International conference on bioinformatics of genome regulation

Key words: DNA repair, database, genomic uracil
Generally, the molecular events in successive steps of DNA repair are much better un-
derstood than their regulation. Base excision repair (BER) is regulated at several levels, 
including posttranslational modifications, protein interactions, protein stability and cell 
cycle expression. We have focused our research on genomic uracil and it’s repair. Ge-
nomic uracil may result from spontaneous or enzymatic deamination of cytosine, giving 
rise to mutagenic U:G mismatches, or from incorporation of dUMP during replication, 
giving rise to U:A pairs that are potentially mutagenic through errors in BER. Three ma-
jor DNA glycosylases, UNG, TDG and SMUG1, initiate BER of genomic uracil. These 
proteins have different functions, as reflected by their catalytic properties, interactions 
and cell cycle regulation [1,2]. We recently established a database on the cell cycle regu-
lation of all known DNA repair and chromatin remodeling proteins (www.dnarepair-
genes.com) [3] and demonstrated that DNA glycosylases are differentially expressed. 
In most cells, BER supports essentially error-free repair of genomic uracil. However, 
in B-cells enzymatic deamination of cytosine to uracil by AID in Ig-genes is required 
for adaptive immunity, in which UNG has a non-canonical mutagenic role. Although 
essential as an immunological defense mechanism, this is also a risky process. Thus, 
we found that genomic uracil is significantly higher in B-cell lymphoma cell lines com-
pared to non-lymphoma cancer cell lines and normal circulating lymphocytes, suggest-
ing off-target deamination of cytosine to uracil by AID [4]. The genomic uracil levels 
correlated with AID mRNA and protein expression, but not with expression of other 
APOBECs. Accordingly, AID knockdown significantly reduced genomic uracil content. 
B-cells stimulated to express endogenous AID and undergo class switch recombination 
displayed a several-fold increase in total genomic uracil, indicating that B cells may 
undergo widespread cytosine deamination after stimulation. In line with this, we found 
that clustered mutations (kataegis) in B-cell lymphoma and chronic lymphocytic leuke-
mia predominantly carry AID-hotspot mutational signatures. Moreover, we observed an 
inverse correlation of genomic uracil with uracil excision activity and expression of the 
uracil-DNA glycosylases UNG and SMUG1[4]. In conclusion, AID-induced mutagenic 
U:G mismatches in DNA may be a fundamental and common cause of mutations in  
B-cell malignancies.
1.  Krokan H.E. and Bjørås M. (2013) Base Excision Repair. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 2013 Apr 
1;5(4). a012583. 
2.  Krokan H.E., Sætrom P., Aas P.A., Pettersen,H.S., Kavli B. and Slupphaug G. (2014) Error-free versus 
mutagenic processing of genomic uracil – relevance to cancer. DNA Repair (Amst.)19:38-47.
3.  Mjelle, R., Hegre, S.A., Aas, P.A. Slupphaug, G., Drabløs, F., Sætrom, P. and , Krokan, H.E. (2015) Cell 
cycle regulation of human DNA repair and chromatin remodeling genes. DNA Repair (Amst) 30:53-67.
4.  Pettersen HS, Galashevskaya A., Doseth B., Sousa1 M.M.L., Sarno A., Visnes T., Aas P.A., Liabakk N.B., 
Slupphaug G., Sætrom P., Kavli B. and Krokan H.E. (2015) AID expression in B-cell lymphomas causes 
accumulation of genomic uracil and a distinct AID mutational signature. DNA Repair (Amst.) 25:60-71.

161
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
EFFECT OF LENTIVIRUS-MEDIATED SHRNA INACTIVATION 
 OF HK1, HK2, AND HK3 GENES IN COLORECTAL CANCER 
AND MELANOMA CELLS
A.V. Kudryavtseva
1, 2
*, M.S. Fedorova
1
, O.L. Kardymon
1
, A.A. Dmitriev
1
, A.I. Afre-
mova
1
, D.V. Kochetkov
1
, A.V. Lipatova
1
, A.F. Sadritdinova
1, 2
, I.Y. Karpova
1
,  
K.M. Nyushko
2
, D.V. Kalinin
3
, N.N. Volchenko
2
, N.V. Melnikova
1
, A.A. Belova
1, 2
, 
M.A. Chernichenko
2
, K.M. Klimina
4
, N.V. Nasedkina
1
, A.S. Zasedatelev
1
, D.V. Sidorov
2
, 
A.Y. Popov
2
, G.S. Krasnov
1
, A.V. Snezhkina
1
 
1
 Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
2
 Herzen Moscow Cancer Research Institute, Ministry of Health of the Russian Federation, Moscow, Russia
3
 A.V. Vishnevsky Institute of Surgery, Moscow, Russia
4
 Vavilov Institute of General Genetics, Russian Academy of Sciences Moscow, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: Warburg effect, hexokinases, shRNA, glycolysis, melanoma, colorectal cancer
The switch from oxidative phosphorylation to glycolysis in proliferating cancer cell even 
under aerobic conditions has been shown first in 1926 by Otto Warburg. Today “Warburg 
effect” is known as a metabolic phenotype, a hallmark of malignant tumors. This shift is 
associated with alterations in signaling pathways involved in energy metabolism, includ-
ing glucose uptake and fermentation, and regulation of mitochondrial functions. It has 
been shown that many genes encoding glycolytic enzymes are dysregulated in cancer. 
Hexokinases (HKs), which catalyze the first step of glycolysis, have been identified to 
play a role in tumorigenesis of human colorectal cancer (CRC) and melanoma. However, 
the mechanisms of HKs in the promotion of tumor growth remain elusive. The pur-
pose of this study is to investigate the effect of silencing hexokinase genes (HK1, HK2, 
and HK3) in colon cancer (HT29, RKO, HCT116, CW480, and HCT15) and melanoma 
(Ksen, Kor, Z, and Cher) cells using short hairpin RNA (shRNA) lentiviral vectors. shR-
NA lentiviral plasmid vectors PLSLP-HK1, PLSLP-HK2, and PLSLP-HK3 were con-
structed and then transfected separately or co-transfected into cells. The results indicated 
that shRNA-mediated attenuation of HK2 and HK3 separately, as well as one together 
led to increased apoptosis rates of cancer cells and decreased glucose metabolism. HK1 
gene inactivation did not result to significant changes in apoptotic rate or cells growth. 
Co-transfection by shRNA vectors against HK1, HK2, and HK3 together resulted in a 
rapid cell death by apoptosis. Thus, our results suggest that HK2 and HK3 genes are the 
key therapeutic targets for reducing aerobic glycolysis. This study shows a promising 
strategy for colorectal and melanoma cancer therapy.
This work was financially supported by grant 14-15-01083 from the Russian Science 
Foundation. Part of this work was performed using the equipment of EIMB RAS “Ge-
nome” center (http://www.eimb.ru/rus/ckp/ccu_genome_c.php).

162
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
COMPUTER SOFTWARE FOR STATISTICAL ANALYSIS  
OF GENES LOCATION RELATIVE TO CHROMOSOME  
CONTACTS REVEALED BY CHIA-PET
E.V. Kulakova*, A.M. Spitsina 
1 
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
2 
Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: sequencing, ChIA-PET, Hi-C, chromosome contacts, genome, CTCF sites
Motivation and Aim:  Several  technologies  based  on  chromatin  immunoprecipitation 
(ChIP) have been developed to study the binding of transcription factors (TF) to genom-
ic DNA including microarray (ChIP-chip), ChIP-PET and ChIP-Seq [1]. The challenge 
is to define whether such distal binding sites are functional, i.e. physically proximal to 
target gene promoters via chromosome loops attracting RNA polymerase II complex for 
gene transcription [2]. Chromatin Interaction Analysis with Paired-End-Tag sequenc-
ing (ChIA-PET) method fits these demands still requiring development of specialized 
high-throughput software for data integration [2].
 
The aim of the work was to develop 
a computer program for statistical data analysis and test it on CTCF (CCCTC-binding 
factor) binding sites, genes and spatial topological domains.
Methods and Algorithms: We used data on the location of CTCF binding sites clusters 
obtained by ChIA-PET as well as obtained experimentally by methods Hi-C, ChIA-PET 
[2]. Gene annotation was obtained from UCSC Genome Browser (http://genome.ucsc.
edu).
Results: In result has been developed computer software for statistical analysis and visu-
alization of results for experimental data obtained by ChIA-PET and Hi-C. The program 
was developed in Java language that calls modules based on R and Matlab environment 
using library such as Rserve and MatlabControl. The program has graphical user inter-
face. This tool has function such as identification gene location near to domains bound-
ary; near to binding sites of transcription factor; visualization of heatmap based on pairs 
of CTCF binding sites; distributions of human genes relative CTCF binding sites and a 
randomly generated list of such sites.
Conclusion: We considered a model the location of genes relative chromosome loops 
and binding sites. Genes of RefSeq are located inside the loop between the sites ac-
counted for half of the total. It was revealed that most of the genes in the chromosomal 
loops are arranged individually
Availability: Software is available from the author upon request 
Acknowledgements: The work is supported by ICG budget project 0324-2015-0003.
References:
1.  E.V. Ignatieva et al. (2015) Regulatory Genomics: Combined Experimental and Computational Ap-
proaches, Russian Journal of Genetics, V. 51, 4: 334-352.
2.  G. Li et al. (2012) Extensive promoter-centered chromatin interactions provide a topological basis for 
transcription regulation, Cell V.148. 1-2: 84-98.

163
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
SYSTEMIC ROLE OF ALLELIC VARIANTS IN A 2Q22  
REGION IN MAJOR AGE-RELATED DISEASES AND  
LIFESPAN
A.M. Kulminski*, L. He, I. Culminskaya, Y. Loika, Y. Kernogitski, K.G. Arbeev,  
E. Loiko, L. Arbeeva, O. Bagley, M. Duan, A. Yashkin, F. Fang, M. Kovtun, 
S.V. Ukraintseva, D. Wu, A.I. Yashin
Biodemography of Aging Research Unit, Social Science Research Institute, Duke University, Durham, USA
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: healthspan, lifespan, aging, geroscience
Motivation and Aim: Gaining insights into genetic influences on age-related diseases 
and lifespan is a challenging task complicated by the elusive role of evolution in these 
phenotypes. Combining approaches from genome-wide and candidate-gene studies may 
be beneficial.
Methods and Algorithms: Genome-wide scan of participants of the Atherosclerosis Risk 
in Communities (ARIC) Study (N = 9,573) was used to pre-select promising loci. Candi-
date-gene methods were used to comprehensively analyze associations of novel uncom-
mon variants in Caucasians (minor allele frequency~2.5%) located in band 2q22.3 with 
risks of coronary heart disease (CHD), congestive heart failure (CHF), stroke, diabetes, 
cancer, neurodegenerative diseases (ND), and mortality in the ARIC study, the Fram-
ingham Heart Study (N = 4,434), and the Health and Retirement Study (N = 9,676). We 
leveraged the analyses of pleiotropy, age-related heterogeneity, and causal inferences.
Results: Meta-analysis of the results from these comprehensive analyses shows that the 
minor allele increases risks of death by about 50% (p = 4.6×10
-9
), CHD by 35% (p = 
8.9×10
-6
), CHF by 55% (p = 9.7×10
-5
), stroke by 25% (p = 4.0×10
-2
), and ND by 100% 
(p = 1.3×10
-3
). This allele also antagonistically influences each of two diseases, diabetes 
and cancer, in different populations. Combined significance of the pleiotropic effects 
was p = 6.6×10
-21
. Causal mediation analyses show that endophenotypes explained only 
small fractions of these effects. This locus harbors an evolutionary conserved gene-des-
ert region with non-coding intergenic sequences likely involved in regulation of protein-
coding flanking genes ZEB2 and ACVR2A. This region is intensively studied for muta-
tions causing severe developmental/genetic disorders.
Conclusion: Our analyses indicate a promising target region for interventions aimed to 
reduce risks of many major human diseases and mortality.

164
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
COMPARATIVE EXPRESSION LANDSCAPES IN REPLICA-
TIVE AND STRESS INDUCED PREMATURE SENESCENCE
K.C. Kural
1
, N. Tandon
2
, O.V. Kel-Margoulis
2
, A. Baranova
1, 3, 4
*
1 
School of Systems Biology, George Mason University, Fairfax, VA USA
2 
geneXplain, Wolfenbüttel Germany
3 
Federal State Budgetary Institution “Research Centre for Medical Genetics”, Moscow, Russia 
4 
ATLAS Biomed Group, Moscow, Russia
* Corresponding author: [e-mail]; [e-mail]
Key words: senescence, ageing, expression landscapes, distance analysis
Motivation and Aim: Senescence is the phenomenon accompanying the cessation of cell 
division in population of normal diploid cells. It can happen naturally in form of repli-
cative senescence or may be a consequence of external challenges such as oxidative or 
radiation stress. It is widely believed that the senescence provides a protection against 
possible tumor formation. This research aimed at identifying differentially expressed 
gene signatures chracteristic for replicative and stress induced senescence in human fi-
broblast cells. 
Methods and Algorithms: We employed geneXplain bioinformatics software platform. 
Our approach was to classify the differentially expressed genes by their functions to 
dissect the involvement of these genes in various cell cycle processes and the pathways 
involved in senescence. The list of genes which are exclusively up and down regulated in 
stress induced senescence and replicative senescence were compared. The genes unique 
for each of these two types of senescence were then subjected to promoter analysis. Po-
tential transcription factor (TF) binding sites were used to deduce master regulators that 
control the activity of these downstream genes.
Results: Our analysis suggests that the Aurora-A kinase pathway is the master regula-
tor central to both types of cell senescence. IL-1α, GM-CSF, MKP-2, MKK3, GDNF, 
TRIM36, MLTK are identified as specific contributors to replicative senescence, while 
BTEB-2, SHIP-110, SPK, and CDP play a role in stress induced senescence. 
Conclusion: Our study outlines converging pathways for stress induced and replicative 
senescence, and connects mitochondrial stress with replicative cellular aging through 
accumulating failures of the centrosomal homeostasis. 
Availability: on request.

165
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
TRANSCRIPTOMICS OF THE CRYOBIOTIC LEECH  
OZOBRANCHUS JANTSEANUS
S.V. Kuznecova
1
, D. Suzuki
2
, M.D. Logacheva
3
, O.S. Kozlova
1
, T. Kikawada
4
, 
R.M. Sabirov
1
, O.A. Gusev
1
1
 Kazan Federal University, Kazan, Russia
2 
Tokyo University of Marine Science and Technology, Tokyo, Japan
3
 M.V. Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia
4 
National Institute of Agrobiological Sciences, Tsukuba, Japan 
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: transcriptome, cyobiosis, turtle leech, Ozobranchus jantseanus
Motivation and Aim: The Ozobranchus jantseanus is the turtle leech capable to survive 
after exposure to super-low temperature.[1] In contrast to known cryotolerant inverte-
brates the turtle leeches does not require prolonged pre-conditioning and resist immediate 
freezing. However, in natural habitat leeches are never exposed to such low temperatures.  
Further understanding of the genetic mechanisms underlying such a unique ability would 
contribute to development of new technologies in non-toxic cryopreservation of living 
cells and tissues of animals.
Methods and Algorithms: In the order to address the processes underlying cryotolerance 
ability we analyzed transcriptional changes in the leech on different stages of exposure 
to low temperature. We analyzed of mRNA expression in 4 groups of leeches: active 
animals, immediately after freezing, and further recovery for 3,5h and 24h after freezing. 
Results: De-novo assembly of the transcriptome resulted in 99 624 coding transcripts. 
Among them, we observed dramatically changes in expression between control and 3,5h 
group. In 3,5h group we selected a cluster with 143 most up-regulated transcripts. Sur-
prisingly that among them more than 25% are orphan genes and they weren’t found in 
known organisms in data base. We observed increasing in RPKM value for transcripts 
coding tyrosinase, coadhesin, thrombospondin type 1, destabilase, properdin, brain-spe-
cific angiogenesis inhibitor, alpha-2-macroglobulin and etc. A significant increase in the 
expression value of transcripts of heat shock protein is not detected.
Conclusion: Among the most up-regulated by freezing transcripts expressed in the 
leech, 56% are represented by products of unknown genes. Furthermore, 25% of them 
are orphan, Ozobranchus-specific genes. We suppose that among them, there are some 
new candidate uncharacterized cryoprotectors and further in vitro studies will be done 
for deeper understanding of this phenomenon.
Acknowledgements: The work is performed according to the Russian Government Pro-
gram of Competitive Growth of Kazan Federal University 
References:
1.  Dai  Suzuki,  Tomoko  Miyamoto,  Takahiro  Kikawada,  Manabu  Watanabe,  Toru  Suzuki  (2014)  
A Leech Capable of Surviving Exposure to Extremely Low Temperatures, PLoS ONE 9(1): e86807. 
doi:10.1371/journal.pone.0086807 2. 

166
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
A MATHEMATICAL MODEL FOR PREDICTING  
OF IGD–CD27+B LYMPHOCYTES LEVELS IN DONORS’ 
BLOOD
S.R. Kuznetsov
1
*, I.V. Kudryavtsev
2
, A.V. Orekhov
1
, A.V. Polevshchikov
2
,  
M.K. Serebriakova
2
, V.I. Shishkin
1
1 
St. Petersburg State University, St. Petersburg, Russia
2 
Institute of Experimental Medicine, St. Petersburg, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: mathematical model, systems immunology, flow cytometry, T cells, B cells
Motivation and Aim:  Previously  we  proposed  to  use  McKendrick–von  Foerster  age-
structured population model to describe proliferation and differentiation processes of 
T and B-lymphocytes in the immune response [1, 2]. In this work McKendrick–von 
Foerster equation is used to define parameters of IgD+CD27+ lymphocytes prolifera-
tion in a healthy person. As a result, a formula was built, allowing to predict the level 
of IgD– CD27+ lymphocytes from the data of IgD+CD27+ B lymphocytes level and 
CD3+CD4+CXCR5+CXCR3–CCR6–CCR4+ Tfh2 lymphocytes level.
Methods  and Algorithms: We  supposed  that  levels  of  IgD+CD27+,  IgD–CD27+  and 
Tfh2 cells of a healthy person do not changes over the time, and it is possible to use a 
stationary solution of McKendrick–von Foerster equation. Optimal parameters of the 
model were determined by the Monte Carlo method, using the data on the level of lym-
phocytes in the blood of 30 donors. For verification of the model, there was used data 
from 19 donors. Based on verifying data (in particular concentrations of IgD+CD27+ B 
cells and Tfh2) there were made predictions of the level of IgD–CD27+ B cells for each 
of 19 donors; the result was compared with experimental data.
Results: The formula has been obtained to determine the level of IgD–CD27+B-lympho-
cytes from the data of IgD+CD27+ and Tfh2 lymphocytes levels in the venousblood of 
donors. Verification revealed the comparison of experimental data with prediction made 
by the model; the correlation coefficient for 19 donors was 0.65.
Conclusion: The proposed model reliably describes the process of IgD+CD27+B-lym-
phocytes proliferation in a healthy person.
Availability: The derived computational scheme for predicting the level of IgD–CD27+B 
cells can be applied in a clinical practice.
References:
1.  S.R. Kuznetsov (2015) Mathematical model of the immune response, Vestnik S.-Petersburg Univ. Ser. 10. 
Prikl. Mat. Inform. Prots. Upr., 4: 72–87. (In Russian).
2.  S.R. Kuznetsov (2015) Mathematical Model of the Humoral Immune Response: Focusing On Thl7 
Autoimmunity, Math. Biol. Bioinf., 10(2):455-472. doi: 10.17537/2015.10.45

167
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
TARGET ENRICHMENT TECHNOLOGIES FOR APPLIED  
RESEARCH
D.A. Kwon
Agilent Technologies Russia, Moscow, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: NGS, target enrichment, amplification, hybridization, custom
Motivation and Aim: (text): NGS as an approach gave a powerful breakthrough in 
genomics, transcriptomics and epigenetics research and provides a tool for evaluation 
of wide range of principles, regularities and even mechanisms of genome functioning. 
The current stage of NGS is an applied research for clinical and biotechnological fields. 
Where not whole genome\transcriptome but more discrete objectives appears.  Target 
enrichment – is a group of methods for library preparation for NGS to study genome\
transcriptome in any scale – from single gene up to whole functionally significant part of.
Methods and Algorithms: (text): Agilent Technologies, Inc. provides wide menu of target 
enrichment kits, using two technologies – amplification (Haloplex technology) for small 
amounts of starting material and hybridization (SureSelect and OneSeq). These kits 
are able to provide high quality NGS libraries with excellent on target index for wide 
range of experiments – from small number of genes up to whole-exome and NGS-based 
cytogenetics for comprehensive, all-in-one detection of genome-wide CNVs, copy-
neutral LOH (cnLOH), SNPs, and indels analysis in one target enrichment capture.
Important to mention that any of the kits above can be used with custom design for any 
object. 
Also Agilent Technologies, Inc. provides wide range of NGS-related products for
-  In silico Design of custom NGS Target Enrichment panels
-  NGS data analysis software
-  NGS libraries quality control
-  NGS workflow automation

168
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
CHARACTERIZATION OF NOVEL ALKANE-DEGRADING 
AND BIOSURFACTANT-PRODUCING STRAIN  
TSUKAMURELLA TYROSINOSOLVENS PS2
A.V. Laikov
1
*, E.A. Boulygina
1
, V.A. Romanova
1
, T.V. Grigorieva
1
1 
Kazan Federal University, Kazan, Russia
* Corresponding author: [e-mail]