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摘要泌尿生殖系统(Genitourinary,GU)肿瘤是一种常见的恶性肿瘤，主要包括肾癌，尿路上皮癌和前列腺癌。早期诊断和针对性的个性化治疗至关重要。<br>　　最近的研究发现血浆细胞游离DNA(cfDNA)断裂并不是一个完全随机的过程。其断裂位置会受到核小体定位的影响，同时数种核酸内切酶参与到血浆cfDNA的片段化过程中，由此产生一系列“片段组学”特征，如特定的片段化长度图谱以及cfDNA末端序列特征等。这些特征在血浆cfDNA中已经证明具有很好的诊断潜能。但目前对于尿液cfDNA的断裂机制及其产生的特征图谱没有详尽的研究，对于尿液cfDNA的这些特征能否提高泌尿生殖系统(GU)肿瘤检测的临床敏感性尚不清楚。<br>　　为了对尿液cfDNA断裂产生的片段组学特征图谱进行研究，我们将177例GU肿瘤患者和94例非肿瘤对照人群纳入发现队列。此外，我们进一步引入了一个独立验证集，包括30名非肿瘤对照人群和66名GU肿瘤患者。我们首先对尿液cfDNA长度相关的片段化特征(FP)进行了研究，利用尿液cfDNA低覆盖度全基因组测序(sWGS)数据，获得了长度相关的片段化特征。结果显示，与对照组相比，GU肿瘤患者尿液cfDNA的长片段比例较高(209-280bp)，短片段比例较低(140-208bp)。我们通过5个基分类器构建了一个集成分类器GUIDER，利用FP特征和CNA特征对GU肿瘤进行了检测和定位。与没有将FP特征纳入分析的结果(74.62％)相比，构建的集成分类模型GUIDER在整合FP和CNAs特征后获得了更高的平均分类准确率(87.52％)。在独立验证集中，GUIDER的检测和分类表现仍然良好，证明了模型有着非常好的泛化能力。我们进一步对尿液cfDNA断裂所产生的末端序列模式进行了研究。在上述队列的sWGS数据中，提取了不同长度的cfDNA末端序列。我们发现，尿液cfDNA的断裂位点有着非常强的偏好性，更倾向于多聚嘧啶区域的附近。利用该特征对泌尿系统三种肿瘤进行分类，曲线下面积(AUC值)提高到最高0.852。这暗示尿液cfDNA的末端序列模式在泌尿系统肿瘤中具有很好的诊断潜力。<br>　　在我们的诊断模型中，前列腺癌的诊断效果不太理想。为了对其基因组特征和转录特征进行深入的研究，我们通过单细胞转录组测序技术全面表征了14名未经治疗的前列腺癌患者的肿瘤内异质性。利用inferCNV在所有患者中鉴定了肿瘤细胞的遗传进化亚克隆，进一步的分析揭示了四种转录亚型，EMT样(亚型0)、Luminal A样分化细胞(亚型1)、Luminal B/C祖细胞样细胞(亚型2)和基底样细胞(亚型3)。每个肿瘤都含有不同程度对应于四种转录状态的恶性细胞。我们发现遗传不同的亚克隆呈现出发育亚型的偏好性，转录异质性也可能在肿瘤生态内的癌症进展、适应和进化中发挥重要作用。通过CellChat对细胞间通讯关键的信号通路进行分析，我们发现部分信号通路被显著富集，这些在细胞通讯中高度富集的信号通路在前列腺癌中经常地被激活，使其可以作为新的生物标志物和治疗靶点。<br>　　我们进一步在TCGA队列中验证了肿瘤细胞转录可塑性的作用。鉴于肿瘤微环境暗示了其在塑造肿瘤细胞可塑性中的作用，我们发现较高比例的亚型0肿瘤细胞和肿瘤生态较高的细胞多样性与较差的预后相关。