Krebszellen teilen sich ohne Wachstumssignale, ignorieren Stoppsignale, entgehen der Apoptose und sind unbegrenzt teilungsfähig. Sie bringen Blutgefäße zum Einwachsen in den Tumor (Angiogenese), dringen in Gewebe ein und bilden Tochtergeschwülste (Metastasen). Krebs ist ein Mehrstufenprozess: Erst mehrere Veränderungen in derselben Zelllinie machen eine Zelle zur Krebszelle, deshalb steigt das Risiko mit dem Alter. Auslöser sind Mutagene wie UV-Strahlung und Tabakrauch, bestimmte Viren und Zufallsfehler bei der Replikation. Die Mutationen sind meist somatisch, sie treten in Körperzellen auf und werden nicht vererbt. Nur ein kleiner Teil der Erkrankungen geht auf erbliche Mutationen in Keimzellen zurück.

Proto-Onkogene sind normale Gene, die Wachstum und Teilung fördern, etwa für Wachstumsfaktoren, ihre Rezeptoren und Signalproteine wie RAS. Durch Mutation oder Überaktivität wird daraus ein Onkogen: Das Protein ist dauerhaft aktiv, die Zelle erhält ständig das Teilungssignal, wie bei einem klemmenden Gaspedal. Ein mutiertes Allel genügt (Funktionsgewinn).

Tumorsuppressorgene (auch Anti-Onkogene) bremsen die Teilung, reparieren DNA oder lösen Apoptose aus. Fällt ein solches Gen aus, fehlt die Bremse (Funktionsverlust), meist müssen beide Allele betroffen sein. p53 hält bei DNA-Schäden den Zellzyklus an und löst Reparatur oder Apoptose aus. Es ist in etwa der Hälfte aller Tumoren verändert. Wer von den Eltern ein defektes Allel erbt, etwa von BRCA1 oder BRCA2 (beteiligt an der DNA-Reparatur, erhöhtes Brust- und Eierstockkrebsrisiko), braucht nur noch eine Mutation des zweiten Allels.

Tumoren unterscheiden sich in ihren Mutationen. Bei der personalisierten Medizin untersucht man das Erbgut des Tumors und wählt ein Medikament, das an der veränderten Stelle angreift. Imatinib hemmt das Fusionsprotein BCR-ABL, das durch eine Translokation (Philadelphia-Chromosom) bei der chronischen myeloischen Leukämie entsteht. Trastuzumab richtet sich gegen den Rezeptor HER2, der bei einem Teil der Brusttumoren in zu großer Menge vorliegt. Ein Test entscheidet, wer das Mittel bekommt. Der Vorteil sind höhere Wirksamkeit und weniger Nebenwirkungen, die Grenzen sind Kosten und Resistenzen durch neue Mutationen.

Die DNA ist um Histone gewickelt. Etwa 147 Basenpaare laufen um ein Paket aus acht Histonen, das Nukleosom. Im lockeren Euchromatin sind Gene zugänglich und aktiv, im dichten Heterochromatin meist stillgelegt. Enzyme verändern die Enden der Histone chemisch. Bei der Acetylierung hängen sie Acetylgruppen an positiv geladene Lysine. Die Histone verlieren Ladung und halten die negativ geladene DNA weniger fest, das Chromatin lockert sich, Transkriptionsfaktoren kommen heran, das Gen wird abgelesen. Deacetylasen (HDAC) entfernen die Gruppen wieder, das Gen wird abgeschaltet. Die Methylierung von Histonen aktiviert oder hemmt je nach Stelle. Manche Krebsmedikamente hemmen HDAC.

Bei der RNA-Interferenz schalten kleine RNA-Moleküle Gene nach der Transkription ab. Das Enzym Dicer schneidet doppelsträngige RNA in Stücke von 21 bis 23 Nukleotiden (siRNA, miRNA). Ein Strang gelangt in den Proteinkomplex RISC und dient als Sonde: Er lagert sich an eine komplementäre mRNA an. RISC zerschneidet sie oder blockiert die Translation. Das Gen ist dann ausgeschaltet, obwohl es transkribiert wurde. Die Zelle reguliert damit eigene Gene (miRNA) und wehrt Viren ab. In der Forschung und in Medikamenten schaltet man so gezielt Gene aus.

Epigenetik untersucht Änderungen der Genaktivität, die sich weitergeben, ohne dass sich die DNA-Sequenz ändert. Träger sind DNA-Methylierung, Histonmodifikationen und kleine RNAs. Bei der Mitose werden die Muster an die Tochterzellen weitergegeben, deshalb bleibt eine Leberzelle eine Leberzelle (Zellgedächtnis). Zwischen Generationen werden die meisten Markierungen in Keimzellen und frühem Embryo gelöscht, einzelne bleiben. Eineiige Zwillinge haben zu Beginn ähnliche, im Alter stärker verschiedene Methylierungsmuster. Studien zum niederländischen Hungerwinter 1944/45 fanden bei Kindern, die damals im Mutterleib hungerten, später ein erhöhtes Risiko für Übergewicht und Diabetes, verbunden mit veränderter Methylierung.

Telomere sind die Enden der Chromosomen aus Wiederholungen einer kurzen Sequenz (beim Menschen TTAGGG). Sie schützen die Enden. Bei der Replikation kann die DNA-Polymerase das Ende des Folgestrangs nicht vollständig kopieren, weil der letzte Primer nicht ersetzt wird. Darum werden die Telomere bei jeder Teilung etwas kürzer, um etwa 50 bis 200 Basenpaare. Unterschreiten sie eine kritische Länge, hört die Zelle auf, sich zu teilen, oder stirbt durch Apoptose. So ist die Zahl der Teilungen begrenzt (etwa 50 bis 60). Das Enzym Telomerase, das eine RNA als Vorlage enthält, verlängert Telomere. Es ist in Keimzellen und Stammzellen aktiv, in den meisten Körperzellen kaum, in den meisten Krebszellen aber wieder. Sie werden dadurch unsterblich.

Stammzellen erneuern sich selbst und können sich zu spezialisierten Zellen differenzieren. Totipotent sind die befruchtete Eizelle und frühe Furchungszellen (sie können einen ganzen Organismus bilden), pluripotent die embryonalen Stammzellen der Blastozyste (alle Zelltypen des Körpers), multipotent adulte Stammzellen wie die blutbildenden Zellen im Knochenmark (nur Zellen einer Gewebefamilie). Differenzierung bedeutet gleiche DNA bei verschiedener Genaktivität, gesteuert durch Transkriptionsfaktoren und Epigenetik. Yamanaka erzeugte 2006 induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen): Vier Transkriptionsfaktoren programmieren Körperzellen zurück. Anwendungen sind die Knochenmarktransplantation bei Leukämie, Krankheitsmodelle und Gewebeersatz in der Forschung. Embryonale Stammzellen werden aus Embryonen gewonnen, was ethisch umstritten ist. iPS-Zellen umgehen das.