世界卫生组织的工作报告指出:结肠癌是世界范围内最为常见的恶性肿瘤之一,具有高发生率、高复发率和高死亡率的三高特点,2018年,其发病率和死亡率排名均高居第四位。现有的治疗手段面临转移的晚期结肠癌患者中位生存期和5年总体生存率过低的难题,生物治疗成为其新的探索方向。结肠癌的发生发展与基因的表达和表观遗传修饰的异常密切相关,并且越来越多的研究表明,表观遗传修饰可以通过改变多种信号通路中肿瘤相关基因的表达促进结肠癌的发生发展。传统的转录组和表观遗传组高通量测序主要是组织样本的批量细胞(bulk)测序,利用测序结果表征细胞整体的状态,但是丰度较低的转录本和表观遗传修饰存在丢失。单细胞测序手段有力地解决了肿瘤内高度异质性对于低丰度信号影响的问题。DNA甲基化修饰的稳定性使其成为表观遗传研究的热点。本论文对在结肠癌的发生发展过程中,对表达和甲基化存在差异的基因进行鉴定并研究其发挥作用的机制。研究主要分为三部分内容。首先,为了探究直接促进结肠癌发生发展的基因,识别在结肠癌细胞中表达异常的基因集并对其进行功能分析,揭示了结肠癌发生发展的可能的分子机制。接下来,鉴定在结肠癌细胞中甲基化异常的基因集并研究其功能,发现各类别之间基因集差异不明显,暗示了结肠癌中可能的核心甲基化基因。最后,基于已有的研究结果,选择表达与甲基化负相关的基因作为结肠癌的标志基因集,其功能分析揭示了结肠癌发生的早期、关键性的生物学过程。本论文基于转录组数据,探索了各类别结肠癌细胞中差异表达的基因集及其功能,发现各类别特异性显著,并且富集到了Alzheimer disease,Huntington disease和Parkinson disease通路,暗示了结肠癌与神经系统疾病之间可能的联系。利用DNA甲基化数据,确定结肠癌发生发展过程中甲基化异常的模式,各类别并无显著差异,提示了结肠癌发生发展过程中可能的核心甲基化基因,另一个重要的发现是某些差异的甲基化基因会对认知、学习、记忆和神经系统产生影响,再一次提示了结肠癌与神经系统疾病之间联系的可能性。对转录组数据与甲基化组数据进行联合分析,确定各类别结肠癌细胞的标志基因,基因集主要被富集在免疫相关生物学过程中,提示免疫力对于结肠癌发生发展的重要影响;同时,鉴定到2个各结肠癌类别共有的鲁棒的标志基因。本论文有助于进一步探究结肠癌的发生发展的分子机制和临床上对于结肠癌的更早、更精确的诊断以及开发更有效的治疗方法,具有非常重要的理论意义和应用价值。