费有几十亿美元——用于阐明细胞发生异常与癌变的机制。除获得大量有关细胞作用的认识之外，一些成功的治疗方法正在逐步建立。虽然路很漫长，但是我们即将找到战胜癌症的有效措施。