Nowotwór wykształca się z jednej komórki, która z nieznanej przy­czyny przestaje reagować na normalne bodźce kontrolujące jej rozwój i podział. Komórka ta zaczyna się dzielić, jej komórki potomne także nie rozwijają się w normalny sposób i wrastają pomiędzy sąsiednie ko­mórki i tkanki oraz rozprzestrzeniają się przez układ krwionośny i lim- fatyczny do innych narządów. Rozrastające się komórki nowotworowe powodują zniszczenie tkanki, z której pochodzą, tkanek sąsiednich oraz tkanek, do których nastąpiły przerzuty. W ten sposób zachowują się nowotwory złośliwe, czyli rak. Dwie podstawowe cechy nowotwo­rów złośliwych to nieograniczony miejscowy rozrost oraz zdolność do rozprzestrzeniania się w całym organizmie (przerzuty). Guzy lub no­wotwory, które nie wrastają w sąsiednie tkanki i nie mają przerzutów, to nowotwory łagodne. Mechanizm powstawania każdego nowotwo­ru złośliwego jest inny, lecz podstawowe zmiany są bardzo podobne. Jak więc rozpoczyna się proces rakotwórczy? Co nagle psuje się w nor­malnych systemach kontrolnych komórki?

Rozmnażanie się komórek, ich cykl rozwoju i podziału znajdują się pod ścisłą kontrolą. Komórka dzieli się na dwie komórki potomne we­dług dokładnego planu, regulowanego przez tak zwane geny rozwojo­we oraz liczne mechanizmy kontrolne. Po każdym podziale obie ko­mórki potomne wchodzą w fazę zastoju, gdy niejako odpoczywają. Każdy następny podział komórkowy może rozpocząć się dopiero po ponownej rundzie syntezy DNA. Podczas produkcji DNA jego ilość podwaja się, tak aby po podziale obie komórki potomne znowu miały jego cały zestaw. DNA jest wiernie kopiowany, nad jego bezbłędnym powielaniem czuwają enzymy naprawcze oraz wiele procesów kon­trolnych.

Rak zaczyna się rozwijać, gdy cykl podziału komórki zostaje z jakie­goś powodu rozregulowany. W przeciwieństwie do komórek normal­nych, po podziale komórki rakowej komórki potomne nie wchodzą w fazę spoczynku, lecz niemal natychmiast rozpoczynają syntezę DNA (często z wieloma błędami) i ponownie się dzielą. Często zmiana jed­nej fazy rozwoju komórki powoduje lawinę zaburzeń. Większość tych zaburzeń rozwoju i kontroli jest spowodowana zmianami w genach rozwojowych i kontrolnych. DNA raz zmutowanej komórki staje się mniej stabilny i następne mutacje u jej potomstwa zachodzą o wiele częściej. Lecz nie każda mutacja, nawet w centralnych systemach kon­troli rozwoju i wzrostu komórki, powoduje powstanie raka (tak zwa­ną transformację nowotworową). Dopiero gdy nastąpi seria kumulują­cych się zmian, seria szkodliwych mutacji genów obronnych lub kon­trolnych, dochodzi do nieodwracalnego przeobrażenia komórki nor­malnej w rakową.

Podział i wzrost komórek reguluje wiele różnych rodzajów genów. Cztery podstawowe typy genów, których zmiany mogą spowodować raka to: onkogeny (geny rakotwórcze), geny supresorowe transforma­cji nowotworowej (antyonkogeny), geny, których mutacje powodują zaburzenia kontroli śmierci komórkowej (tak zwanej apoptozy) oraz geny, których mutacje powodują zaburzenia naprawy DNA. Onkoge­ny, a raczej protonkogeny, to geny bardzo podobne do wirusowych ge­nów rakotwórczych. Pod wpływem czynników środowiskowych (na przykład zarażenia wirusowego lub napromieniowania) geny te ulegają mutacji, zmieniają się w czynne geny rakotwórcze i powodują niekon­trolowany rozrost komórki. Jeżeli zawiodą geny hamujące rozwój raka (geny supresorowe transformacji nowotworowej), to przekształcenie komórki normalnej w rakową staje się łatwiejsze. A gdy zawiedzie me­chanizm kontroli programowej śmierci komórki, mamy bardzo starą albo bardzo chorą komórkę, która kontynuuje swój żywot, przekształ­cając się w komórkę rakową. W razie uszkodzenia mechanizmów na­prawy DNA dochodzi do nawarstwiania się różnych szkodliwych zmian w kodzie genetycznym, a czasami do rakotwórczych mutacji. Wszystkie te zmiany mogą przyczynić się do transformacji nowotwo­rowej normalnej komórki.

Rak jest chorobą ludzi starszych: im dłużej żyjemy, tym wyższe ry­zyko zachorowania. Ryzyko to idzie w parze z liczbą podziałów ko­mórkowych, bo za każdym razem, gdy komórka się dzieli, zachodzi ry­zyko błędnego skopiowania DNA. Kopiowanie DNA jest bardzo ściśle kontrolowane, błędy w nim są niedopuszczalne. Istnieje specjalna ko­mórkowa maszyneria, która sprawdza kopiowany DNA oraz wyłapuje i poprawia ponad 99% popełnionych błędów. A nawet gdy błąd się prześliźnie, to w większości przypadków zmiany zachodzące podczas podziału pozostają neutralne, nie zagrażają życiu komórki i stabilności kodu genetycznego. Jednak im więcej podziałów komórkowych, tym większe ryzyko, że zupełnie przypadkowy błąd w kopiowaniu obejmie ważny antyonkogen, gen regulujący lub gen naprawy DNA i że roz­pocznie się proces rakotwórczy.

Każdy rak jest w pewnym sensie chorobą genetyczną, bo w jego rozwoju zawsze dochodzi do zaburzeń powielania DNA albo zaburzeń cyklu podziału komórkowego. Nie każdy rak jest dziedziczny, bo zmia­ny rakotwórcze mogą być wywołane czynnikami środowiskowymi, ta­kimi jak napromieniowanie, kontakt ze związkami chemicznymi lub wi­rusami. Zmiany te zachodzą wyłącznie w tkankach, które przeistacza­ją się w raka, a nie w komórkach rozrodczych, dlatego nie mogą być dziedziczone. Istnieją jednak dziedziczne zespoły chorobowe spowo­dowane mutacjami w pewnych genach, które obniżają odporność or­ganizmu na raka. Wtedy ryzyko zachorowania na raka jest o wiele większe niż u ludzi bez tych zmian genetycznych.