t Core Team, R:A Language and Environment for Statistical Computing. 2009]。元 RNA 表达数据使用 在R统计环境中可获得的微阵列分析工具的Bioconductor套件的affy和limma包被 分析[Gentleman, R. , Bioinformatics and computational biology solutions using R and Bioconductor. 2005, New York:Springer Science+Business Media, xix,473p ； Gentleman,R.C.et al. (2004) Bioconductor : open software development for computational biology and bioinformatics. Genome Biol. 5, R80] 〇 鲁棒的多芯片平均 (GCRMA)背景校正和分位数标准化被用于生成探测组表达值[Irizarry，R. A. et al. (2003) Exploration,normalization,and summaries of high density oligonucleotide array probe level data. Biostatistics. 4, 249_64!U 对于每个数据集，总体线型模型 被拟合到复制品的所有群组的数据，并且特定的感兴趣对比物（"治疗"和"对照"条件 的比较）被评价以生成用于该表达阵列上的每个探测集的元P值，所述元P值进而通过 Benjamini-Hochberg过程被调节。这些方法被应用到下面被称为例1和例2的两个测试用 例。
[0131] 例1 :体内和体外系统上作为用于CS暴露的生物标记的异生物质代谢网络
[0132] 人类和其他哺乳动物被配备了精细的机构来解决致癌物和其他有毒化合物； 防卫系统包括由细胞色素 P450酶（CYP;1相）引起的氧化反应，然后是由2相酶引起 的结合反应。这些酶依次将亲脂性化学化合物转化成能够从人体排除的亲水性可溶 于水的形式[Burchell，B.et al. (2005) Substrate Specificity of Human Hepatic Udp-GlucuronosyItransferases. Methods in enzymology. 400, 46-57 ；Guengerich, F. P. (2001)Common and uncommon cytochrome P450 reactions related to metabolism and chemical toxicity. Chem Res Toxicol. 14, 611-50 ；Pfeifer, G. P. et al. (2002) Tobacco smoke carcinogens, DNA damage and p 53mutations in smoking-associated cancers. Oncogene. 21，7435_745l!U也存在于香烟烟雾（CS)中的多环芳径（PAH)的转 化可以导致能够与基因组DNA相互作用的致癌中间物的产生[Kim，J.H.et al. (1998) Metabolism of benzo[a]pyrene and benzo[a]pyrene-7,8-diol by human cytochrome P450 IBI. Carcinogenesis. 19, 1847_53!U这些相互作用贡献于DNA加合物的形成并 且当未被修复时可能导致突变[Piipari，R.et al. (2000)Expression of CYP1A1，CYP IB land CYP3A，and polycyclic aromatic hydrocarbon-DNA adduct formation in bronchoalveolar macrophages of smokers and non-smokers. Int J Cancer. 86, 610-6 ； Phillips,D.H.et al. (1990)Influence of cigarette smoking on the levels of DNA adducts in human bronchial epithelium and white blood cells. Int J Cancer. 46, 569-75]。各种基因编码异生物质代谢酶（如基因编码CYP和谷胱甘肽S-转 移酶（GST)族）响应于CS暴露而被过度表达[Kim，J.H. et al. (1998)Metabolism of benzo [a]pyrene and benzo [a]pyrene-7, 8-diol by human cytochrome P450 IBI. Carcinogenesis. 19,1847-53 ；Chari,R. et al. (2007)Effect of active smoking on the human bronchial epithelium transcriptome. BMC Genomics.8,297 ；Spira, A. et al. (2004)Effects of cigarette smoke on the human airway epithelial cell transcriptome.Proc Natl Acad Sci USA. 101, 10143-8 ；Sutter, T. R.et al. (1994) Complete cDNA sequence of a human dioxin-inducible mRNA identifies a new gene subfamily of cytochrome P450that maps to chromosome 2. J Biol Chem. 269, 13092-9 ; Shimadaj T. et al. (1996)Activation of chemically diverse procarcinogens by human cytochrome P-450 1B1.Cancer Res. 56, 2979-84 ;Fukumoto, S. et al. (2005) Overexpression of the aldo-keto reductase family protein AKR1B10 is highly correlated with smokers ' non-small cell lung carcinomas. Cl in Cancer Res. 11, 1776-85 ；Piipari, R. et al. (2003)Glutathione S-transferases and aromatic DNA adducts in smokers ' bronchoalveolar macrophages. Lung Cancer. 39, 265-72 ； Beane, J. et al. (2011)Characterizing the impact of smoking and lung cancer on the airway transcriptome using RNA-Seq. Cancer Prev Res (Phila). 4, 803-17], 并且这些发现已在暴露给烟雾的啮齿动物组织中重现[Gebel，S.et al. (2004)Gene expression profiling in respiratory tissues from rats exposed to mainstream cigarette smoke. Carcinogenesis. 25, 169-7848 ；Gebel,S.et al. (2006)The kinetics of transcriptomic changes induced by cigarette smoke in rat lungs reveals a specific program of defense, inflammation, and circadian clock gene expression. Toxicol Sci. 93,422-31]。
[0133] 异牛物质代谢网络樽铟的发展异生物质代谢网络模型是细胞应激网络的子网 络[Schlage, ff. K. et al. (2011)A computable cellular stress network model for non-diseased pulmonary and cardiovascular tissue. BMC Syst Biol. 5, 168]，其中芳 烃受体（taof (Ahr))的转录活动是中心。Ahr是由异生物质激活的转录因子并且调控目 标基因的表达（例如exp (CyplAl))。由Schlage等人公布的原始网络[Schlage, W. K. et al. (2011)A computable cellular stress network model for non-diseased pulmonary and cardiovascular tissue. BMC Syst Biol. 5, 168]可被更新以更精确地表不发生在肺 和呼吸道中的过程。当前异生物质代谢网络中的节点和边在用例的上下文被示出如下（图 2C) 〇
[0134] 网络扰动幅度（NPA)评分本文描述的生物网络模型可以被用在任何相关数据 集上以获得受给定刺激影响的生物过程的定性概观。该公开的计算方法使能对生物过 程的扰动的定量测量[Martin, F.et al. (2012)Assessment of network perturbation amplitude by applying high-throughput data to causal biological networks. BMC Syst Biol. 6, 54]。特别是通过在计算中整合网络拓扑以及边的方向性和符号，这里给出的 新网络扰动幅度（NPA)克服了先前已知算法的一些限制和假设[Martin，F.et al. (2012) Assessment of network perturbation amplitude by applying high-throughput data to causal biological networks. BMC Syst Biol. 6,54]。图 2厶不出 了使用网络模型通过 对差异表达基因的数学转换来评估的网络扰动幅度分数。除了将实验误差考虑在内的NPA 分数的置信区间之外，被导出以通知关于网络中描述的生物学特性的NPA分数的特异性的 同伴统计还分别被示出为*0和k*，如果对应的p值低于显著性级别（这里为0.05)的话。 同伴统计（也称为0统计和K统计）的导出被联系图6和图7更详细地描述。
[0135] 使用网络方法的转录组数据的分析为了证明NPA方法的有效性，异生物质代谢网 络被与来自呼吸道刷检的三个体内数据集相比较。图2B示出了对照异生物质代谢网络模 型来评分的体内支气管刷检数据集。虽然大的个体变异在人类种群中被预期，但是异生物 质代谢网络可以可重现地捕捉所有三个数据集中的扰动。图2C示出了异生物质代谢网络 的上下文中的人类支气管刷检数据集的比较（i-ii)。每个数据点表示网络中的节点。每幅 图中的插图示出网络中节点下的基因表达的可比较性。网络中节点下游的基因的差异表达 级别有几分可比性（图2C中的插图）；然而，网络节点上的分数高度对齐。
[0136] 当前的研究集中在与人类对象中模拟烟雾暴露相关且鲁棒的体外培养系统。体 外器官型人源气管/支气管上皮假复层培养物在形态学和分子级别上都非常类似于人类 呼吸道的上皮组织[Bosse，Y.et al. (2012)Molecular Signature of Smoking in Human Lung Tissues. Cancer Res. 72, 3753-3763 ；Karp, P. H. et al. (2002) An in vitro model of differentiated human airway epithelia. Methods Mol. Biol. 188, 115-137 ；Mathis, C. et al. (2013)Human bronchial epithelial cells exposed in vitro to cigarette smoke at the air-liquid interface resemble bronchial epithelium from human smokers. American Journal of Physiology-Lung Cellular and Molecular Physiology ； Maunders, H. et al. (2007)Human bronchial epithelial cell transcriptome: gene expression changes following acute exposure to whole cigarette smoke in vitro. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 292, L1248-56 ；Pezzulo, A. A. et al. (2011) The air-liquid interface and use of primary cell cultures are important to recapitulate the transcriptional profile of in vivo airway epithelia. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol.300，L25-31]。在先前的研究中，在暴露给在气液界 面处的主流CS达14分钟外加24小时的后暴露的正常人类支气管上皮细胞的器官型体 外培养物和来自吸烟者的支气管刷检之间，可转换机理被识别[Mathis，C.et al. (2013) Human bronchial epithelial cells exposed in vitro to cigarette smoke at the air-liquid interface resemble bronchial epithelium from human smokers. American Journal of Physiology-Lung Cellular and Molecular Physiology](图 3A) 〇 该例的目 的是比较暴露给在气液界面处的主流CS达14分钟外加24小时的后暴露的正常人类支气 管上皮细胞的器官型体外培养物与来自体内支气管刷检的转录组数据之间的异生物质代 谢分数。这些分析可以被扩展以将异生物质代谢网络模型用作CS暴露的读出器。图3B示 出了异生物质代谢网络的上下文中的三个体内数据集和一个体外数据集的评估。图3C示 出了异生物质代谢网络模型的上下文中的体内数据集与体外数据集的单独比较（i-iii)。 每个数据点表示网络中的节点。每幅图中的插图示出网络中节点下的基因表达的可比较 性。图3B和图3C示出在暴露给CS的体内系统和吸烟者支气管刷检中，网络中节点的相似 活动。通过对比，网络中节点下游的基因的差异表达没有明显关联（图2B和图2C中的插 图）。总之，本公开证明了在网络节点级别体内和体外情况的可比较性优于差异表达基因级 别上的可比较性。
[0137] 例2 :用于CS暴露和停止后C57/B16老鼠的肺中的受扰动过程的量化的机理性方 法
[0138] 慢性阻塞性肺病（COPD)是世界上慢性病和死亡的主要原因[Mathers，⑶.and Loncar jD. (2006)Projections