International conference on bioinformatics of genome regulation

Key words: Tsukamurella tyrosinosolvens, biosurfactants, alkane, trehalose lipids
Motivation and Aim: Сrude  oil  is  a  necessary  condition  for  the  existence  of 
the world economy and industrial growth. The volume of its exploration and production 
is constantly increased, which results in massive concomitant environmental pollution. 
Among other methods of oil contaminants removal from soil and water the use of hydro-
carbon oxidizing bacteria takes a special place. Novel microorganisms with enhanced 
oxidizing activity or valuable biotechnological features (such as ability to produce bio-
surfactants) are being searched permanently. Biosurfactants, revealed by bacteria, allow 
microbial cells to make a contant with hydrophobic hydrocarbon substrate, increasing 
their biological availability both for biosurfactant-producing bacteria and for other mem-
bers of the community [1]. The aim of our study is characterization of biosurfactants and 
finding its genetic determinants.
Methods and Algorithms: From solid chemical waste the bacterial isolate, which was 
able to utilize alkanes as the sole carbon and energy source, was extracted. According 
to the classification by 16S rRNA sequence, this isolate was identified as Tsukamurella 
tyrosinosolvens str. PS2. The strain was sequenced on the MiSeq (Illumina) platform, 
assembled and annotated. Decreasing of surface tension was evaluated on the area of 
culture medium droplets on the hydrophobic surface. Emulsifying activity was assessed 
by the optical density of the emulsion [2].
Results: Culture fluid of T. tyrosinosolvens PS2 formed a stable emulsion while being 
mixed with hexadecane. The medium with hexadecane appeared to have the highest bio-
surfactants output in comparison with the medium containing glucose or sucrose. It was 
found that biosurfactants of this bacteria are of non-ionogenic nature. 
The genome sequencing of T. tyrosinosolvens PS2 revealed genes of 2 trehalose syn-
thesis  pathways  (trehalose-6-phosphate  synthase,  trehalose-6-phosphate  phosphatase, 
maltooligosyl trehalose synthase and malto-oligosyltrehalose trehalohydrolase). In addi-
tion, mycolyltransferase genes were found. Based on this, we assume that biosurfactants 
of T. tyrosinosolvens PS2 belong to the class of trehalose lipids [3].
Conclusion: New strain T. tyrosinosolvens PS2 is able to simultaneously oxidize alkanes 
and produce biosurfactants into culture fluid. Some properties of these compounds have 
been characterized. Genomic approach allowed us to identify possible ways of biosur-
factant synthesis, with target genes for further research.
References:
1.  R.S. Reis et al. (2013). Biosurfactants: Production and Applications, Biodegradation - Life of Science, 
Dr. Rolando Chamy (Ed.), 31-61 (InTech).
2.  P.U. Mahalingam et al. (2014) Isolation, characterization and identification of bacterial biosurfactant. 
Europ. J. Exp. Biol. 4(6): 59-64.
3.  B. Tuleva et al. (2008). Production and structural elucidation of trehalose tetraesters (biosurfactants) from 
a novel alkanothrophic Rhodococcus wratislaviensis strain. J. Appl. Microbiol. 104(6): 1703-1710.

169
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
3D MAP OF PROLIFERATION ACTIVITY IN ARABIDOPSIS 
THALIANA ROOT TIPS: TRANSITION DOMAIN BOUNDARIES 
AND ITS BILATERAL SYMMETRY
V.V. Lavrekha
1, 2
*, T. Pasternak
3
, N.A. Omelyanchuk
1, 2
, V.B. Ivanov
4
, V.V. Mironova
1, 2
 
1
 Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
2
 LCTEB, Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia
3
 Institute of Biology II/Molecular Plant Physiology, Centre for BioSystems Analysis, BIOSS Centre for 
Biological Signalling Studies University of Freiburg, Germany
4
 Timiryazev Institute of Plant Physiology, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: mitosis, root apical meristem, transition domain, bilateral root symmetry, Arabidopsis thaliana
Background and Aims: The plant root due to its near regular arrangement of cells in 
files is one of the most suitable experimental system to study growth and developmental 
processes. Total root length reflects both cell proliferation and cell elongation rates. Cell 
proliferation occurs in the root apical meristem (RAM) located in the end of the root tip. 
Cells specification in the end of the RAM leads to the cell cycle arrest. Up to date the 
RAM structure (length of the proliferation domain, transition to elongation, arrangement 
of specific cell lineages) was mainly analyzed on 2D images, and this approach has some 
weaknesses considering bilateral symmetry of the root.
Methods: Recently, iRoCS toolbox was developed [1] for annotation of the root tip or-
ganization in three dimensions. Together with the refined experimental procedure for 
detection of cell cycle progression [2], it provides an unprecedented potential to study 
the mechanism of cell cycle regulation in an entire organ. Here, using these techniques, 
we analysed the distributions of the key cell cycle events – DNA replication and mitosis 
in the root tips of Arabidopsis thaliana. Seeds were sterilized and grown on AM medium 
in plates with 22 °C temperature under 16/8 light cycle conditions. 5-th day old seeds 
were incubated in 200 μg/l DAPI/10 µM EdU and 1 mg/ml colchicine for 90 minutes. 
Then, the root tips were investigated using a confocal laser scanning microscope (LSM 
510 Duo Live).
Results: Annotation of the confocal images with EdU and DAPI labelling using iRoCS 
toolbox allowed us to give a new insight on the root tip zonation. Namely, we quantita-
tively showed that the proliferation activity differs for distinct cell types and files. The 
differences were associated with bilateral and radial symmetries of the root. In all cell 
files DNA replication events occurred after the last mitosis and before transition to rapid 
cell growth. 
Conclusion: As a result, the concept of the transition zone emerged which in A. thaliana 
root meristem locates between the last mitoses and last DNA replication events in the 
different cell files.
Acknowledgments: This research was supported in by the Budget project № 0324-2015-
0003 and RSF 14-14-00734.
1.  Schmidt, T., Pasternak, T., Liu et al (2014). The iRoCS Toolbox–3D analysis of the plant root apical 
meristem at cellular resolution. The Plant Journal, 77(5), 806-814.
2.  Pasternak, T., Tietz, O., Rapp, K., Begheldo, M., Nitschke, R., Ruperti, B., & Palme, K. (2015). 
Protocol: an improved and universal procedure for whole-mount immunolocalization in plants. Plant 
methods, 11(1), 1

170
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
POLY(ADP-RIBOSE) POLYMERASE 1 AND REGULATION  
OF DNA REPAIR
O.I. Lavrik
1, 2
1
 Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine SB RAS, Russia
2
 Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: PARP1, PARP2, poly(ADP-ribose), BER, protein-protein interaction
Motivation and aim: The phenomenon of nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+)-
dependent poly(ADP-ribosyl)ation catalyzed with PARP1 was discovered long time ago, 
but it is still unclear how this post-translational modification governs a multitude of cel-
lular processes including DNA repair. When interacting with the damaged DNA, PARP1 
catalyzes the synthesis of a long branched poly (ADP-ribose) polymer (PAR) by using 
NAD
+
 as a substrate. PAR can be attached to the acceptor amino acid residues of nuclear 
proteins or to PARP1 itself. This process leads to reorganization of the functional protein 
complexes involved in base excision repair (BER) and other key processes in cell. The 
aim of the present research was to investigate the role of poly (ADP-ribosyl)ation in 
regulation of BER and to search new targets of PARylation catalyzed with PARP1 and 
PARP2. The role of DNA breaks in PARylation was investigated. The protein–protein 
interactions in BER were analyzed and quantified in the presence of BER DNA inter-
mediates. 
Methods: Fluorescence titration methods, atomic force microscopy (AFM), light-scat-
tering technique, biochemical and immunochemical approaches.
Results: PARP1 interacts with BER proteins as well as with DNA intermediates of BER 
containing  breaks  or  apurinic/apyrimidinic  (AP-sites)  which  appear  in  BER  process. 
PARP1 interacting with the AP sites shows AP lyase and 5’-dRP lyase activities. Protein-
protein interactions of PARP1 with APE1, Pol beta, XRCC1, tyrosyl-DNA-phosphodi-
esterase 1 and other components of BER machine were investigated quantitatively by 
various methods. The strength of protein-protein interactions in BER was influenced by 
structure of DNA repair intermediates. The specificity of PARP1 and PARP2 interaction 
with various DNA structures as well as the active role of DNA in PARylation was ap-
proved.
Conclusion: The results obtained show that PARP1 and PARP2 interact specifically with 
different kinds of damaged DNA and DNA breaks play an active role in poly(ADP-
ribosyl)ation. The protein-protein interactions and its regulation were estimated quanti-
tatively at the various stages of BER.
Acknowledgements: This work was supported by grant from RSF (14-24-00038). 

171
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
TOWARDS UNDERSTANDING THE DYNAMICS OF DEATH 
RECEPTOR NETWORKS 
I.N. Lavrik
1, 2 
1 
Translational Inflammation Research, Medical Faculty, Center of Dynamic Systems, Otto von Guericke 
University, Magdeburg, Germany
2 
Laboratory of systems biology of programmed cell death, Institute of Cytology and Genetics, Novosibirsk, 
Russia
Key words: gene networks, modeling, programmed cell death
Our studies are devoted to the analysis of death receptor networks by systems biology 
approaches. The members of the death receptor family control programmed cell death 
(PCD) and proliferative pathways. PCD is essential for regulation of homeostasis and 
elimination of unneeded, damaged, or infected cells in multicellular organisms. PCD de-
regulation contributes to cancer, as well as neurodegenerative and autoimmune diseases. 
Creation of mathematical models of death receptor signaling led to an enormous prog-
ress in the quantitative understanding of the network regulation and provided fascinating 
insights into the mechanisms of death receptor control. The key step in the initiation of 
the death receptor-induced apoptosis is the activation of caspase-8 at the death receptor 
complex. To understand the dynamics of caspase-8 activation we have developed an 
agent-based model (Schleich et al, 2012). Interestingly, this mathematical model sup-
ported by quantitative mass-spectrometry and western blot experimental data allowed to 
find out that different stimulation strength results in the distinct composition of the death 
receptor complexes that contribute to apoptosis induction in a different manner. Using 
the advanced version of this agent-based model we have discovered recently a nega-
tive feedback-loop in procaspase-8 activation (Schleich et al., 2016). Furthermore, the 
model has allowed to delineate the dynamics of caspase-8 activation events at the death 
receptor activation complex and suggest the new targets for the development of small 
molecules, which in turn might be used for the development of new therapies. Overall, 
these findings provide new insights into caspase-8 activation and apoptosis initiation and 
underline the power of systems biology in analyzing complex apoptotic networks.
References:
1.  Schleich K, Warnken U, Fricker N, Oztürk S, Richter P, Kammerer K, Schnölzer M, Krammer PH, 
Lavrik IN. Stoichiometry of the CD95 death-inducing signaling complex: experimental and modeling 
evidence for a death effector domain chain model. Mol Cell. 2012 Jul 27;47(2):306-19.
2.  Schleich K, Buchbinder JH, Pietkiewicz S, Kähne T, Warnken U, Öztürk S, Schnölzer M, Naumann 
M, Krammer PH, Lavrik IN. Molecular architecture of the DED chains at the DISC: regulation of 
procaspase-8 activation by short DED proteins c-FLIP and procaspase-8 prodomain. Cell Death Differ. 
2016 Apr;23(4):681-94.
Support
The work is supported by Russian Science Foundation 14-44-00011.

172
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
DOES THYROID DIVERGENCE SERVE AS A DRIVER  
OF SPECIATION IN CYPRINID FISHES OF THE GENUS  
BALLERUS (TELEOSTEI)?
B.A. Levin
1
*, A.A. Bolotovskiy
1
, M.A. Levina
1
, A.V. Nedoluzhko
2
, K.G. Skryabin
2, 3, 4
, 
S.M. Rastorguev
2
, E.B. Prokhortchouk
3, 4
1 
Institute of Biology of Inland Waters RAS, Borok, Russia
2 
National Research Center Kurchatov Institute, Moscow, Russia
3
 Institute of Bioengineering, Federal Research Center “Fundamentals of Biotechnology” RAS, Moscow, 
Russia
4
 Lomonosov Moscow State University, Faculty of Biology, Moscow, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: thyroid hormones, fish, phenotype, RNA-seq, evolution, speciation
Motivation and Aim: Regulatory evolution is one of the most important mechanisms for 
origination of novel morphological complexity and evolutionary innovations. Thyroid 
hormones (TH) regulate development of many phenotypic traits in fishes. We detected 
sister species of the genus Ballerus (Cyprinidae), which were naturally diverged in TH 
level and are different in phenotypic traits, which morphogenesis is regulated by TH. 
The aim of this study is to testify the hypothesis about involvement of TH level diver-
gence in evolution of sister species via experimental manipulation of TH level during 
early development and analysis of derived phenotypes and gene expression.
Methods and Algorithms: The progeny from naturally TH deficient species B. ballerus 
was treated by T
3
 during early ontogeny [1]. Enzyme-linked immunosorbent assay (ELI-
SA). Phenotype analysis (counts and measurements). RNA-seq by Illumina GAIIx. Liv-
er and brain, totally 12 cDNA-libraries from control and TH-treated fish. Transcriptome 
de-novo by Trinity. Differential expression by edgeR. GO-enrichment analysis. Details 
[2].
Results: The phenotype of T
3
-treated fish of the TH-deficient species B. ballerus was 
approached to sister species with naturally higher TH level, B. sapa, in the numbers of 
lateral line scales and gill rakers, and in eye size. RNA-seq revealed more than 1200 
differentially expressed genes (DEGs) between control and T
3
-treated fish. Many DEGs 
were involved in determination of morphological traits. Dozen DEGs were homeobox.
Conclusion: Pronounced effect of TH on regulation of both phenotype and gene expres-
sion was found. Natural divergence in thyroid level might be a trigger for speciation in 
Ballerus.
Acknoweldgements:  Study  was  supported  by  Russian  Foundation  for  Basic  Research 
(project nos. 15-04-3586 and 15-34-20416), the transcriptome sequencing was support-
ed by the Russian Science Foundation (project no. 14-24-00175).
References:
1.  B.A. Levin, M.A. Levina. (2014) Poly
‐and oligomerization of scales in the blue bream Ballerus bal-
lerus (Cyprinidae) as a consequence of thyroid status regulation. J. Appl. Ichthyol., 12: 809-813.
2.  S.M. Rastorguev et al. (2016) Pleiotropic effect of thyroid hormones on gene expression in fish as ex-
emplified from the blue bream Ballerus ballerus (Cyprinidae): Results of transcriptomic analysis. Dokl. 
Biol. Sci., 467: 124-127.

173
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
DIFFERENTIAL ANALYSIS OF THREE-DIMENSIONAL 
(3D) GENOMICS DATA
G. Li
1
* 
1
 Huazhong Agricultural University, Wuhan, China
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: gene expression, chromatin, 3D chromosome structures, chromosome contacts, CTCF sites, 
ChIA-PET
Motivation and Aim: Studying of 3D chromosome structure is important problem of 
molecular biology challenging sequencing technologies. ChIA-PET (Chromatin Interac-
tion Analysis with Paired-End-Tag) technology allows detect interactions between pairs 
of DNA sites affecting gene regulation. Fullwood et al. [1] used ChIA-PET technology 
to construct chromatin interaction network bound by estrogen receptor alpha (ER) from 
human breast cancer cell line (MCF-7) and found long-range ER binding sites are mostly 
located at promoter regions. CTCF-mediated interactions found in mouse embryonic 
pluripotent stem cells and human cell lines [2]. 
Methods and Algorithms: We developed computer programs for 3D genomics data anal-
ysis. The data have been obtained experimentally by using Hi-C and ChIA-PET methods 
[3]. 
Results: Five distinct chromatin domains revealed by CTCF ChIA-PET raised a new 
model of CTCF function for chromosome structure organization and linking enhancers 
to promoters for gene transcription regulation. 
Conclusion: Chromatin interaction network will be discussed. 
References:
1.  M.J.Fullwood et al. (2009) An oestrogen-receptor-alpha-bound human chromatin interactome, Nature, 
462(7269):58-64.
2.  G.Li et al. (2014) Chromatin Interaction Analysis with Paired-End Tag (ChIA-PET) sequencing tech-
nology and application, BMC Genomics, 15(Suppl 12):S11.
3.  Z. Tang et al. (2015) CTCF-Mediated Human 3D Genome Architecture Reveals Chromatin Topology 
for Transcription, Cell, 163(7):1611-27.

174
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
GENOTYPE DISTRIBUTION IN PATIENTS WITH CHRONIC 
HEPATITIS C ANALYSIS USING MULTIFACTOR  
DIMENSIONALITY REDUCTION METHOD
A.D. Liaudanski
1
*, M.S. Rodzkin
1
, V.S. Pankratov
1
, D.E. Danilau
2
, I.A. Karpov
2
,  
O.G. Davydenko
1
1
 Institute of Genetics and Cytology of the National Academy of Sciences of Belarus, Minsk, Belarus
2
 Belarusian State Medical University, Minsk, Belarus
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: chronic hepatitis C, gene polymorphism, MDR method
Motivation and aim: hepatitis C virus is one of the major causes of chronic liver patholo-
gies. Near 2% of world population suffer from chronic hepatitis C, which determine high 
relevance of the studying of spontaneous elimination and therapy efficiency influencing 
factors [1]. The prevalent type of chronic hepatitis C therapy includes pegylated inter-
feron in combination with ribavirin, and IL28b gene polymorphism has been announced 
to be the most informative predictor of such therapy efficiency [2,3]. Taking in account 
the accuracy of the therapy efficiency prediction based on IL28b gene polymorphism (up 
to 50% in some population) it is still actual to find other genetic markers to enhance the 
precision of prognostication.
Methods and Algorithms: 100 patients with chronic hepatitis C, who had taken pegylated 
interferon and ribavirin therapy with different (67 unsuccessful and 33 successful) out-
comes were analyzed. Polymorphism of IL28b, TNFα, CCR5 and CCL5 genes was de-
fined using PCR or PCR-RFLP methods. Multifactor dimensionality reduction method 
was used to find the best model for therapy efficiency prediction (MDR ver.3.0.2 (build 2)).
Results: IL28b was found to be the best single marker, as expected (accuracy=0,61, CV 
consistency 10/10, p=0,0003). But the best accuracy was demonstrated by two-factor 
model, including IL28b and CCL5 genotypes (accuracy=0,77, CV consistency 10/10, 
p<0,0001). CCL5 genotypes distribution didn’t vary significantly in patients with differ-
ent therapy outcome, but including this in the prognosis model improve the prediction 
significantly. Entropy distribution demonstrated more than 1,8-fold value increase when 
comparing IL28b and CCL5 together with IL28b alone: IL28b entropy was 11.57%, 
CCL5 – 1.75%, IL28b and CCL5 interaction – 7,56% (20,88% in total). Three- and four-
factor models were found to be much less informative.
Conclusion: multifactor dimensionality reduction proved to be an effective method for 
genotype distribution in patients with chronic hepatitis C analysis. Two-factor model 
including IL28b and CCL5 genotypes was found to be the most accurate model for pre-
diction of the chronic hepatitis C therapy efficiency. Taking in account CCL5 genotype 
of the patient together with IL28b could help to improve the prognosis precision of such 
therapy outcome.
References:
1.  C.W. Shepard et al. (2005) Global epidemiology of hepatitis C virus infection, Lancet Infect. Dis., 5: 
558-567.
2.  D. Ge et al. (2009) Genetic variation in IL28B predicts hepatitis C treatment-induced viral clearance, 
Nature, 17: 399-401
3.  C.N. Hayes et al. (2012) Genetics of IL28B and HCV--response to infection and treatment, Nat Rev 
Gastroenterol. Hepatol., 9:406-417

175
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
POSTGENOME MEDICINE AS N-OF-ONE SCIENCE 
A.V. Lisitsa, E.V. Kolker, H. Chen, V.E. Frankevich
IBMC, Moscow, Russia