DNA甲基化（DNA methylation）是指在DNA甲基化转移酶（DNMT）催化下，以S-腺苷甲硫氨酸为甲基供体，将活性甲基转移至DNA链中特定碱基上的化学修饰过程。哺乳动物基因组中，DNA甲基化多发生在CpG二核苷酸中的胞嘧啶的5位碳原子。DNA甲基化是一种表观（epigenetic）修饰，它在不改变DNA序列的情况下，对个体的生长、发育、基因表达模式以及基因组的稳定性起到重要的调控作用，并且这种修饰在发育和细胞增殖的过程中是可以稳定传递的。近年来的大量研究表明，DNA异常甲基化与肿瘤的发生、发展、细胞癌变有着密切的联系。
肿瘤DNA甲基化的变化表现在基因组总体甲基化水平的降低和某一些基因启动子区域CpG岛甲基化水平的升高：抑癌基因和DNA修复基因的甲基化使得抑癌基因沉默和修复基因失活，因而对于肿瘤的抑制作用丧失，同时基因损伤增加；而基因组总体甲基化水平的降低，使原癌基因和反转录转座子活化，染色体稳定性下降。
1. 高甲基化
1.1 抑癌基因高甲基化
正常细胞中，由于抑癌基因处于较高的转录表达水平，因而维持了细胞的正常状态。但在肿瘤细胞中，抑癌基因启动子区域的CpG岛处于高甲基化状态，因而抑癌基因沉默，使得细胞脱离正常的细胞周期，进入肿瘤发生过程。抑癌基因CpG岛甲基化最在发现于Rb基因（retinoblastoma, 视网膜母细胞瘤），此后在肿瘤细胞中陆续发现一些细胞周期调控相关蛋白（p16INK4a、p15INK4a、p14ARF、RASSF 1A 等）、细胞凋亡基因（DAPK、TMS1等）等的高甲基化现象。其中p16、p53、RASSF 1A等在多种肿瘤细胞中均表现为高甲基化状态，而其他某些基因仅在特定的肿瘤细胞中维持高甲基化。
1.2 DNA修复基因高甲基化
DNA错配修复系统（mismatch repair system, MMR）是在人类细胞中存在的一种修复DNA碱基错配的自身保障体系，由一系列特异修复DNA错配的酶组成，它不同于其它抑制基因对细胞的无序增长具有直接的作用，而是通过修复DNA复制过程中产生的错误，维持基因组的稳定性，避免突变，间接抑制肿瘤的发生。目前已发现人类的MMR系统含有9个错配修复基因，其中以hMLH1和hMSH2功能最为重要。MMR基因保证了DNA复制的高度保真，一旦MMR基因发生突变或启动子甲基化引起错配修复基因失活，导致机体错配修复功能的降低，进而导致整个基因组的不稳定，从而使某些癌基因和抑癌基因的突变在体内得到快速聚集，肿瘤由此发生，表现为肿瘤细胞的DNA多为二倍体或近二倍体的含量。MMR基因启动子高甲基化在结直肠癌、胃癌、脑胶质瘤等肿瘤细胞中均有报道。
表1 常见的被甲基化抑癌基因与修复基因及其部分相关肿瘤
启动子CpG岛甲基化抑制基因的转录通过以下途径：1) DNA甲基化阻止转录因子与其识别位点的结合；2) DNA甲基化使其更易与转录抑制蛋白结合，使该基因转录失活；3)甲基化的CpG岛使其招募组蛋白脱乙酰酶(HDAC)家族成员而改变染色体状态，从而影响基因转录。
2. 低甲基化
2.1 原癌基因激活
正常细胞中，由于甲基化作用原癌基因多处于沉默状态，但在多种肿瘤细胞中，均发现原癌基因处于低甲基化状态，并且低甲基化状态与其蛋白表达升高密切相关，表明低甲基化状态可使原癌基因激活。
2.2 转座子活化
转座子是可移动的基因序列，包括LINE-1、HERV-K等，在人类基因组中含量丰富，正常情况下处于被甲基化状态而转录沉默。而在肿瘤细胞中，由于基因组总体甲基化水平的降低，这些序列也因去甲基化而活化，转移位置导致基因片段的插入和缺失。
2.3 诱导染色体不稳定性
肿瘤细胞中基因组总体甲基化水平的降低，导致高频率的染色体重组或杂合性丢失（loss of heterozygosis, LOH），使得基因组不稳定性增加，Science与2003年刊登的3篇论著认为这可能是导致肿瘤发生的原因之一。
3. DNA甲基化导致基因突变
基因突变普遍存在于生物体细胞中，但在正常情况下，基因突变发生的频率非常低，而在肿瘤细胞中，基因突变发生的频率大大提高。肿瘤细胞中由于DNA甲基化的位点多在CpG岛5'胞嘧啶，甲基化的5-mCpG二核苷酸中的5-mC能以较高的速率脱氨基转换成T，所以该位点是基因突变的常见位点。
4. miRNA的超甲基化
肿瘤细胞另一个重要的特点是miRNA表达水平的整体下降，通常也是由于miRNA启动子区域高甲基化造成的。这种miRNA表达失活不仅与肿瘤的发生发展有关，而且与肿瘤的转移密切相关。如肿瘤细胞中miR-148a、miR-34b/c、miR-9这三种miRNA都发生了明显得超甲基化，同时外源表达这三种miRNA均可抑制肿瘤细胞的生长和转移。
肿瘤发生是一个涉及多基因、多步骤的复杂过程，越来越多的研究表明DNA甲基化在肿瘤的发生、发展、转移中起到了重要的作用，特征性甲基化位点对于肿瘤的诊断、分型、预后及治疗具有重要意义。
