International conference on bioinformatics of genome regulation

Key words: postgenome medicine, diagnostic patterns, molecular profiling
N-of-one science is destined to serve a particular individual who is considered as an 
“uber-client” but not a “patient”. Normally we observe n-of-one science in connection 
with gadgets and Internet-services for non-obtrusive life couching. For example, num-
ber of steps taken a day is counted by owners of the wearable devices. The postgeno-
me medicine rests upon the application of multi-omics technologies to observe human 
physiology  at  the  molecular  level.  Instead  of  searching  a  singe-molecule  biomarkers 
of disease, the postgenome medicine operates with an ensembles of molecules, which 
comprise the diagnostic patterns of health and disease. By definition the molecular si-
gnatures are surrogate, as the specific disease-related biomarkers cannot be revealed due 
to analytical limit of detection. We observed that molecular profiling could specifically 
characterize the human health in case it is collected sequentially over a period of time. 
That provides a technology challenge to collect these profiles  100 times faster and at 
least 10 times cheaper in comparison to the biochemical blood-tests. The methods of 
direct  mass-spectrometry  coupled  with  novelties  in  technology  of  ionization  and  ion 
separation are described as a possible solution of n-of-one challenge for the sake of the 
postgenome medicine.

176
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
DNA DUPLEX STRUCTURE AND THERMODYNAMICS  
BY MOLECULAR DYNAMICS SIMULATION
A.A. Lomzov*, D.V. Pyshnyi
Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine SB RAS, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: DNA, molecular dynamics simulation, hybridization thermodynamics
Motivation and Aim: Prediction of the thermal stability of double stranded DNA is use-
ful in basic research (e.g. protein – nucleic acid interaction) and in a number of applica-
tions (e.g. PCR, biosensing). The development of new derivatives and analogs of nucleic 
acid  with  improved  characteristics  for  purposes  of  molecular  biology,  biotechnology 
and biomedicine is still of current interests. New derivatives not always have the same 
physico-chemical and molecular-biological properties as were proposed at development. 
The essential problem is the reliable prediction of hybridization properties of nucleic 
acids derivatives and analogues. The nearest-neighbor model is the only one which al-
lows calculating enthalpy, entropy and Gibbs free energy changes only for experimen-
tally well-studied native nucleic acid and for a limited number of their derivatives. The 
development of new tools for reliable prediction of nucleic acids complex properties is a 
serious challenge. Recently we have shown the possibility of high accuracy calculation 
of hybridization enthalpy for native fully complementary DNA duplex [1]. In this work 
we have evaluate the hybridization enthalpy and Gibbs free energy.
Methods and Algorithms: Molecular dynamics simulations of a set of oligonucleotides 
and its complexes were performed in implicit and explicit solvent shell using parmbsc0 
force field in AMBER12 software package. Conformational contribution in hybridiza-
tion entropy was evaluated using normal mode analysis and quasi-harmonic calculations.
Results: Calculated values of conformational entropy correlate well with experimental 
data and values calculated using nearest neighbor model [2]. The linear correlation be-
tween the values calculated using quasi-harmonic and nearest-neighbor models has a 
slope 1.05, intercept -84.0 cal/mol/K and R2=0.97 for 305 DNA complexes of different 
length (4-20 bp) and GC-content (0-100%).
Conclusion: The use of combination of molecular dynamic simulation in explicit solvent 
with MM/PBSA and Quasi-harmonic calculation allows good evaluation of thermody-
namic parameters of formation perfectly matched DNA duplexes.
Availability: This is a first step in prognostic calculations of physico-chemical proper-
ties of nucleic acids derivatives and development of new analogs with predetermined 
characteristics.
Acknowledgements: This work was supported by RFBR #16-04-01029.
References:
1.  A.A.Lomzov et al. (2015) Evaluation of Gibbs free energy changes and melting temperatures of DNA/
DNA duplexes using hybridization enthalpy calculated by molecular dynamics simulation, The Journal 
of Physical Chemistry B, 119: 15221–15234.
2.  A.A.Lomzov et al. (2006) Thermodynamic parameters for calculating the stability of complexes of 
bridged oligonucleotides, Doklady Biochemistry Biophysics, 409: 211-215.

177
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
EVOLUTION OF PHENOTYPIC CONTROL BY NEW GENES  
THROUGH INTEGRATING AND REWIRING OF ANCESTRAL 
EXPRESSION NETWORKS
M. Long*
Department of Ecology and Evolution, University of Chicago, Chicago, USA
Key words: evolution, gene networks
We have observed that new genes quickly evolved essential functions in mammals and 
fruit flies.These observations, while overturning the conventional notion of evolutionar-
ily static protein coding gene functions, raised a new question of how a new gene ac-
quires essential functions.We proposed a hypothesis that a new gene may be integrated 
into and reshape ancestral gene-gene interaction (GGI) networks and thus subsequently 
create a hub topological structure with essential genetic control of a phenotype distinct 
from the new gene absent species that maintain ancestral networks. We examined the 
network topological and functional evolution of new genes that originated at various 
stages in humans, mouse and fruit flies, by constructing and analyzing various GGI net-
works. We computationally and experimentally identified a large number of new genes 
in various topological positions in GGI networks, showing distinct evolutionary patterns 
in mammalian and Drosophila lineages. These genes experienced a stepwise integra-
tion process into GGI networks, starting on the network periphery and eventually be-
coming highly connected hubs, and acquiring pleiotropic and essential functions. We 
identified species-specific hub genes that have evolved critical or essential functions in 
development,  brains  and  behaviors,  supported  by  increasing  mechanistic  analyses  of 
young genes in literatures. We explored the possible underlying mechanisms driving the 
GGI network evolution and the observed patterns of new gene integration process and 
identified certain mechanisms distinct from interpretations of general network scientific 
theories. We propose that the difference in effective population sizes in humans and fruit 
flies plays a significant role in shaping their strikingly different evolutionary patterns.
References:
1.  Chen et al, 2013. Nature Reviews Genetics. 14: 645–60.
2.  Zhang et al, 2015. Genome Biology. 16:202.
3.  Krinsky et al, 2016. bioRxiv.dx.doi.org/10.1101/045385
4.  Andrea R Gschwend

178
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
TARGETED SPATIAL GENOME MODIFICATION  
IN TOPOLO-GICALLY ASSOCIATING DOMAINS  
STRUCTUREIN MOUSE EMBRYONIC STEM CELLS
V.A. Lukyanchikova*, N.R. Battulin, O.L. Serov 
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: 
[e-mail]
Key words: 3D-genome organization, TADs, CTCF sites, genomic deletions, CRISPR/Cas9, mESCs
Motivation and Aim: it was recently shown that genomes of higher eukaryotes are parti-
tioned at a sub-megabase self-interacting units termed topologically associating domains 
(TADs) (Dixon et al., 2012). Molecular basis of TADs structure, the mechanism of its 
maintenance, and the role in regulation of gene expression are still important funda-
mental questions. Due to the latest reports, cohesin complex and CTCF protein are key 
players of TADs formation (Guo et al. 2015, Nichols et al., 2015), whilst dislocations 
in domain boundaries and disruptions of CTCF-binding sites can lead to faults in gene 
regulation and to activation of oncogenes (Lupiáñez et al., 2015, Hnisz et al., 2016). So, 
generation of cell lines and animal models with modified TADs boundaries can reveal 
the natural meaning of TADs integrity and mechanisms of TADs maintenance in general. 
Methods and Algorithms: we were focused on the murine genomic locus between Kdr 
and c-Kit, chr5:76,240,000-76,280,000 (UCSC Genome Browser on Mouse July 2007 
(NCBI37/mm9) Assembly). This region contains well-defined TAD boundary co-local-
ized with CTCF-binding sites, while neighboring Kdr and c-Kit genes are mainly in-
volved in embryonic development and have a detectable level of expression in mESCs. 
To remove the chosen region from mESC genome we utilized CRISPR/Cas9 editing tool 
(Mali et al., 2013b). Real-time PCR was used to characterize alterations in gene expres-
sion pattern.
Results and Conclusion: we have produced mESCs lines with genomic deletions of 1, 2 
and 4 CTCF-binding sites in Kdr/c-Kit-region. Karyotype screening of all obtained cell 
clones has been performed, and gene expression from only ones which have balanced 
karyotype was analyzed with real-time PCR. Data analysis has demonstrated the signifi-
cant shift in expression patterns of neighboring genes which can be evidence of gene 
regulation impairment due to deletion of TAD boundary.
Acknowledgements: This project was supported by the Russian Foundation for Basic 
Research (grant 16-04-01453 А).
References: 
1.  Dixon, Jesse R., et al. “Topological domains in mammalian genomes identified by analysis of chroma-
tin interactions.”Nature 485.7398 (2012): 376-380;
2.  Guo, Ya, et al. “CRISPR inversion of CTCF sites alters genome topology and enhancer/promoter func-
tion.” Cell 162.4 (2015): 900-910;
3.  Nichols, Michael H., and Victor G. Corces. “A CTCF code for 3d genome architecture.” Cell 162.4 
(2015): 703-705;
4.  Lupiáñez, Darío G., et al. “Disruptions of topological chromatin domains cause pathogenic rewiring of 
gene-enhancer interactions.” Cell 161.5 (2015): 1012-1025; 
5.  Hnisz, Denes, et al. “Activation of proto-oncogenes by disruption of chromosome neighborhoods.”Science 
351.6280 (2016): 1454-1458;
6.  Mali, Prashant, et al. “RNA-guided human genome engineering via Cas9.” Science 339.6121 (2013): 
823-826.

179
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
THE DENSITY OF WOLBACHIA STRAIN wMELPOP  
IN DROSOPHILA MELANOGASTER BRAIN IS INVERSELY  
RELATED TO THE LEVEL OF HSP67BC GENE EXPRESSION
D.A. Malkeyeva
1, 2
*, E.V. Kiseleva
1
1 
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
2 
Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author:[e-mail]
Key words: Wolbachia, heat shock proteins, hsp67Bc
Motivation and Aim: Wolbachia are the widespread endosymbionts of arthropods and 
nematodes. These bacteria are known for having a significant impact on hosts’ repro-
ductive functions, longevity and gene expression. Wolbachia down-regulates 41% of 
heat shock protein genes, including hsp67Bc, in Drosophila melanogaster S2 cells [1]. 
Hsp67Bc was shown to stimulate macroautophagy [2], a mechanism by which Wolba-
chia bacteria are removed from host cells [3]. In this study, we investigated the interrela-
tion between the expression of hsp67Bc gene and the density of pathogenic Wolbachia 
strain wMelPop in D. melanogaster brain.
Methods and Algorithms: To obtain D. melanogaster  with  down-regulated  hsp67Bc 
gene expression we used the imprecise excision of the P-element from hsp67Bc pro-
moter region, which resulted in a deletion in hsp67Bc gene. In this work, flies with one 
(mutants) of two (control) copies of the gene were used. Overexpression of hsp67Bc in 
D. melanogaster  was  obtained  using  GAL4-driven  expression  of  UAS-hsp67Bc con-
struct. Wolbachia in fly brains were visualized by fluorescence in situ hybridization with 
Cy3-labeled W2 probes specific to Wolbachia 16S rRNA. The quantity of endosymbi-
onts was measured as Wolbachia-occupied area/brain area (S
w
/S
b
) ratio on brain optical 
sections with the use of ImageJ 1.48 software.
Results: In our study, an inverse relation between hsp67Bc expression and the quantity 
of pathogenic wMelPop strain of Wolbachia bacteria was determined. In D. melanogas-
ter with one copy of hsp67Bc the S
w
/S
b
 ratio was 2.7 times higher than in control flies 
(4.82±1.69 % compared to 1.75±1.00 %), whereas in flies overexpressing hsp67Bc the 
S
w
/S
b
 ratio was 2.4 times lower than in control animals (1.21±0.29 % in comparison with 
2.97±0.65 %).
Conclusion: Deletion of one of two copies of the host’s hsp67Bc gene results in the over-
replication of Wolbachia wMelPop strain in D. melanogaster brain. Overexpression of 
hsp67Bc not only retains the endosymbionts’ titer, but also reduces the titer of Wolbachia 
in the host’s brain to below the native (control) level. These results suggest that Wolba-
chia strain wMelPop is recognized by the host organism as a pathogen.
Acknowledgements: This work was supported by RFBR grant № 15-04-08993 and the 
State project of ICG SB RAS № 0324-2015-0003.
References:
1.  Z. Xi et al. (2008) Genome-wide analysis of the interaction between the endosymbiotic bacterium 
Wolbachia and its Drosophila host, BMC Genomics, 9:1.
2.  S. Carra et al. (2010) Identification of the Drosophila ortholog of HSPB8: implication of HSPB8 loss 
of function in protein folding diseases, J Biol Chem, 285: 37811-37822.
3.  D. Voronin et al. (2012) Autophagy regulates Wolbachia populations across diverse symbiotic associa-
tions, Proc Natl Acad Sci USA, 109: E1638-1646.

180
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
PREDICTION OF FUNCTIONAL EFFECTS OF REGULATORY 
SEQUENCE VARIATIONS 
M. Malkowska
1
*, J. Zubek
2, 3
, D. Plewczynski
3
, L.S. Wyrwicz
1
 
1 
Maria Sklodowska-Curie Memorial Cancer Centre and Institute of Oncology, Warsaw, Poland
2 
Institute of Computer Science, Polish Academy of Sciences, Warsaw, Poland
3 
Center of New Technologies, University of Warsaw, Warsaw, Poland
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: regulatory variation, function prediction, machine learning
Motivation and Aim: In the era of huge amounts of data from high-throughput DNA 
sequencing is necessary to search for more effective methods of analysis of functional 
regions of genomes, in particular regulatory regions, that may be crucial in the search 
for single-nucleotide polymorphisms potentially responsible for the development of the 
diseases.
Our  research  aims  to  create  and  evaluate  an  integrative  machine-learning  model  for 
regulatory variants identification within promoter regions of genes. We intend to utilize 
various gene annotations and DNA shape features, which have recently become avail-
able and determine the significance of these new components.
Methods and Algorithms: To improve the accuracy of predicting the functional conse-
quences of regulatory variants we are implementing machine learning algorithms using 
newly  available  features.  Our  positive  examples  dataset  was  constructed  using  regu-
latory mutations from the Human Gene Mutation Database
1
. Negative examples were 
derived using single nuclear variations from the 1000 Genomes Project
2
. The annotation 
data include the local DNA 3D shape, phylogenetic conservation, transcriptomic and 
epigenetic measurements. The model prediction performance will be evaluated across 
human genome to determine potential, not reported, true functional variants and com-
pared to existing methods.
Results: Currently, we are in process of model selection and optimization. There are 
strong indications that chosen features will improve the accuracy and precision of func-
tional effects of regulatory sequence variations predictions.
Conclusion: The results of the project will improve our understanding of the molecular 
mechanisms of disease pathogenesis and complex traits.
Availability:  The  machine-learning  model  and  variant  predictions  will  be  available 
through GitHub repository (project in progress).
References:
1.  P.D. Stenson at el. (2014) The human gene mutation database: building a comprehensive mutation 
repository for clinical and molecular genetics, diagnostic testing and personalized genomic medicine, 
Human Genetics, 133:1-9.
2.  1000 Genomes Project Consortium (2012) An integrated map of genetic variation from 1,092 human 
genomes, Nature, 491(7422):56-65.

181
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
MOLECULAR EVOLUTION AND SYSTEMATICS OF FLAT 
LEECHES (HIRUDINEA: GLOSSIPHONIIDAE)
N.B. Mandzyak
1
*, I.A. Kaygorodova
1, 2
1
 Limnological Institute SB RAS, Irkutsk, Russia
2
 Irkutsk State University, Irkutsk, Russia 
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: species divergence, species delimitation, genetic distances
Motivation and Aim: Species as a basic unit of evolution have to be identifiable. Mean-
while, the presence of cryptic species poses significant challenges for the accurate as-
sessment of biodiversity. Increasingly, molecular data are being used to evaluate spe-
cies boundaries and to assist in the identification of groups such as hirudinids in which 
morphological  characters  often  do  not  distinguish  species  reliably  [1].  However,  the 
development of species-specific DNA barcodes for leeches has lagged behind that of 
other groups.
Methods and Algorithms: To study species-specific DNA barcodes, leech samples were 
collected during multiple expeditions in 2003-2015. Sequences of universal for Meta-
zoan barcoding fragment (CoxI) of 73 leech specimens from different sites of Northern 
Eurasia were newly generated for the present study. Bioinformatic analyses were con-
ducted in MEGA V6.06 [2]. The evolutionary distances were computed separately for 
both intraspecific and congeneric comparisons using the Kimura two-parameter (K2P) 
model in accordance with DNA barcode techniques [3].
Results: The molecular phylogenetic analysis of barcoding fragment of the Glossiphonia 
representatives allowed to reveal four evolutionary branches among glossifonias inhab-
iting Siberian and Far Eastern freshwater bodies. On the resulting phylogenetic tree, 
each group of nucleotide sequences belonging to Glossiphonia sp.1, Glossiphonia sp.2, 
Glossiphonia sp.3 and Glossiphonia sp.4 was clustered apart of each other and separate-
ly from homologous sequences of the rest world fauna representatives. Genetic distances 
between Siberian leeches and phylogenetically close lineages exceed significantly the 
threshold of 3% [3] that could indicate their independent taxonomic position and assume 
that four potentially new species exist. In addition, intraspecific genetic polymorphism 
varies within the range of 0-0.73% and confirms this supposition. Moreover, due to im-
pressive barcoding gap (over 5%), a long branch attraction phenomenon observed in this 
group of parasitic organisms [4] becomes clear.
Conclusion: Thus, the use of barcoding thresholds bode well for delineating closely re-
lated species and taxonomically understudied groups within Hirudinea.
This work was supported by the Russian Foundation for Basic Research (14-04- 00345).
References: 
1.  A.E. Bely, D.A. Weiseblat (2006) Evolution & Development, 8: 491-501.
2.  K. Tamura et al. (2013) Molecular Biology and Evolution, 30: 2725-2729.
3.  P. Hebert et al. (2003) Proc. Royal Soc. B: Biological Sciences, 270:313–321.
4.  P. Martin et al. (2000) Mol. Phyl. Evol., 15: 355-368.

182
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
PREDICTION OF STRUCTURAL PROPERTIES  
OF UNCHARACTERIZED PROTEINS FROM THEIR  
POST-CLEAVAGE MASS SPECTRA BY A MULTIVARIATE 
STATISTICAL MODEL 
O.A. Markelov
1
*, A.R. Kayumov
2
, M.I. Bogachev
1
1
 St. Petersburg Electrotechnical University, St. Petersburg, Russia
2
 Kazan (Volga region) Federal University, Kazan, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: protein structure prediction, mass spectrometry, multivariate regression model
Motivation and Aim: Successful prediction of structural and structure-associated proper-
ties of uncharacterized proteins currently requires the knowledge of the sequence either 
of the studied protein itself or of its homologous counterparts. We aimed to characterize 
proteins directly from their post-cleavage mass distribution shapes without reconstruc-
tion of their primary sequences.
Methods and Algorithms: We used Kolmogorov statistics to compare the simulated post-
cleavage mass distribution shapes of various proteins from the UniProtKB/Swiss-Prot, 
RSCB PDB, DisProt, Ideal, PDBTM and VFPB databases. To combine results for several 
cleavages, we suggest a solution based on the multivariate logistic regression. 
Results: We found that various structural and structure-associated properties of proteins 
are explicitly reflected in the shapes of their post-cleavage mass distributions. In par-
ticular, proteins carrying presumably α-helixes in their secondary structure exhibit broad 
mass distributions, while for proteins with β-sheet structures mass distributions decay 
by a simple exponential, allowing to distinguish between them with 90% accuracy by 
using a single Thermolysin cleavage. For membrane-associated proteins with specific 
structural properties we could properly predict their location (membrane vs soluble) as 
well as localization in the membrane (monotopic vs transmembrane, single-pass vs multi-
pass transmembrane) with 80% accuracy for each pairwise comparison by combining 3-4 
different cleavages. Other prominent examples included 3 out of 4 successful predictions 
of intrinsically disordered proteins vs fixed-structure proteins as well as membrane-asso-
ciated proteins by their functional group and host bacteria phylum. Remarkably, the best 
prediction accuracy of structural and localization properties was achieved by Thermolysin 
and GluC(phosphate)+Lys C cleavage simulations digesting the protein at the positions 
of amino acid residues from the inertial and external hydropathy groups, respectively [1]. 
Conclusion: To summarize, we have suggested a multivariate statistical model to suc-
cessfully  predict  various  structural  and  structure-driven  properties  of  uncharacterized 
proteins from their post-cleavage mass spectrometry data. 
Availability:  Complete  data  and  test  examples  at  http://www.nature.com/articles/
srep22286.
Acknowledgements:  We  acknowledge  the  financial  support  by  the  RSF  grant  15-14-
00046.
References:
1.  Bogachev, M. I. et al. (2016) Statistical prediction of protein structural, localization and functional 
properties by the analysis of its fragment mass distributions after proteolytic cleavage, Scientific Re-
ports, 6: 22286; doi: 10.1038/srep22286.

183
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
ON THE POSSIBLE IMPACT OF EXOGENOUS 8-OXO-2’- 
DEOXYGUANOSINE ON DNA SYNTHESIS, DAMAGE  
AND REPAIR IN AGING CELL CULTURES AND ORGANISM 
N.V. Marmiy
1
*, G.V. Morgunova
2
, D.S. Esipov
1
, A.N. Khokhlov
2
1
 Division of Bioorganic Chemistry, Biology Department, Moscow State University, Moscow, Russia
2
 Evolutionary Cytogerontology Sector, Biology Department, Moscow State University, Moscow, Russia 
* Corresponding author: [e-mail]