四、基因毒应激
基因毒应激（genotoxic stress）是指生物体暴露于各种有害的理化和内外环境因素之下，基因组DNA发生损伤进而诱导细胞凋亡的反应。在生物体中保存基因组序列信息对生命的延续具有极为重要的生物学意义。基因突变在生物体生命的维持和进化中起着不可或缺的作用，然而也导致癌症、某些人类疾病以及衰老。众所周知，DNA作为遗传的基本单位，是一种内在的活性分子，对内源性和外源性的化学修饰非常敏感。此外，参与DNA复制和修复的DNA聚合酶会出错，从而使细胞承受潜在的不利突变。然而，细胞具有错综复杂且精密的系统，包括DNA修复、损伤耐受性、细胞周期检查点和细胞死亡通路，这些系统的共同作用，减少DNA损伤带来的有害后果。
细胞通过激活强劲的DNA损伤反应（DNA damage response，DDR）通路对DNA损伤做出反应，这使得特定的DNA修复途径有足够的时间以底物依赖的方式物理地消除损伤。在细胞周期的不同阶段，至少有5条主要的DNA修复途径：碱基切除修复（base excision repair，BER）、核苷酸切除修复（nucleotide excision repair，NER）、错配修复（mismatch repair，MMR）、同源重组（homologous recombination，HR）和非同源末端接合（nonhomologous end joining，NHEJ），使细胞能够修复DNA损伤。一些特定的病变也可以通过直接化学逆转和链间交联（interstrand crosslink，ICL）修复来去除。这些修复过程是维持细胞遗传稳定性的关键。此外，某些类型的DNA损伤是DNA损伤耐受途径的底物。例如，在高等真核生物中，一个由五个主要跨损伤合成（translesion synthesis，TLS）聚合酶精心组织的聚合酶小组-REV1、POLζ、POLη、POLκ和POLι，能够在DNA损伤未被修复的状态下进行复制延伸，维持基因组稳定性，但也不可避免的会引起DNA突变。在这种情况下，当受损的DNA持续存在时，程序性细胞死亡或凋亡（对DNA损伤的一种调节性反应）被激活，以清除具有广泛基因组不稳定性的细胞。
在许多癌症中，DNA修复、DNA损伤耐受性和DDR途径被破坏或失去调控，突变和基因组的不稳定性增加，从而促进癌症发展。同样，衰老也归因于染色体末端的磨损和这些通路组合的能力的丧失。其他疾病，如神经退行性疾病，通常是由一个以上的通路组合失败造成的。2015年诺贝尔化学奖获得者Lindahl、Modrich和Sancar博士强调了DNA损伤和修复机制的重要性及其对人类健康的影响。
1.DNA损伤的类型·DNA损伤按其来源可分为内源性和外源性两大类。大多数内源性DNA损伤是由具有化学活性的DNA分别与细胞内自然存在的水和活性氧（reactive oxygen species，ROS）发生水解和氧化反应引起的。DNA与周围环境分子的这种固有的倾向性反应助长了遗传性疾病和散发性癌症的发展。另一方面，环境、物理和化学因素对DNA造成损伤时，外源性DNA损伤就发生了，如紫外线和电离辐射、烷基化剂和交联剂。
2.内源性DNA损伤
（1）复制错误、DNA碱基错配和拓扑异构酶-DNA复合物：每次细胞复制过程中大约有3×109个碱基被高保真复制聚合酶（δ和ε）复制。然而，一系列其他的DNA聚合酶（α、β、σ、γ、λ、REV1、ζ、η、ι、κ、θ、ν、μ、Tdt和PrimPol）可以在DNA复制或修复过程中进行低保真度的DNA合成。高保真DNA的合成是复制型DNA聚合酶的本身结构和生化特性的结果，它确保正确的互补脱氧核苷酸插入模板的相反位置。这种高保真性的完成主要通过以下方法实现：①插入的d NTP和模板碱基的热力学稳定性和碱基对之间的能量作用；②在聚合酶的活性部位选择形状和大小正确的d NTP；③用3′-5′脱氧核苷酸外切酶去除错误插入的脱氧核苷酸。此外，错配修复（mismatch repair，MMR）途径可以纠正复制中躲过聚合酶校对的罕见错误，从而使复制保真度提高100倍以上。然而，碱基替换，单碱基插入和删除错误仍然以每代细胞10-8到10-6的频率累积。重复序列中复制滑移事件（strand slippage events）会累积额外的复制错误，导致插入和删除核苷酸，从而可能改变阅读框。其他时候，由于细胞环境中d NTPs和r NTPs的相对和绝对浓度发生变化，复制性聚合酶错误地将尿嘧啶并入DNA中，或最终导致保真度受损。这些不正确配对/合并的核苷酸逃避了校对和MMR，在下一轮复制中成为突变，是基因自发突变的主要来源。
内源性DNA损伤的另一个来源是拓扑异构酶的作用（如TOPⅠ、TOPⅡ、TOPⅢ，人类基因组中有7个TOP基因），这些酶主要在复制和转录过程中消除DNA上的超螺旋张力。TOP1在DNA翻译和转录过程中催化单链DNA的断裂和连接，从而松弛DNA超螺旋，促进复制与转录的进行。拓扑异构酶Ⅰ抑制剂能够阻断DNA链的再连接，结果导致TopⅠ断裂复合物的积累，抑制复制和转录，造成DNA损伤，从而激活DNA损伤检验点，抑制细胞生长和诱发凋亡。喜树碱是最早发现也是最重要和最广泛使用的拓扑异构酶Ⅰ抑制剂。
（2）自发脱氨基作用：碱基脱氨基也是人类细胞自发突变的主要来源，其中DNA中的胞嘧啶（C）、腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）和5-甲基胞嘧啶（5mC）失去其外环胺，分别变成尿嘧啶（U）、次黄嘌呤、黄嘌呤和胸腺嘧啶（T）。有趣的是，与双链DNA相比，这些碱基脱氨基反应在单链DNA中发生的频率要高得多，而且发生在活跃的复制、转录和重组过程中。例如，在胞嘧啶脱氨基的情况下，在第一轮复制中，原本C：G碱基对改变为U：A碱基对，这在下一轮复制中导致CG→TA突变。虽然胞嘧啶和5-甲基胞嘧啶最常发生脱氨作用，但5-甲基胞嘧啶的脱氨频率是胞嘧啶的3～4倍。尿嘧啶脱氧核糖核酸糖基化酶可迅速从DNA中除去脱氨基的胞嘧啶，而5-甲基胞嘧啶脱氨产生的G：T碱基对则是胸腺嘧啶DNA糖基化酶（TDG）和相对缓慢的MMR过程的底物。因此，CpG序列的GC→AT突变占人类遗传性疾病单位点突变的1/3。
除内源性脱氨源外，环境暴露于紫外线、嵌入剂、亚硝酸和亚硫酸氢钠一般都能提高DNA中的碱脱氨率。从进化的观点来看，内源性和外源性的胞嘧啶脱氨作用可能是遗传多样性的来源。
（3）无碱基位点：当连接含氮碱基和磷酸糖主链的N-糖基键自发水解或被DNA糖基化酶裂解生成BER途径中的中间产物时，DNA中会不断产生无碱基或AP（无嘌呤/无嘧啶）位点。例如，当尿嘧啶被尿嘧啶DNA糖基化酶从DNA中除去时，AP位点就形成了。在人类细胞中，每天大约产生10000个无碱基位点；极端的pH条件和高温都会对它们的生成产生影响。无碱基位点本质上是不稳定的，很容易从β-消除反应中转化为单链断裂（single strand breaks，SSBs）。大多数AP位点能够被AP内切酶在其5′端有效地去除，并允许BER途径进行修复。目前尚不清楚其他外源压力是否也能直接在基因组中推动AP位点形成。
（4）氧化性DNA损伤：活性氧（reactive oxygen species，ROS）是有氧生物细胞呼吸过程中电子传递链（electron transport chain，ETC）的典型副产物，另外还来源于分解代谢氧化酶、合成代谢过程和过氧化物酶体代谢。低水平ROS在氧化还原信号反应中充当细胞信使，并通过免疫系统对入侵病原体产生重要的防御反应。但是，过量的ROS能引起大约100种不同的氧化性损伤和2-脱氧核糖修饰。通常，ROS的损伤作用在细胞中通过以下方式调节：①限制线粒体室的呼吸，从而保护其他细胞成分；②通过组蛋白复合物保护DNA；③通过抗氧化酶——超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶——来抑制多余的ROS。尽管如此，过量的活性氧与人类疾病的发展有着显著的联系，如癌症、AD、PD、糖尿病和心力衰竭。
最常见的ROS是超氧自由基（·O2—）、过氧化氢（H2O2）和羟基自由基（·OH）。在这些ROS中，作为H2O2与Fe2+的Fenton反应的副产物生成的（·OH）自由基是迄今为止最活跃的，能够破坏DNA、蛋白质和脂类。这些亲电性的（·OH）自由基与DNA碱基发生反应：①增加他们的双键；②从其甲基中提取氢原子；③攻击其附近的糖残基。例如，胸腺嘧啶乙二醇残基是由（·OH）攻击胸腺嘧啶的C5/C6双键生成的。同样，H2O2和Fe2+的Fenton反应产生的副产物（·OH）自由基在鸟嘌呤和腺嘌呤中诱导咪唑开环，形成嘌呤片段结构甲酰胺嘧啶。鸟嘌呤C-8残基羟基化形成的另一个具有生物学意义的主要氧化DNA碱基损伤是饱和咪唑环7，8二氢-8-氧鸟嘌呤（8-oxo-G）。8-氧鸟嘌呤不正确地与腺嘌呤而不是胞嘧啶配对，从而增加了总的突变负荷，并且由于其氧化电位低而被进一步氧化为其他有害的次生DNA损伤。
除了攻击DNA碱基，ROS自由基还可以破坏DNA主链，在哺乳动物细胞中，每个细胞每小时估计会造成2300条单链断裂。当BER途径修复氧化的碱基时，DNA主链的断裂由单链断裂修复（single strand break repair，SSBR）或双链断裂修复（double strand break repair，DSBR）途径修复。最后，脂质过氧化作用，即脂质分子被羟基自由基氧化，生成丙二醛和4-羟基壬烯醛等醛类产物，与腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶反应形成诱变加合物。每106～107个母本DNA碱基中有1个加合物是由脂质过氧化事件引起的，对于金属储存疾病，如Wilson病和血色素沉着症，突变加合物的数量预计会更高。
（5）DNA甲基化：在正常的甲基化反应中，S-腺苷甲硫氨酸（SAM）被甲基转移酶用作甲基供体，在哺乳动物中，每天每个细胞也能自发产生多达4000个N7甲基鸟嘌呤、600个N3甲基腺嘌呤和10～30个O6_甲基鸟嘌呤残基。其他甲基化剂包括内源性亚硝化胆盐、甜菜碱、胆碱和环境因素，如烟草烟雾、饮食、污染或N-亚硝基化合物的衍生物。O6_甲基鸟嘌呤及其相关残基O4__甲基胸腺嘧啶和O4__乙基胸腺嘧啶具有高度诱变性，分别产生G：C A：T和T：A C：G转换突变（transition mutations）。相比之下，N3-甲基腺嘌呤由于抑制DNA合成而仅具有部分细胞毒性，而N7-甲基鸟嘌呤残基本质上是无害的，除非它经过自发裂解产生AP位点或打开咪唑环形成甲酰胺嘧啶。SAM产生的其他轻微甲基损伤是突变的N3甲基胸腺嘧啶和N3甲基胞嘧啶。
甲基化碱基可通过两种主要途径从DNA中去除：①通过O6甲基鸟嘌呤DNA甲基转移酶或α-酮戊二酸依赖的双加氧酶AlkB同系物氧化直接逆转DNA损伤；②由DNA糖基化酶启动BER，通过催化糖苷键的断裂来去除甲基化的碱基。另外，O6__甲基鸟嘌呤DNA损伤通过与其他残基的异常碱基配对，可以触发一个MMR的细胞毒性和无效循环。如果不进行修复，甲基化DNA碱基也是自发DNA损伤的主要来源。
3.外源性DNA损伤
（1）电离辐射：电离辐射（ionizing radiation，IR）由α、β、γ、中子和X射线组成，非常丰富地存在于我们的环境中，其产生的来源多种多样，从岩石、土壤、氡到宇宙辐射和医疗器械中都有。每种类型的辐射都可以分类来描述其影响（直接或间接）和电离密度[线性能量转移（linear energy transfer，LET）]。根据转移到物质的能量大小，辐射分为高LET（α射线）或低LET（β和γ）。日积月累，红外光谱可以通过直接或间接的手段损伤DNA，例如通过辐射分解周围的水产生一簇高活性的羟基自由基（·OH）。周围的氧和其他活性物质的存在也通过IR促进了其他DNA活性自由基的形成。事实上，由（·OH）自由基引起的间接DNA损伤约占辐射所致DNA损伤的65％。正因为如此，红外光谱产生的基础损伤谱与活性氧产生的损伤谱相似。
除了引起碱基损伤，电离辐射还引起具有独特特征的单链断裂，其中DNA断裂具有3′磷酸或3′-磷酸二醇酯末端，而不是3′-羟基末端。糖衍生物的片段化和末端碱基残基的丢失会导致聚类损伤或单链缺口形成。AP内切酶、多核苷酸激酶/磷酸酶（polynucleotide kinase/phosphatase，PNKP）和酪氨酸DNA磷酸二酯酶1（tyrosyl DNA phosphodiesterase 1，TDP1）能有效地处理修饰的末端，使IR诱导的DNA单链损伤修复成为可能。一个特别重要的辐射损伤是双链断裂，它是由两个DNA链上紧密相连的多个受损位点形成的。虽然有毒性，但IR诱导的双链断裂可以通过HR途径修复。
（2）紫外线辐射：太阳发出的紫外线辐射（ultraviolet radiation）是导致人类皮肤癌发生的主要原因。通常，紫外线辐射根据波长范围分为3类：UV-C（190～290 nm）、UV-B（290～320nm）和UV-A（320～400nm）。DNA在260nm处吸收最大的紫外线辐射，超过该值，光吸收急剧下降。由于有害的UV-C大多被臭氧层过滤掉了，太阳光主要由5.1％的UV-A、0.3％的UV-B、62.7％的可见光以及31.9％的红外线组成。紫外线对物质的影响主要通过两种传播方式：第一，如果紫外线是可吸收的，物质中的分子会被紫外光激发，导致它们发生光化学变化；第二，如果紫外线不能被直接吸收，来自附近被称为光敏剂的分子的能量转移会间接影响到物质。这两种传播途径都参与紫外线对DNA的破坏。
来自实验室的研究表明，UV-C损伤DNA主要是通过引起两个相邻嘧啶之间形成共价连接。这里两种主要的光产物是环丁烷嘧啶二聚体（CPDs）和嘧啶（6-4）嘧啶酮光产物[（6-4）PPs]。虽然（6-4）PP的产率略低于CPDs，但它们的相对形成频率取决于波长和光剂量。其他次要的光产物也会产生，如水合嘧啶、胸腺嘧啶二醇和双尿加合物。在CPDs中，一个环丁烷环以共价键连接两个相邻的嘧啶，而在（6-4）PP中，一个嘧啶的C6位与相邻的嘧啶的C4位共价键连接，这些体积庞大的二聚体扭曲了螺旋结构，从而导致诱变性的产生。例如，C：G→T：A，T：A→C：G以及特征性的串联CC→TT转换突变都是由嘧啶二聚体引起的。（6-4）PP的一个有趣的特性是，它在UV-B存在下经过光异构化成杜瓦异构体，而在UV-C光照射下又恢复到传统的（6-4）PP结构。如果这些病变没有修复或没有绕过，就会导致细胞毒性。
4.外源性化学药剂
（1）烷化剂：外源性烷基化剂（alkylating agents）主要来自膳食成分、烟草烟雾、生物质燃烧、工业加工和化学治疗剂。亲电性烷基化剂对高亲核碱基环氮有强的亲和力，尤其是对鸟嘌呤的N7和腺嘌呤的N3，与氧的亲和力稍差。实验室中经常使用的最常见的烷基化剂，包括甲基磺酸甲酯（MMS）、甲基磺酸乙酯（EMS）、N-甲基-N′-硝基-N-亚硝基胍（MNNG）和甲基亚硝基脲（MNU），与DNA反应产生致突变和致癌损伤。例如，MMS产生突变的N7-甲基鸟嘌呤和N3-甲基腺嘌呤，这两种物质都易受N-糖苷键断裂的影响，从而产生AP位点，而MNNG和MNU产生O6__甲基鸟嘌呤，与T错配，诱发G：C→A：T突变。
（2）芳香胺：芳香胺（aromatic amines）主要来自香烟烟雾、燃料、煤、工业染料、杀虫剂和日常高温烹饪。其一旦被P450单加氧酶系统激活，芳香胺就会转化为致癌的（酯和硫酸盐）烷基化剂，攻击鸟嘌呤的C8位点。对芳香胺研究最深入的例子是2-氨基芴（AF）及其乙酰化衍生物n-乙酰基-2-氨基芴（AAF），它们最初被用作杀虫剂，直到由于致癌特性而被召回。已知由氨基芴形成的C8鸟嘌呤损伤可形成持久性病变，最终导致碱基替换（base substitutions）和移码突变（frameshift mutations）。C8-鸟嘌呤损伤的诱变特性来自它在DNA上采用两种构象的特性。在芴部分突出的外部构象中，对沃森-克里克碱基配对（Watson-Crick base pairing）的干扰最小，这使得这些异构体被TLS聚合酶有效地绕过。而在内部构象中，损伤的C8鸟嘌呤和它的搭档胞嘧啶被转移到小沟槽中，完全改变了DNA的几何结构，并在DNA上起到非常强的诱变作用。众所周知，NER通路可以修复人类细胞中的C8-鸟嘌呤加合物。
（3）多环芳烃：多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbon，PAH）是具有2个或2个以上芳香环的碳化合物，在环境中是一种惰性、非极性和广泛分布的致癌物质。常见的来源包括烟草烟雾、汽车尾气、烧焦的食物以及有机物和化石燃料的不完全燃烧。这些化合物的致癌性在1775年首次被记录在案，随后从煤焦油中分离出来，并在后来阐明了它们的作用机制。多环芳烃依赖于肝脏的P450系统生成与DNA反应的活性中间产物。光氧化、单电子氧化、多环氧化和氮还原途径也被认为可以激活多环芳烃。
多环芳烃的突出例子是萘、蒽、芘、1-羟基芘、1-硝基芘、苯并（a）芘和二苯并[a，l]芘。其中，研究得最多的是苯并（a）芘。P450激活后，苯并（a）芘生成最终致癌物（+）-抗-BPDE[（+）7，8-羟基-9α，10α-环氧-7，8，9，10-四氢苯并（a）芘]，以及（+）抗BPDE和（-）抗BPDE中间产物。这些中间产物首先插入DNA中，然后BPDE的C10位点与鸟嘌呤的N2外环位点结合形成DNA加合物。就致癌性而言，二苯并[a，l]芘是最强的多环芳烃，构成了人类主要的癌症风险。正常情况下，切除修复途径，如NER和BER在不被TLS聚合酶绕过的情况下可以修复PAH DNA损伤。
（4）其他活性亲电试剂：鉴于篇幅的限制和本小节的讨论范围，我们将只简单地讨论一些其他活性亲电性试剂（reactive electrophiles）对DNA的损伤作用。N-亚硝胺是强致癌物，是烟草烟雾的副产品，人类在腌制肉类中也会遇到它。N-亚硝胺与食管癌、胃癌和鼻咽癌的发生、发展有关。另一种活性亲电性试剂，4-硝基喹啉1-氧化物，具有致癌和诱变性。4NQO1在代谢活化为4-乙酰氧基氨基喹啉1-氧化物（Ac-4HAQO）后，与鸟嘌呤的C8或N2和腺嘌呤的N6形成共价加合物，引起氧化应激，导致8-羟基鸟嘌呤损伤，这些都显著增加了DNA链断裂事件和口腔癌的发生。
最后一个值得注意的化合物是雌激素，它常用于激素替代疗法，长期使用会增加癌症风险。流行病学和临床试验研究表明，与单独使用雌激素相比，联合使用雌激素和孕酮会增加患乳腺癌的风险和其他健康问题。P450 1BI酶复合物在乳腺和其他组织中组成性表达，使雌激素在4位羟基化，产生反应性儿茶酚雌激素，它们要么被氧化成半醌，要么与嘌呤的N3和N7位反应，或者产生ROS。这两种不稳定的大块加合物和氧化剂都会产生AP位点和DNA链断裂。
（5）毒素：天然毒素（toxins）是一类具有遗传毒性和致癌作用的化合物，通常被微生物或真菌用于防御反应。人类和动物对于天然毒物的接触主要源于受污染的谷物、油籽、香料、坚果、牛奶和奶制品。黄曲霉毒素是黄曲霉和寄生曲霉自然产生的毒素，其中黄曲霉毒素B1是最强的肝癌致癌物。黄曲霉毒素B1在被动扩散到细胞后，被P450复合物代谢成活性形式黄曲霉毒素B1-8，9-环氧化物。然后，这种亲电性试剂与鸟嘌呤的N7加合形成带正电荷的产物8，9-二氢-8-（N7-鸟嘌呤基）-9-羟基黄曲霉毒素B1，削弱糖苷键，导致脱嘌呤作用。
（6）环境压力：环境压力源（environmental stressor），如极端的热或冷、缺氧和氧化应激已被证明会导致人体细胞的DNA损伤。这些应激也被证明会引起三核苷酸重复序列的突变，这些重复序列通过alt-NHEJ-DNA修复途径参与神经退行性疾病的发展。
越来越多地发现其他日常使用的生物制品与DNA损伤有关。例如，在化妆品、药品、食品和饮料加工中发现的对羟基苯甲酸丁酯（BP）和双酚A（BPA）与精子细胞DNA损伤有关。众所周知，食品防腐剂[苯甲酸钠（SB）、苯甲酸钾（PB）和山梨酸钾（PS）]和食品添加剂[柠檬酸（CA）、磷酸（PA）、亮蓝（BB）和日落黄（SY）]都会造成DNA损伤。此外，果园工人经常使用的植物保护产品（plant protection products，PPPs）也与DNA损伤有关。这种情况强调了对使用危害人类健康的化学品制定全球监管要求的重要性，因为可能还有未知的化学品具有健康风险。
（7）DNA损伤反应：在DNA被破坏后，损伤特异性传感器蛋白启动DNA损伤反应（DNA damage response，DDR）。DDR是一个机制的集合，这些机制感知DNA损伤，发出信号，并促进随后的修复。DDR因子的聚集是一个时空调控的过程，DDR因子在损伤部位以有序、协调的方式聚集。此外，由于关键的翻译后修饰允许特定的DDR和修复因子的组装，因此染色质重塑是DDR反应的重要调节因子。影响DDR网络成分的突变是几种癌症易感综合征的原因，反映了它们在避免DNA损伤引起的人类疾病方面的重要性。不管怎样，DNA修复途径有效地去除了大多数DNA损伤，否则可能导致突变的形成或阻断复制、转录等代谢过程，从而导致衰老和细胞死亡。
5.DNA损伤与癌症·环境压力如遗传毒性因子可以通过产生活性氧间接或直接与DNA分子相互作用而引起DNA损伤。对遗传物质的破坏可能导致突变，最终导致癌症。研究表明多种类型的癌症都是由一些关键基因突变造成。肿瘤体细胞突变理论（somatic mutation theory，SMT）是最为流行的理论，它提出癌症是由体细胞（而不是生殖细胞）的突变引起的，尤其是与突变细胞增殖增加相关的非致死突变。1953年，沃森和克里克发现了DNA的结构，也暗示了DNA含有遗传信息。之后，卡尔奥诺德林提出，几种突变的基因可能导致癌症。Ashley认为癌症可能是由3～7个基因突变引起的。Alfred Knudson根据他对一些视网膜母细胞瘤病例的观察，修改了Ashley的建议，提出癌症是细胞DNA累积突变的结果，这种突变可能只有两次击中。对于结直肠癌，Fearon和Vogelstein认为4～5个基因突变是恶性肿瘤发生发展的必要条件，突变的积累，而不是其特定的顺序，是肿瘤发生的关键决定因素。最近，这些突变被称为“驱动”突变，赋予细胞生长优势。在人类中，已经发现了350多个与癌症发展有关的突变基因。一项大规模的测序研究表明，大多数肿瘤体细胞突变是不会导致肿瘤发生的“乘客”（passenger），而在筛选出的518个基因中，有120个（约23％）携带“驱动”突变，这种突变可以作为癌症基因发挥作用。其他研究也得出了类似的结论，但是，SMT的基本前提一直受到挑战。
致癌基因包括癌基因和抑癌基因。癌基因会把一个正常的健康细胞变成癌细胞，比如ras基因家族和HER2基因。ras基因产生的蛋白质参与细胞通信通路、细胞生长和细胞死亡，而HER2产生控制细胞生长的特殊蛋白，并在乳腺癌和卵巢癌细胞中广泛分布。相反，肿瘤抑制基因可以保护细胞不发生癌变。肿瘤抑制蛋白通过监测细胞分裂、修复DNA碱基不匹配和控制细胞死亡（凋亡）来控制细胞生长。抑癌基因包括p 53、BRCA 1和BRCA 2。超过50％的人类癌症以p 53基因突变为特征，而大多数p 53基因突变不具遗传性。BRCA 1或BRCA 2基因胚系突变会增加女性患遗传性乳腺癌和卵巢癌的风险。
在2000年被引用次数最多的一篇题为《癌症的特征》的文章中，Hanahan和Weinberg提出，癌症的复杂性可以概括为6个特征，这些特征使正常细胞能够致癌并最终恶性化。这些特征包括：①生长信号的自给自足，意味着肿瘤细胞在没有允许其生长的信号的情况下仍能生长；②对抗生长信号不敏感，也就是说，它们抵制停止生长的信号；③避免细胞凋亡，即抵抗程序性死亡；④无限的复制潜力，所以它们可以无限地繁殖；⑤维持血管生成，即刺激血管生长，为肿瘤细胞提供营养物质；⑥组织侵袭和转移，即侵袭周围组织并向远处扩散。然而，Lazebnik指出，特征①～⑤也是良性肿瘤的特征。在2011年更新的肿瘤特征的文章中，Hanahan和Weinberg提出了4个额外的特征：①异常的代谢途径；②逃避免疫系统；③基因组不稳定；④炎症。