结直肠癌作为一种具有高度异质性的肿瘤,在癌症治疗和延长患者生存时间方面存在严峻挑战。结直肠组织内表观遗传学的改变和原癌基因、肿瘤抑制基因以及与DNA修复机制有关基因的突变不断累积可能导致发生结直肠癌。已经有研究发现异常的DNA甲基化发生在癌症早期,并且这些变化的累积会提高结直肠癌发生的几率。不完全甲基化区域（PMRs）是基因组的一个延伸区域,在该区域中表现出了降低的平均DNA甲基化水平,是细胞分化的标志。目前的研究表明PMRs的形成与髓母细胞瘤、乳腺癌和肺癌等肿瘤密切相关。因此,利用单细胞检测技术识别结直肠癌中的不完全甲基化区域,深入解析不完全甲基化区域在细胞间的肿瘤异质性,探索新的结直肠癌诊断及预后标记,破译不完全甲基化区域内部基因与肿瘤微环境的关系,对于结直肠癌的精准治疗有重要意义。本论文利用重亚硫酸盐测序技术检测的结直肠癌组织的全基因组甲基化谱,在癌症和癌旁组织中分别识别到15019和14519个PMRs,发现其在基因组中分布广泛,相比于外部区域,内部的Cp Gs位点的甲基化水平普遍偏低。本研究对已识别的PMRs进行分类及解析,通过对癌症和癌旁组织中的PMRs进行比较分析,将其分为缺失型PMRs、保守型PMRs和获得型PMRs,并且发现缺失型PMRs和获得型PMRs的长度相对较短。功能分析揭示获得型PMRs内基因则富集到与细胞增殖以及有丝分裂等促进肿瘤生长的关键生物学过程。为挖掘结直肠癌中PMRs内的关键功能基因,本研究利用EPIC算法估计了结直肠癌组织内多种细胞类型的比例,并通过WGCNA共表达网络挖掘到与内皮细胞、巨噬细胞和癌症相关成纤维细胞显著相关的PMRs内部的基因功能模块,结合基因与模块内基因的相关性以及基因与性状特征的相关性等指标,共筛选得到6个关键功能基因,分别是BAALC、CNTN1、CPEB1、FAM43B、SFRP1、TLL1。对PMRs内部6个功能基因作为结直肠癌诊断新标记与预后分子的潜力进行评估,发现基因CPEB1、FAM43B和SFRP1有潜力作为结直肠癌早期诊断的新标记,并且结果表明高表达的CPEB1与结直肠癌患者的不良预后相关。在正常组织发展为结直肠癌的演变过程中,CPEB1启动子的DNA甲基化水平和表达值实现同步改变。同时,本论文发现CPEB1的表达与内皮细胞、巨噬细胞和癌症相关成纤维细胞的浸润程度显著正相关。这说明CPEB1的表达失调有可能与肿瘤微环境的变化互相影响,有潜力成为结直肠癌精准治疗的靶点。由于结直肠癌PMRs与肿瘤的微环境有关,因此本研究利用结直肠癌单细胞甲基化谱对获得型PMRs在细胞间的异质性进行探究。本研究发现在肿瘤细胞及其微环境的不同区域PMRs的甲基化水平存在差别,阐释了肿瘤微环境中基因表达异质性的分子基础。本研究利用单细胞甲基化数据对结直肠癌PMRs的特征进行解析,发现结直肠癌细胞中获得型PMRs包含更多比例的蛋白质编码基因。获得型PMRs内部的甲基化水平整体呈下降的趋势,Cp G岛启动子的甲基化水平却发生异常升高,其与相关基因的表达变化具有明显的一致性。综上所述,本文基于结直肠癌的混合测序与单细胞测序的甲基化谱,完成了PMRs的识别并对其进行了功能分析。识别到与癌症相关成纤维细胞浸润相关的预后新标记CPEB1,为结直肠癌的精准治疗提供潜在药物靶点。对结直肠癌细胞中PMRs的异质性分析和异常甲基化研究,为深入理解肿瘤微环境中基因表达异质性提供了新的角度。