Zaprogramowana śmierć komórki nazywana jest apoptozą, zdarzeniem zwykle spowodowanym uszkodzeniem wewnętrznym lub sygnałami z otaczających tkanek. Apoptoza i rak są powiązane na dwa ważne sposoby. Po pierwsze, nowotwory nie mogą rosnąć, jeśli normalny system bezpieczeństwa w organizmie je wykryje i wywoła ich samozniszczenie, więc nowotwory często blokują mechanizmy, dzięki którym organizm zaznacza niekontrolowany wzrost tkanek pod kątem apoptozy. Po drugie, komórki rakowe dezaktywują geny, które kodują białka niezbędne do niszczenia komórek nowotworowych. Chemioterapia wykorzystuje związek między apoptozą a rakiem poprzez uszkadzanie guzów i oznaczanie ich na śmierć.
Apoptoza występuje, gdy sygnały chemiczne inicjują proces samozniszczenia w komórce, poprzez zmiany w błonie, degradację DNA w jądrze i trawienie białek komórkowych przez wyspecjalizowane enzymy. Istnieją dwa rodzaje szlaków, które powodują apoptozę komórki: wewnętrzny, który jest inicjowany przez mutacje DNA, oraz zewnętrzny, który czerpie wskazówki z zewnątrz komórki. Zewnętrzny szlak może być wyzwalany przez hormony, toksyny i inne cząsteczki zdolne do aktywacji specjalnych miejsc w komórce, znanych jako receptory śmierci.
We wczesnych stadiach powstawania guza dochodzi do mutacji w DNA, które zmieniają związek między apoptozą a rakiem, co pozwala na niekontrolowany wzrost komórek. Rak obejmuje patologiczne zmiany w cyklu, w którym komórki rozmnażają się i proliferują, zdarzenia, które normalnie wywołują apoptozę, gdy zostaną wykryte w zdrowych komórkach. Czasami odbywa się to poprzez tłumienie kodowania genów ważnych białek, których organizm używa do sygnalizowania tkankom nowotworowym eliminacji przez apoptozę. Nowotwory mogą również wydzielać przekaźniki chemiczne, które mylą lub blokują proces, który zwykle nakazuje komórkom rakowym samozniszczenie.
Ważny gen, p53, koduje białka przekaźnikowe, które powodują apoptozę. Niektóre nowotwory wywołane przez wirusy hamują aktywację tego genu i sprawiają, że komórki nowotworowe są mniej wrażliwe na aktywację receptorów śmierci. Niezależnie od tego, czy jest to spowodowane przez wirusy, czy nie, w nowotworach zwiększa się wytwarzanie przez komórki substancji przyspieszających wzrost. Normalnie organizm reaguje na niekontrolowaną proliferację określonego typu komórek, powodując masową apoptozę, ale podczas onkogenezy – powstawania raka – równowaga między apoptozą a rakiem skłania się ku wzrostowi komórek, a nie śmierci.
Leczenie chemioterapeutyczne często zależy od związku między apoptozą a rakiem. Większość z tych leków zakłóca również syntezę DNA i podział lub wzrost komórek, ale te mechanizmy ostatecznie działają w celu zniszczenia komórek nowotworowych, zanim się podzielą i wykonają więcej kopii samych siebie. Różne leki aktywują różne punkty na ścieżce, która również prowadzi do zaprogramowanej śmierci komórki, czasami poprzez zwiększenie wrażliwości receptorów śmierci na komórkach nowotworowych. Ponieważ niektóre nowotwory złośliwe nie reagują już na sygnały samozniszczenia, naukowcy są zainteresowani opracowaniem chemioterapii, które mogą bezpośrednio wywoływać naturalne zdarzenia apoptozy.