International conference on bioinformatics of genome regulation

Key words: 8-oxo-2’-deoxyguanosine, “stationary aging”, exogenous 8-oxo-dG, biomarker of aging
8-Oxo-dG is one of the popular biomarkers of aging and oxidative stress. Its content in 
DNA increases in aging of humans, animals and cell cultures. The process takes place 
also in cancer, inflammatory, infectious, neurodegenerative diseases and in some stress-
ful conditions related to smoking, diet modifications, athletic exercises, etc. According 
to a commonly held view, 8-oxo-dG is just a “waste product” removed from the dam-
aged  DNA.  However,  in  the  last  years  some  data  appeared  which  proved  a  possible 
role of 8-oxo-dG in the regulation of biological processes. In particular, it is capable of 
exerting anti-inflammatory and antiallergic effect, increasing survival of organisms by 
irradiation, hypoxia, and starvation. The objective of our research was to identify the 
possible biological effects of 8-oxo-dG in cell culture, in which they can not be due to 
immune and neurohumoral mechanisms, and are solely the result of direct exposure to a 
substance on a cellular level.
The experiments used culture of transformed Chinese hamster cells line B11-dii FAF28. 
To measure the content of 8-oxo-dG in DNA method of RP HPLC with EC detectionwas 
used. 
During the experiments we have shown that the ratio of 8-oxo-dG / dG in DNA is in-
creased by more than 6 times in the transition from log phase of cell culture growth to 
stationary thus 8-oxo-dG be one of the biomarkers “stationary aging” culture. By add-
ing exogenous 8-oxo-dG in the culture medium it is intensively absorbed by the cells. 
Cytotoxicity of 8-oxo-dG, when added to cells in the logarithmic growth phase was not 
observed in the concentration range 10
-6
-10
-3
 M. At the same time, exogenous 8-oxo-dG 
in the middle and high concentrations resulted in a significant and reproducible reduc-
tion in the content of 8-oxo-dG in DNA of cells of the stationary phase of growth. The 
ratio of 8-oxo-dG / dG falling under its influence in 5-6 times in comparison with con-
trol, approaching the level typical for the cells in logarithmic growth phase. At the same 
time, the addition of exogenous 8-oxo-dG in the early stages of cultivation (growth - the 
beginning stationary phase) had no effect on its content in the DNA.
Thus, the nature of exposure 8-oxo-dG cells strongly depends on its concentration in the 
medium and proliferative status of the culture. The experimental data clearly indicate the 
presence in 8-oxo-dG expressed biological effect. We assume that it can be associated 
with the activation of reparative and antioxidant systems without oxidative stress.

184
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
MOLECULAR EVOLUTION ANALYSIS OF RNA-BINDING 
NIP7 PROTEIN FROM DEEP- AND SHALLOW-WATER  
ARCHAEA 
K.E. Medvedev*, D.A. Afonnikov 
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: Nip7 protein, SDP, extremophiles, high pressure, archaea, adaptation
Motivation and Aim: Pressure and temperature are important environmental factors that 
determine many of the processes occurring in living organisms. The greatest interest is 
caused by organisms-extremophiles, which inhabited the ecosystems where conditions 
are not compatible with the lives of most of other organisms. Mechanisms to ensure 
survival of cells under such conditions are still not clear. Their understanding will help 
to answer some fundamental questions related to the origin of life and evolution of mi-
croorganisms in its earlier stages and adaptation to conditions of different ecological 
systems. One of the effective approaches to study the adaptation of protein structures to 
extreme conditions is the comparative analysis of sequences. In current work we conduct 
a study of the molecular evolution of protein Nip7, which contributes to adaptation to 
life at high pressure and temperature.
Methods and Algorithms: We used two programs to identify specific substitutions: multi-
Harmony [1] and Zebra [2]. 
Results: First of all should be considered the results of the identification of specific pro-
tein positions in relation to the depths of habitats of organisms. The number of signifi-
cant positions that is common to both programs amounted to 19. In the case of the speci-
ficity to the temperature, the number of significant specific positions for multi-Harmony 
was 72, for Zebra – 64 positions. The number of detected specific position in this case is 
much larger than in the analysis of specificity to pressure. The intersection of the results 
of two programs is also larger for temperature. 
Conclusion: It should be noted that the number of positions in which specific substi-
tutions are associated with temperature more than three times exceeds the number of 
positions specific to pressure. Furthermore, their significance level (Z-statistics) for a 
significant part of these positions higher than the positions selected for specificity to the 
depths of habitat. The data obtained may reflect the fact that molecular adaptation to high 
temperatures in the Nip7 protein is more pronounced than the pressure, i.e. temperature 
is a factor in the selection to a greater extent than the pressure. Thus, the analysis showed 
that on the one hand, for positions in which substitutions can be specific way in relation 
to the depth habitats of the organisms for deep-sea organisms are more typical substitu-
tions  that  increase  the  hydrophobicity  of  the  residues  from  shallow-water  organisms 
compared to deep-water.
References:
1.  W. Pirovano, K.A. Feenstra, J. Heringa. (2006) Sequence comparison by sequence harmony identifies 
subtype-specific functional sites. Nucl. Acids Res., 34:6540-6548.
2.  D. Suplatov, E. Kirilin, V. Takhaveev, V. Švedas. (2014) Zebra: a web server for bioinformatic analysis 
of diverse protein families. JBSD, 32:1752-1758.

185
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
HIGH TEMPERATURE AND PRESSURE INFLUENCE  
ON INTERDOMAIN INTERFACE OF THE NIP7 PROTEINS 
FROM P. ABYSSI AND P. FURIOSUS: MD SIMULATION 
RESEARCH
K.E. Medvedev*, D.A. Afonnikov 
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: Interdomain interface, domain motions, high temperature, adaptation, Nip7
Motivation and Aim: Interaction between domains of the protein, as well as their rela-
tive positions and movement relative to each other is essential for the stability of protein 
structure and normal functioning of a protein molecule. The feature of the movement of 
the domains may define the mechanism of enzymatic reactions. Therefore, the descrip-
tion of this motion is an important task in the analysis of the structures and functions of 
multidomain proteins. In current work we provide the investigation of the influence of 
high pressure and temperature influence on change of two domains motion parameters 
of the Nip7 protein from deep-water (P. abyssi) and shallow-water (P. furiosus) archaea.
Methods and Algorithms: We used DynDom [1] to analyze the changes in the parameters 
of the mutual orientation of the domains of protein Nip7 during MD simulation. 
Results: Obtained data showed that interdomain interfaces of P. abyssi and P. furiosus 
Nip7 proteins were formed by stable hydrophobic interactions. It is shown that increas-
ing the pressure significantly influences the angle of rotation of the domains and increas-
ing the temperature slightly reduces the value of the angle of rotation of the domains. 
The effect of temperature on translation along the axis has a different pattern for the two 
proteins. The analysis of the quantiles of the distribution showed that the increase of 
temperature shifts the distribution of the model parameter P. abyssi Nip7 in the direction 
of increasing, for the P. furiosus Nip7 in the direction of decreasing.
Conclusion: In current work we propose an approach that allows us to analyze the mo-
tion parameters of the protein domains during MD simulation. This approach implies a 
certain approximation that domains constitute a rigid structural subunit of protein struc-
ture. This allows you to concentrate on the study of changes occurring in the interdomain 
space which have a significant impact on the entire structure. Analysis of the direction 
of movement of the domains showed that the domains of deep-water and shallow-water 
organisms Nip7 protein move differently. In addition, it is suggested that the type of mo-
tion of domains under study is similar to the “shear motions”.
References:
1.  S. Hayward R.A. Lee. (2002). Improvements in the analysis of domain motions in proteins from con-
formational change: DynDom version 1.50. J. Molecular Graphics Modelling, 21(3):181-183.

186
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
SITEX 2.0: FUNCTIONAL SITES PROJECTION  
ON ALTERNATIVE SPLICED ISOFORMS  
AND HOMOLOGOUS GENES 
I.V. Medvedeva*, P.S. Demenkov, V.A. Ivanisenko 
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author:[e-mail]
Key words: gene structure, protein functional sites, alternative splicing
Motivation and Aim: The SitEx system stores information on projection of exon and 
domain  boundaries,  positions  of  functional  sites  on  protein  sequence  and  the  coding 
sequence of the gene [1]. The functions of proteins and their domains are defined mostly 
by  functional sites so  they are highly conserved units  of  proteins. Protein functional 
sites variability is low that let us to project known protein functional site amino acids 
positions from one isoform to another, as well as to project them to orthologous and 
paralogous gene sequences. This information is applicable in the study of the structural–
functional organization of the gene in evolutionary perspective and could help in design 
of novel proteins.
Methods and Algorithms: This work presents update of SitEx system. The information 
about isoforms and homologous genes was extracted from Ensembl 82 release using 
public MySQL database. For protein functional site projection on other isoforms was 
used exon-to-exon blast alignment. To indicate function site amino acid in homologous 
genes we applied Clustal Omega with further checking for functional site amino acid 
position sequence environment. Previous SitEx version contained the information about 
PDB entries with 40% sequence similarity. We included every possible PDB entry in 
current release. Found homologous sequences are presented using alignments. We also 
integrated information about SNP from Ensembl and 1000 genomes projects, annotated 
sites from Catalytic Site Atlas.
Results: Currently PDB contains about 120 000 structures. We obtained only 44 000 
structures  that  have  known  protein  functional  sites  from  Eukaryota. These  structures 
were connected to 6637 genes and 13034 transcripts from 41 species including animals, 
plants and fungi according to previously published pipeline [1]. There were discovered 
protein functional sites changes as the consequences of alternative splicing for only 5 
genes. 
Conclusion: The developed system allows analyzing protein functional site in alterna-
tive isoforms using 3D structures because the affinity of the sites could be changed. 
SitEx 2.0 also opens possibility to evaluate protein functional site preservation in ho-
mologous sequences.
Availability: http://www-bionet.sscc.ru/sitex/, MySQL dump of 2.0 release
References:
1.  Medvedeva I.V., Demenkov P.S., Kolchanov N.A., Ivanisenko V.A. (2012). SitEx: a computer system 
for analysis of projections of protein functional sites on eukaryotic genes. Nucleic Acids Res. Database 
issue:D278-83.
2.  Medvedeva I.V., Demenkov P.S., Ivanisenko V.A. (2015) Computer analysis of protein functional sites 
projection on exon structure of genes in Metazoa. BMC Genomics. 16(Suppl 13):S2 

187
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
PROGRAM COMPLEX ICGENOMICS FOR ANALYSIS  
OF HIGH-THROUGHPUT SEQUENCING EXPERIMENTS
I.V. Medvedeva
1
, A.O. Bragin
1
, K.V. Gunbin
1
, P.S. Demenkov
1
, O.V. Vishnevsky
1
, 
A.M. Spitsina
2
, F.M. Naumenko
2
, V.N. Babenko
1
, N.L. Podkolodnyy
1
, Y.L. Orlov
1
*
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: computer genomics, sequencing, program complex, data integration
Motivation and Aim: The program complex ICGenomics has been designed for stor-
age, mining, and analysis of high-throughput sequencing experiments [1]. ICGenomics 
enables wet-lab biologists to perform high-quality processing of data in the fields of ge-
nomics, biomedicine, and biotechnology. They include novel methods of the processing 
of initial high-throughput sequencing data. Examples are: ChIP-seq analysis; functional 
annotation of gene regulatory regions in nucleotide sequences; prediction of nucleosome 
positioning; and structural and functional annotation of proteins, including prediction 
of their allergenicity parameters, as well as estimates of evolution changes in protein 
families. Applications of ICGenomics to the analysis of genomic sequences of the yeast, 
ChIP-seq data on the mouse and human are considered. 
Methods and Algorithms: We developed set of computer programs and have integrated 
them in program complex. ICGenomics implements both standard and modern methods 
for processing, analyzing, and visualizing sequencing data and functional annotation of 
genome regions. 
Results: The program complex ICGenomics allows to fulfill the following distinct func-
tions: (1) processing of extended nucleotide sequences from next generation sequencing 
data including; (2) annotation of genomic sequences including exon search, and predic-
tion of miRNA gene promoters using specific nucleotide structure motifs; (3) predic-
tion protein allergenicity by their structural and functional properties using functional 
annotation of protein spatial structure; (4) research of evolution modes of protein cod-
ing genes, including reconstruction of evolutionary history of proteins on the basis of 
ortholog prediction in sequenced genomes; the phylogenetic analysis and investigation 
of selection modes.
Conclusion: Evolutionary history of proteins reconstruction is based on ortholog predic-
tion in sequenced genomes. The component is realized in the form of the data processing 
pipe-line. New development of the system includes ChIP-seq analysis software [2].
Availability: The system is available at http://www-bionet.sscc.ru/icgenomics.
References:
1.  YL. Orlov et al. (2012) ICGenomics: program complex for symbol sequence analysis in genomics, 
Vavilov journal of genetics and breeding, 16(4/1): 732-741. (In Russian).
2.  A.M. Spitsina et al. (2015) Supercomputer analysis of genomics and transcriptomics data revealed by 
high-throughput DNA sequencing, Program systems: theory and applications, 6:1(24): 157–174. (In 
Russian).

188
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
NONTHERMAL IMPACT TERAHERTZ RADIATION  
ON THE LIVING SYSTEMS
I.A. Mescheryakova
1
, E.V. Demidova
1
, T.N. Goryachkovskaya
1
, E.A. Demidov
1
,  
A.V. Bryanskaya
1
, S.V. Sergeeva
1
, S.L. Kiselev
3
, M.A. Lagarkova
3
, G.N. Kulipanov
2
, 
A.I. Semenov
2
, N.A. Vinokurov
2
, N.A. Kolchanov
1
, V.M. Popik
2
, S.E. Peltek
1
1
 Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
2
 Budker Institute of Nuclear Physics SB RAS, Novosibirsk, Russia
3
 Vavilov Institute of General Genetics, RAS, Moscow, Russia 
Key words: evolution, genome, k-mer distribution
Terahertz (THz) radiation was proposed recently for use in various applications, includ-
ing medical imaging and security scanners. 
We studied the impact of terahertz radiation on E. coli biosensor cells containing plas-
mids with promoters of stress-sensitive genes controlling the expression of GFP. GFP 
level was measured by fluorometry. The impact of terahertz radiation was nonthermal, 
i.e. special care was taken to keep specimen temperature at the 35±2 °С range during 
irradiation so that heat shock genes are not induced. We have found that terahertz radia-
tion activates genes associated with oxidative stress response. Results of the Ames test 
and SOS-chromotest indicate that  terahertz radiation produces neither mutagenic nor  
genotoxic effects.
The exposure of E. coli cells under terahertz radiation causes increased expression of 14 
genes of rapid response. Among these genes was glutamine synthetase gene (glnA). By 
using the glnA gene promoter we have designed biosensor sensitive to the effects of the 
terahertz radiation.
Since human embryonic stem cells (hESCs) are extremely sensitive to environmental 
stimuli, we have therefore utilised this cell model to investigate the non-thermal effects 
of THz irradiation. We have studied DNA damage and transcriptome responses in hESCs 
exposed to the narrow-band THz radiation (2.3 THz) under strict temperature control.
This work was supported by a grant from the Ministry of Education and Science of the 
Russian Federation (agreement № 14.616.21.0053 (RFMEFI61615X0053)).

189
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
BIOMARKERS OF AGE IN THE “STATIONARY PHASE  
AGING” MODEL
G.V. Morgunova*, D.S. Esipov, M.V. Marmiy, A.N. Khokhlov
Evolutionary Cytogerontology Sector, School of Biology, Lomonosov Moscow State University, Moscow, 
Russia
* Corresponding author: [e-mail] 
Key  words:  biomarkers  of  aging,  senescence-associated  β-galactosidase,  cytogerontology,  stationary 
phase aging, cell senescence, 8-oxo-2’-deoxyguanosine
Motivation and Aim: Currently gerontologists search for biomarkers of aging (including 
cell aging) which can allow determining age of organism/cell quickly and easily. Se-
nescence-associated beta-galactosidase (SA-β-Gal) remains the most popular biomarker 
of cell aging. Nowadays, another biomarker, 8-oxo-2’-deoxyguanosine (8-oxo-dG), is 
becoming popular in gerontology. We have investigated applicability of these markers to 
our “stationary phase aging” model, i.e. increase in the probability of dying for cultured 
cells upon retardation and subsequent complete cessation of their proliferation within 
one  passage.  Methods and Algorithms: Experiments  were  performed  on  transformed 
Chinese hamster cells (B11-dii FAF28 line, clone 237). The cells were cultivated for 
14-15 days at 37°C in Carrel glass flasks using DMEM supplemented with 10% bovine 
serum and antibiotics. In the first series of experiments on the 4th, 8th, and 15th day con-
tents of 8-oxo-dG and dG in DNA hydrolyzate were analyzed chromatographically using 
Beckman-Gold chromatograph (USA) at a wavelength of 254 nm. In the second series 
of experiments on the 7th and 14th day the cells were fixed for 3-5 minutes in 2% form-
aldehyde and 0.2% glutaraldehyde and incubated with X-Gal for 12-16 hours at 37°C. 
Results: It was found that the ratio of 8-oxo-dG/dG increased with the “age” of cell 
culture. On the 15th day the cells became to die and the ratio had significantly increased 
(22.40·10
-5
) compared to this index on the 4th (6.26·10
-5
) and on the 8th (4.42·10
-5
) days 
when the cells had reached monolayer and gone into the stationary phase of growth. It 
was also found that 14-day-old culture had much higher percentage of cells staining 
for SA-β-Gal than the «young» (7-day-old) cells. Conclusion: Thus, 8-охо-dG accu-
mulates in the stationary phase aging culture of Chinese hamster cells as evidenced by 
a significant increase in the ratio of 8-oxo-dG/dG in DNA of the cells on the 15th day. 
Consequently, it is possible to predict an increase in the probability of death in the cell 
culture evaluating expression of this biomarker. Furthermore, stationary phase aged cells 
express SA-β-Gal demonstrating a good correlation of this parameter with “age” of cell 
culture. We believe that both methods can be used to determine the biological age of 
cells in testing of new potential geroprotectors.

190
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
k-MER FREQUENCY DISTRIBUTION OF EUKARYOTIC  
PROTEOMES
A.A. Morozov
1
*
Limnological Institute SB RAS, Irkutsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Motivation & aims:There is a body of work regarding k-mer frequency analysis in DNA 
sequences. It was shown earlier that such distribution is species-specific and can be used 
for short sequence classification eg in metagenomic projects. In this work I show that 
the same is true for aminoacid sequences, and attempt to assess some of the factors that 
could influence the specificity of k-mer distribution. 
Methods & algorithms: Two datasets were used: the CEGMA collection of highly con-
servative homologous housekeeping genes of six model eukaryotes (A. thaliana, C. ele-
gans, D. melanogaster, H. sapiens, S. cerevisiae and S. pombe), and complete proteomes 
of the same six species. UNIPROT annotations for structural and functional elements of 
proteins were used.
The sequences were classified using naïve Bayes classifier with k-mer frequencies as 
features. 90% of sequences in each dataset were randomly selected for training the clas-
sifier, and the remaining 10% were classified. Calculations were performed in pure Py-
thon. For comparing the distributions, euclidean distances were calculated using only the 
frequencies of k-mers present at least once in both distributions.
Results: The specificity of the analysis varied for the different genomes and values of 
k, but typically it was from 30% to 80%. For most of the genomes specificity peaked 
at k values of 5 or 6, unlike optimal k for DNA-based analyses which was shown to be 
between 10 and 15 nucleotides in various earlier works.
The next question is whether factors that shape the k-mer distribution specificity, what-
ever they may be, apply to the entire protein or are restricted only to some of its parts. 
If there indeed are such parts, their k-mer distributions will be more different from each 
other than those of sequences as a whole. If, on the opposite, some subsequences were 
under lesser influence of k-mer shaping factors, their distributions in different proteomes 
will be more similar. To test this hypothesis, I have build proteome-specific distributions 
for a series of features. Distances were calculated between these distributions and the 
universal distributions for the same features, built using all the species in the datasets. 
Distribution of distances is approximately the same for both complete protein sequences 
and structural features (helices, beta-strands, transmembrane domains). It allows to as-
sume that these structural features have no specificity in terms of k-mer composition. 
The same is true for entire annotated domains and non-domain subsequences, which 
means that k-mer specificity is not, in general, affected by sequences’ functional status.
Conclusion: k-mer  distributions  were  shown  to  be  proteome-specific.  No  hypotheses 
can be made regarding the reasons of this phenomenon, but it was shown that it applies 
to a significant portion of proteins within proteome and to the entire protein sequences.

191
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
CAN LONG ANTIPARALLEL OPEN READING FRAMES  
BE ENCODING ESSENTIAL GENES IN PROKARYOTIC  
GENOMES?
D.M. Moshensky*, A.V. Alexeevski 
A.N. Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology MSU, Moscow, Russia
* Corresponding author: [e-mail]