肿瘤生成很大程度上是由各种形式的DNA突变累积驱动的。通过高通量测序，对肿瘤组织的点突变（SNV）、小片段插入和缺失（InDel），拷贝数变异（SCNAs）和结构变异（SV）进行分析是对癌症基因组的基本描述。同时也是寻找致癌基因/抑癌基因，靶向治疗靶点，分子分型，耐药机制等研究的基础。

由于不同癌症之间具有很多相似性，传统上癌症被认为是一类由基因突变累计导致的使细胞拥有无限制分裂和侵袭能力的复杂病。随着我们对癌症的研究愈发清晰，现代医学逐渐发现癌症可以进一步分为由不同突变诱导的临床表现不尽相同的疾病。在许多癌症中，分子分型具有重要的临床指导意义。分子分型也逐渐成为癌症分型和推进个体化医疗的重要环节。

癌症是一种复杂的疾病，是体细胞突变积累的结果。通常癌细胞中的突变分为驱动突变（Driver mutation）和乘客突变（Passenger mutation）两种类型。驱动基因是促使癌症发生的重要基因并对肿瘤的发展起着重要作用。同时，驱动突变也是癌症靶向治疗的重要靶点。检测驱动突变及驱动基因可以进一步理解肿瘤形成的分子机理从而开发更有效的药物治疗癌症。

肿瘤标志物(Tumor Marker)可以是任何可提供治疗指导意义的肿瘤特征。除了常见的靶向药突变靶点，还有指导免疫治疗的PD-L1表达、微卫星不稳定性（MSI）、肿瘤突变负荷（TMB）、错配修复缺陷(dMMR)以及肿瘤浸润淋巴细胞（TIL）等，通过对分子标志物的挖掘可以为临床提供更多有价值的医学信息，帮助实现个体化肿瘤精准医疗。

肿瘤的异质性是恶性肿瘤的特征之一，是指肿瘤病灶内存在包含不同突变的肿瘤细胞亚群。不同亚群具有功能差异并与肿瘤的发展、侵袭转移、复发预后以及药物反应等密切相关。克隆结构分析是研究肿瘤异质性的主要方法之一。对于肿瘤转移或复发的患者，通过比较这些肿瘤或样本间的共有突变和特有突变，构建出它们的进化关系，从而直观地反映出不同样本间的异质性，揭示肿瘤的发展历程。

肿瘤的发生发展大多伴随着基因表达的变化。Microarray在过去常被用来寻找此种联系。随着测序技术的发展，mRNA测序(RNA-Seq)在很大程度上已经代替Microarray用来探究癌症转录组表达水平和结构，进而揭示肿瘤相关的代谢通路改变，这有助于揭示肿瘤发生发展过程中的分子机制、提示影响癌症疗效和预后的因素。

图A：mRNA差异表达分析结果展示，或者mRNA无监督聚类以提示肿瘤的分子亚型(2018-Cancer Cell-The Integrated Genomic Landscape of Thymic Epithelial Tumors.Figure S4A)。

图B：差异基因间的相互作用，可能识别组间发生变化的模块（module或network）。

图C：对差异基因进行功能富集，从信号通路等基因集合的角度，进一步揭示肿瘤发生发展和治疗中起着重要作用的生物过程(2017-Nature communications-Comprehensive analysis of normal adjacent to tumor transcriptomes.Figure3d)。

可变剪接是调节基因表达和蛋白质多样性的重要机制。同一基因经过不同剪切会产生具有不同生物学功能的蛋白。可变剪接在肿瘤中很常见，与细胞凋亡、细胞周期调控、入侵和转移等多种生物学功能相关。RNA测序可以检测转录组水平发生改变的可变剪接，进而探究特定剪切在癌症发生发展中所起的生物学作用。

图A：常见的可变剪接形式(2011-Genome Research-Conservation of an RNA regulatory map between Drosophila and mammals. Figure 2)。

图B：基因的可变剪接事件示例(2011-Genome Research-Conservation of an RNA regulatory map between Drosophila and mammals. Figure 3C)。

DNA甲基化和去甲基化能够调控基因的表达，这在正常发育、疾病、尤其是癌症中起着关键作用。高通量甲基化水平检测可以识别肿瘤中甲基化水平发生显著变化的甲基化位点，在肿瘤的早诊、分型、预后等方面具有重要意义。

图A：DNA甲基化的差异分析结果展示，或者基于DNA甲基化的聚类以提示肿瘤的分型、预后等(2014.4-Nature-Comprehensive molecular profiling of lung adenocarcinoma. Figure 5)。

图B、C：差异甲基化位点的GO和KEGG富集，提示肿瘤发生发展和治疗中起着重要作用的生物过程。

长链非编码RNA（LncRNA）在染色体修饰、X染色体沉默、基因印记、基因的表达与关闭等方面发挥重要的调控作用。通过lncRNA测序，可以获得已知lncRNA和新lncRNA在肿瘤发生发展中的异常表达，分析lncRNA对mRNA的调控，这有助于明确lncRNA与肿瘤的发生发展、分期、预后及复发的关系。

液体活检正迅速成为标准肿瘤活检的一种重要的微创检测手段，其检测结果多数情况下与肿瘤活检高度一致。同时其非侵入式的优势使对肿瘤的长期连续监测成为可能。与传统肿瘤穿刺活检相比，液体活检可以更好地克服肿瘤分子异质性。在不同癌种中，基于不同体液来源（如血液、尿液、粪便、脑脊液、唾液、胸水和腹水）的ctDNA检测已被广泛应用于肿瘤监测。并且，基于ctDNA的癌症早筛也是当下研究热点。

癌症免疫疗法致力于纠正免疫系统对肿瘤的重新识别和杀伤。与传统疗法相比，免疫疗法因其可以实现对肿瘤更广泛的识别和理论上的低复发率而寄予厚望。同时，相较于具有明确用药靶点和耐药机制的癌症靶向治疗，癌症免疫疗法因其直接作用于肿瘤和免疫系统的相互作用而变得较难评估。肿瘤的异质性，主要组织相容性复合体（MHC），免疫细胞对新抗原的识别和呈递能力，免疫细胞的激活和回流能力，免疫细胞的浸润和对癌细胞的识别能力，肿瘤微环境对免疫细胞的抑制能力等许多因素影响着免疫疗法的效果。基于高通量测序结合细胞实验的多组学研究将在评估癌症免疫疗法效果评估中起到重要作用。

癌症在发展过程中伴随着部分肿瘤细胞的凋零。裂解肿瘤细胞中含有肿瘤新抗原（neoantigen）的肽段（epitope）会游离在循环系统时被抗原提呈细胞（APC）识别并呈递给淋巴结的免疫细胞以起始免疫应答反映。通过各种生物工程技术（如免疫疫苗，CAR-T和TCR-T）促进此免疫识别过程一直是癌症治疗研究的热点。这些研究的基础是对具有免疫原型的新抗原的识别。这其中涉及准确地癌症突变检测，表达水平检测，HLA分析以及肽段与HLA的结合强度预测。