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膀胱癌是泌尿系统肿瘤中最常见的恶性肿瘤。在我国，膀胱癌的发病率为6.61/10万，在泌尿系统肿瘤中排第一位。膀胱癌发生的危险因素主要包括吸烟、芳香胺类致癌物、砒霜、膀胱的慢性感染、电离辐射和非那西汀类药物的滥用。根据病理特征，膀胱癌在临床上分为浅表型(70％)和浸润型(30％)两大类。膀胱癌最大的特点是极易复发，目前临床上没有很好的预防和治疗策略。 近年来，肿瘤干细胞学说受到肿瘤研究者的高度关注和认同。肿瘤干细胞假说认为肿瘤中存在着一小部分具有类似干细胞功能的细胞，具有自我更新和可塑性潜能，在启动肿瘤形成和生长中起着决定性作用。肿瘤干细胞在多种肿瘤中被鉴定分离出来，是具有极强的致瘤能力，以及耐药和转移能力的细胞。现有的治疗措施尚无法针对肿瘤干细胞发挥作用，这可能是导致肿瘤耐药和复发的主要原因。膀胱癌干细胞在2008年被鉴定出来，但人膀胱癌干细胞的进化起源和干性维持机制尚没有被研究清楚。本论文通过对膀胱癌干细胞的单细胞测序为人膀胱癌干细胞的起源提供了遗传学证据;并通过表达谱芯片的分析方法，鉴定了组蛋白甲基转移酶SUV39H1参与膀胱癌干细胞自我更新的维持，阐明了其调控膀胱癌干细胞干性维持的机制。 第一部分研究工作中，我们利用CD31、CD45、CD44和Pan-CK标记物分离了三例膀胱癌患者的正常膀胱上皮干细胞(pan-CK+CD44+)、正常膀胱上皮非干细胞（pan-CK+CD44-）、膀胱癌干细胞(CD31-CD45-CD44+)和膀胱癌非干细胞(CD31-CD45-CD44-)。然后对上述四类细胞中的59个单细胞进行了DNA提取和多重置换扩增，扩增的产物用来进行单细胞外显子测序。通过对测序结果的分析，我们在膀胱癌干细胞中发现了19个特异突变基因。遗传图谱分析证明，在2例膀胱癌病例中，膀胱癌干细胞起源于正常膀胱上皮干细胞;另1例膀胱癌病例，膀胱癌干细胞起源于膀胱癌非干细胞。我们筛选了ARID1A等15个膀胱癌干细胞特有的突变基因，利用LentiCRISPRv2的方法在膀胱癌细胞系EJ和T24中引入基因突变。通过体外干细胞成球实验和体内肿瘤形成实验，鉴定了ARID1A，GPRC5A和MLL2三个基因在膀胱癌细胞中同时突变可以使膀胱癌细胞获得肿瘤干细胞特征，表明这三个基因在膀胱癌干细胞的干性维持中具有重要作用。同时，我们对51例膀胱癌患者的膀胱癌干细胞检测上述三个基因的突变，它们的突变频率分别为23.53％(ARID1A)、19.61％（GPRC5A）和21.57％(MLL2)。膀胱癌干细胞同时具有上述三个基因突变时，膀胱癌患者术后更容易复发。 第二部分研究工作中，我们利用CD44标记物分离了三种膀胱癌细胞系EJ、T24和5637的膀胱癌干细胞(CD44+)和膀胱癌非干细胞(CD44-)，然后对上述三对细胞分别进行了表达谱芯片的分析。根据芯片的分析结果，我们发现三种细胞系的膀胱癌干细胞共同高表56个基因，包括干性基因SOX2、GLI1、CD44和STAT3等。将56个共同高表的基因进行了基因本体论(Gene Onto1ogy)分析，我们发现大部分的基因富集到了组蛋白修饰和染色质结构调控的信号通路上，这些基因包括SUV39H1、NSD1、SET、 HDAC4、PAX5等9个基因。然后我们在膀胱癌细胞系干细胞和原代膀胱癌干细胞中对上述基因进行了验证，结果发现组蛋白甲基转移酶SUV39H1在膀胱癌于细胞中高表达，其表达水平与膀胱癌患者的生存时间呈现负相关性。SUV39H1高表达可以促进膀胱癌干细胞的干性维持以及提高致瘤能力。通过染色质免疫共沉淀的方法，我们发现SUV39H1可以对GATA3的启动子区域进行甲基化修饰从而抑制其表达，GATA3的转录抑制，促进了STAT3的转录激活，从而参与了膀胱癌干细胞的干性维持。体外干细胞成球实验和体内肿瘤形成实验进一步证明，STAT3的激活是膀胱癌干细胞的自我更新维持所必需的。我们通过组学的分析，还发现STAT3的表达水平与膀胱癌患者的生存时间呈现负相关性。 综上所述，本论文通过膀胱癌干细胞的单细胞测序，证明了膀胱癌干细胞起源于正常膀胱上皮干细胞的突变或膀胱癌非干细胞的去分化;并鉴定了ARID1A，GPRC5A和MLL2三个基因的突变可以导致膀胱癌细胞获得肿瘤干细胞特征。我们还发现，组蛋白甲基转移酶SUV39H1在膀胱癌干细胞干性维持中的作用，并阐明了其调控干性维持的分子机制。这些研究发现将加深我们对膀胱癌干细胞自我更新机制的认识，为膀胱癌的临床干预提供新的指导策略。