International conference on bioinformatics of genome regulation

Key words: DNA electrostatics, transcription regulation, genome evolution
Motivation and Aim: Genome DNA electrostatics (E.) properties influence its interac-
tions with proteins, esp. for transcription regulation (TR). DEPPDB was developed to 
provide all information on genome DNA physical properties, sequence, and annotation 
of biological properties of genome elements and whole genomes, organized on taxo-
nomical basis.
Methods and Algorithms: DEPPDB and its tools [1, 2] were used to carry out the analysis.
Results: E. potential (EP) is distributed non-uniformly along DNA and correlates with 
GC content, strongly depending on the sequence arrangement and its context (flanking 
regions). Observed RNA polymerase binding frequency to DNA correlates to calculated 
EP. TR areas have EP peculiarities. Binding sites of transcription factors (TF) of differ-
ent protein families in different taxa are located in long areas of high EP. EP distribution 
on TF protein surface reflects that of binding sites. Promoters in average have high val-
ue and heterogeneity of EP profile. Transcription starting sites of prokaryotic genomes 
are characterized by hundreds of bp of high EP and some peculiarities directly around 
TSS. This is aimed to protein binding and physical properties formation for transcrip-
tion machinery. TSS EP architecture is similar in related taxa. Promoters up-element 
demonstrates electrostatic nature. E. interact in formation and TR with other physical 
properties: bending, thermal stability, supercoiling. Curved DNA in promoter regions is 
preserved and determined by habitat temperature. Mesophiles have different intensity in 
curvature; (hyper)thermophiles lack it due to life in temperatures above the curvature-
relaxing point, rendering it useless in TR. Strongly curved DNA fragments must possess 
high A+T content (reverse is not true). There is no decrease in size and prominence of 
electrostatic deep in extremophyles, proving importance of E. and its differential role vs 
curvature. EP properties of intracellular parasite M. leprae reflect pseudogenization with 
reduced TR.
Conclusion: E. plays universal role in prokaryotic TR, affecting proteins binding. It may 
influence horizontal gene transfer, TR systems evolution and contribute to genome regu-
latory areas high AT content in such diverse domains as Bacteria and Archea. Physical 
properties affect such fundamental problems as Chargaff’s II rule, genetic code redun-
dancy, nonsynonymy of synonymous substitutions etc., approving biophysical bioinfor-
matics.
Availability: DEPPDB is available at http://deppdb.psn.ru or http://electrodna.psn.ru
Acknowledgements: RFBR grants 14-44-03683 and 16-04-01865.
References:
1.  A.A. Osypov et al (2010) DEPPDB – DNA Electrostatic Potential Properties Database. Electrostatic 
Properties of Genome DNA, JBCB, 8(3): 413-25
2.  A.A. Osypov et al (2012) DEPPDB – DNA Electrostatic Potential Properties Database. Electrostatic 
Properties of Genome DNA elements, JBCB, 10(2) 1241004.

222
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
DIFFERENTIAL EXPRESSION IN HELIX LUCORUM 
STATOCYSTS UNDER MICROGRAVITY CONDITIONS
A.A. Osypov
1, 2
*, P. Kolosov
1
, N. Aceyev
1
, E. Chesnokova
1
, M. Roshchin
1
, N. Bal
1
, 
P. Balaban
1
1 
Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology of RAS, Moscow, Russia,
2
 Institute of Cell Biophysics of RAS, Pushchino, Russia
* Corresponding author: 
[e-mail]
Key words: Helix lucorum, statocysts, gravity reception, transcriptomics, differential expression
Motivation and Aim: Helix lucorum snail is a classical model object for studies of the 
nervous system functions. In order to understand the genome mechanisms of the gravity 
reception in the snail nervous system we performed a near single-cell transcriptomics 
analysis of space flight induced differential expression in Helix statocysts.
Methods and Algorithms: There were 8 animals in two equal groups of snails - that flied 
into space (n = 4) and remained on Earth (n = 4), some 13 cells were used per every 
sample. We performed a full novel transcriptome assembly based on the total mRNA 
sequenced by means of Ion Proton System.
Results: Near 60% of reads per sample were mapped to the assembly, yielding more than 
40 significantly differentially expressed (i.e. downregulated by space flight) genes of 
high accuracy. Most of them relate to the cell reception and different stages of intracellu-
lar signaling pathways, including gene expression regulation. Interestingly they were no 
significantly differently expressed genes if transcripts were mapped to the whole nervous 
system transcriptome assembly provided by our colleagues, and the overall portion of 
the mapped reads was less by nearly 20%.
Conclusion: The data obtained indicates that genes that are differently expressed are 
specific to the statocysts themselves and are probably related to gravity reception.
Acknowledgements: The work was supported by RSF grant 14-25 00072

223
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
TOWARDS A NEUROBIOLOGICALLY REASONABLE  
C. ELEGANS NERVOUS SYSTEM SIMULATION: NEURON, 
MUSCLE AND SIGNAL PROPAGATION MODELLING
A.Yu. Palyanov
1, 2
*, Kh.V. Samoilova
2 
1
 A.P. Ershov Institute of Informatics Systems, Novosibirsk, Russia
2
 Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author [e-mail]
Key words: C. elegans, nervous system, simulation, ion channels, computational modeling
Motivation and Aim: C. elegans with its small 302 neurons nervous system and nearly 
determined connectome is considered as a first multicellular organism to be reverse-
engineered and reproduced in the form of a computer simulation. C. elegans has a spe-
cific  mechanism  of  neural  signal  transmission  based  on  passive  propagation  since  it 
lacks voltage-gated Na
+
 channels required for typical action potentials. Morphology and 
electrophysiology of C. elegans neurons allows such signals to travel up to 1 mm or lon-
ger distances, although with noticeable delay and fading [1]. Body wall and pharyngeal 
muscle cells are capable of generating specific calcium-dependent action potentials that 
are driven by the L- and T-type voltage-gated Ca
2+
 and voltage-gated K
+
 channels [2, 3]. 
Reproduction of at least these mechanisms, including ion channels, neurophysiologic 
parameters and morphology, is required for a basic neurobiologically reasonable simula-
tion which can be further extended with more sophisticated mechanisms.
Methods and Algorithms: In this work we used the NEURON simulation environment, 
which is particularly well-suited to problems that are closely linked to experimental data, 
especially those that involve cells with complex anatomical and biophysical properties
 
[4]. It provides an ability for construction of custom models of ion channels and other 
cellular mechanisms via Neuron Model Description Language (NMODL) expanding the 
standard repertoire, which we employed as well. 
Results: Using the NEURON programming language HOC and NMODL we have de-
veloped a model of a typical C. elegans neuron with parameters known from experi-
mental study, which works in good accordance with our calculations [1]. The model of 
C. elegans pharyngeal muscle with the models of key ion channels was also created and 
reproduces its time dependence of membrane potential quite well.
Conclusion: Proposed models of C. elegans neuron and muscle provide the basis for 
further development and construction of neural circuits.
Acknowledgements:  The  work  was  supported  by  Russian  Federation  President  grant  MK-
5714.2015.9 
References:
1.  A.Yu. Palyanov, A.S. Ratushnyak (2015) Some Details of Signal Propagation in the Nervous System of C. 
elegans. Russian Journal of Genetics: Applied Research, 5(6): 642-649.
2.  S. Gao and M. Zhen. (2011) Action potentials drive body wall muscle contractions in C. elegans. Proc. Natl. 
Acad. Sci. USA. 108 (6): 2557–2562.
3.  B. Shtonda, L. Avery. (2005) CCA-1, EGL-19 and EXP-2 currents shape action potentials in the C. elegans 
pharynx. J. Exp. Biol. 208: 2177–2190.
4.  N.T. Carnevale and M.L. Hines (2006) The NEURON Book, Cambridge, UK: Cambridge University 
Press.

224
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
SEARCH FOR FUNCTIONAL NF-KB BINDING SITES VIA 
META-ANALYSIS OF NGS EXPERIMENTS IN HUMAN 
CELL LINES
N. Panyushev
1, 2
, E. Lomert
1
*, D. Tentler
1
, A. Predeus
2
1
 Institute of Cytology RAS, St. Petersburg, Russia 
2
 Bioinformatics institute, St. Petersburg, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: transcription factors, ChIP-seq
The NF-kB family of transcription factors plays the critical role in inflammation, im-
munity, cell proliferation, differentiation and metastasis. NF-kB dimers recognize 9-11 
nucleotide sequences called kB sites. There are about 13600 human genes with kB sites 
in promoter region; however not all of them are transcriptionally active. Thus search for 
functional kB sites could assist in understanding the basic principles that underlie NF-kB 
regulation.
The  combination  of  chromatin  immunoprecipitation  (ChIP)  and  next-generation  se-
quencing (NGS), namely ChIP-seq, has become a powerful technique to capture poten-
tial genomic binding sites of transcription factors, histone modifications and chromatin 
accessible regions. Using ChIP-seq datasets deposited in the public databases, such as 
GEO and  ENCODE we revealed physical binding sites of p65 (RelA) NF-kB subunit 
in various human cell lines: MCF-7, HUVEC, HeLa, SGBS and A549. For this purpose, 
we compared datasets for untreated cells and TNF-alpha-stimulated cells which contain 
activated p65 (RelA) protein.  
The effect of binding of NF-kB with predicted kB-sites on gene transcription in cell lines 
listed above was confirmed by RNA-seq data. The analysis of accessibility of genomic 
regions to NF-kB binding was carried out using epigenetic ChIP-seq data. Regulatory 
elements of the genes were distinguished by the histone modifications (H3K4me1, H3K-
4me3, H3K27ac and H3K36me3).
The analysis revealed a consistent pattern of the regulation of NF-kB-dependent tran-
scription,  the  correlations  of  histone  modifications  and  localization  and  consensus 
sequence  of  kB-sites.  Regulatory  elements  (promoters  and  enhancers)  were  identi-
fied genes via the chromatin context information. Obtained data can be used for experi-
mental validation of NF-kb -dependent regulation mechanisms by the binding kB-sites 
in the regulatory regions.
This work is supported by the Russian Science Fund grant (14-50- 00068).

225
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
NEW INSIGHTS INTO THE REGULATION OF REACTIVE 
OXYGEN SPECIES BY AUXIN THROUGH GENE  
EXPRESSION ANALYSIS
I.A. Paponov
1, 2
*, V. Budnyk
1
, T. Khodus
1
, M. Paponov
1
, K. Palme
1
1 
Institute of Biology II/Molecular Plant Physiology, Faculty of Biology, Albert-Ludwigs-University of 
Freiburg, Germany
2 
Norwegian Institute of Bioeconomy Research, Norway 
* Corresponding author: [e-mail]
Key works: auxin, reactive oxygen species, ROS, plant growth, environmental stress
Motivation and Aim:  Plants,  unlike  animals,  cannot  move  away  from  environmental 
stresses. Instead, they capitalise on a wide-ranging potential for growth adjustment in 
response to stresses. One mechanism believed to underlie this wide-range adjustment is 
cross-talk between reactive oxygen species (ROS) and the plant hormone auxin. ROS 
are well known and extensively investigated regulators of auxin activity, acting via oxi-
dation, signalling and distribution. However, the manner by which auxin affects ROS is 
less well understood. 
Methods:  We  addressed  this  question  by  a  combination  of  microscopy  staining  data 
analysis and transcriptomic analysis of gene expression data obtained from publically 
available experiments that used auxin and ROS treatments. 
Results: Microscopy staining showed that auxin differentially regulates the level of re-
active oxygen species in the roots: it increases hydrogen peroxide levels, as reflected 
by the fluorescence ratio of ratiometric redox-sensitive GFP (roGFP) and it decreases 
the cell wall levels of hydroxyl radicals (OH
.
). Gene expression analysis of the auxin 
regulation of all ROS-related genes showed that peroxidases are the best candidates for 
differential regulation of ROS. General oxidative response genes, which are induced 
by  several  ROS,  were  highly  over-representative  among  the  auxin  responsive  genes. 
This finding might reflect a combination of ROS induction by auxin and the presence 
of general oxidative response cis-elements in the promoters of auxin-responsive genes. 
Thirteen (13) auxin-repressed genes were up-regulated by superoxide, as indicated their 
up-regulation in a chloroplast superoxide mutant that displays enhanced chloroplastic 
superoxide levels. Interestingly, 11 of these 13 genes were expressed in chloroplasts, 
suggesting a novel regulation of chloroplast genes by auxin through specific reduction 
of the chloroplast superoxide level. 
Conclusions: Differential induction of ROS by auxin and regulation of auxin activity 
by ROS results in a positive feedback loop that is pivotal in plant growth adjustment to 
environmental stress conditions. 

226
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
IDENTIFICATION OF RECOMBINATION SITES  
IN THE GENOMES OF THE EUROPEAN SUBTYPE  
OF TICK BORNE ENCEPHALITIS VIRUS
A.I. Paramonov
1
*, Yu.P. Dzhioev
1, 2
, I.V. Kozlova
1
1
 FGBNU Scientific Center of family health and human reproduction problems, Irkutsk, Russia
2
 Irkutsk State Medical University, Institute of Biomedical Technology, Irkutsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: recombination, tick borne encephalitis virus, TBEV
Motivation and Aim: Tick   borne encephalitis virus (TBEV) of the Flaviviridae family 
is the causative agent in human neuroinfections which often cause disability and death. 
There are three main subtypes - Far Eastern, Siberian and European (Western). Each 
subtype has its own habitat; European subtype TBEV has extensive undivided area in 
Western Europe and mosaic in Asia. Representatives of this serotype circulate in eco-
systems significantly different by composition of biocenoses, vectors and hosts. Special 
attention should be paid to the genetic variation of this subtype, and genetic recombina-
tion is one of its leading factors [1, 2, 3]. The aim of this study was to detect potential 
recombination sites in the genomic sequences of the isolates of European subtype TBEV.
Methods and Algorithms: Genomes of 26 strains of European subtype TBEV available 
in the GenBank data base, as well as 8 strains we sequenced, were used in this work. 
The phylogenetic test for the presence of recombination was obtained using Splits Tree 
v4.1, by Neighbor-net method. Statistical test was carried out using the Phi Test for Re-
combinations method of Splits Tree software system [4]. Positioning of recombination 
sites was performed using software methods implemented in the programs package RDP 
v.4.46 [5].
Results: Phylogenetic network constructed by Neighbor-net has multiple splits indicat-
ing the possibility of reticulated evolution and accordingly recombination events at least 
in some strains. Phi Test for Recombinations showed the presence of recombination in 
this sequence set with p = 0,008. RDP v4.46 software package found recombination 
points in strains Joutseno and Absettarov. Interestingly, Joutseno strain contained two 
independent recombination points.
Acknowledgements:  The  work  was  supported  by  Russian  Science  Foundation  grant 
№14-15-00615.
References:
1.  Gritsun TS, Nuttall PA, Gould EA. Tick-borne flaviviruses //Adv Virus Res. 2003;61:317
2.  I.V. Kozlova et al. Genetic and Biological Properties of Original TBEV Strains Group Circulating in 
Eastern Siberia //Monograph.«Encephalitis» Edited by S.Tkachev, 283 pages, Publisher: InTech, Pub-
lished: January 09, 2013. P. 95-112.
3.  Růžek D, Dobler G, Donoso Mantke O. Tick-borne encephalitis: pathogenesis and clinical implica-
tions // Travel Med Infect Dis. 2010 Jul;8(4):223-32.
4.  Huson DH, Bryant D: Application of phylogenetic networks in evolutionary studies // Mol BiolEvol. 
2006, 23.-P. 254-267.
5.  Martin DP, Murrell B, Golden M, Khoosal A, & Muhire B (2015) RDP4: Detection and analysis of 
recombination patterns in virus genomes. Virus Evolution 1: vev003 doi: 10.1093/ve/vev003

227
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
DARWINIAN GENETIC DRIFT
D.V. Parkhomchuk*, A.C. McHardy
Department for Computational Biology of Infection Research, Helmholtz Center for Infection Research, 
Braunschweig, Germany
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: genetic drift, neutral evolution, population variability, Shannon’s entropy
Multicellular organisms (including humans) have mutations rates of order of at least few 
functional  mutations  per  genome  per  generation. We  claim  that  neither  neutral  (“non-
Darwinian”) drift nor Darwinian selection, via chain of fixations of positive variants are 
directly applicable to describe genetic variability in a population. The aim is to build a 
general formalism, which can account for drifting of arbitrarily functional variants explic-
itly, including high mutation rates of functional sites. Neutral drift is then a limiting case 
of such drift. If we let a “perfect” genome, with the best possible variants in all positions, 
evolve under the high functional mutation rate, it will “degrade” to some average equi-
librium fitness, which is less than the fitness of the perfect genome. Then we can study 
the general properties of a population drifting around the average fitness in equilibrium. 
The  resulting  drift  is  “Darwinian”,  because  we  do  not  consider  neutral  variants  at  all. 
Instead of neutral evolution, we effectively consider the evolution by compensatory muta-
tions (because the average fitness does not change in time). We can calculate the number 
of unique genomes, which have the equilibrium fitness. This (very large) fundamental 
number describes the population variability, defining population boundaries in a sequence 
space. In statistical mechanics the equivalent is a “number of microstates” and in Shan-
non’s Information Theory this is a “typical set” size. Correspondingly, if we calculate per-
site variability from this number, it turns out to be Shannon’s entropy. The drift displays 
unusual characteristics, in comparison with models, which are not accounting for high 
mutation rates in functional sites: population fitness and evolvability is independent from 
population size; the fraction of positive mutations among random mutations can be high, 
in general (a trivial consequence of “compensatory” view on mutations accumulation); 
variants fixations in an equilibrium population play no role for fitness evolution, and can 
be averaged out. The differences from traditional views stem from the different and incom-
patible starting assumptions: we posit that neutrality is an unnecessary oversimplification 
and it is crucial to consider realistic mutation rates, where the selection force is properly 
balanced with an equal and opposite stochastic force (for example, but not exclusively, 
high mutagenesis). When this fundamental balance is not explicitly introduced in a model, 
such models are critically incomplete and can produce artifactual dependencies. The drift 
concept  is  at  the  core  of  many  bioinformatic  models:  molecular  clock,  phylogenetics, 
coalescent theory and others. Our results suggest that considering the drift as being non-
neutral and including compensatory mutations is more realistic and functionally informa-
tive in comparison with the neutral drift assumption. It opens a number of bioinformatic 
challenges, such as to decipher the underlying functionalities of variances in a population, 
to build consistent models of common polygenic diseases and predispositions, and to im-
prove our understanding of genomic complexity evolution, in general.
References:
1.  A.A. Shadrin, D.V. Parkhomchuk. (2014). Drake’s rule as a consequence of approaching channel ca-
pacity. Naturwissenschaften 101, 939–954.

228
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
IMPACT OF 105-DAY ISOLATION CONDITIONS  
ON PROTEINS EXPRESSED IN ENDOTHELIAL CELLS,  
IN THE FRAMEWORK OF THE “MARS-500” PROJECT
L.Kh. Pastushkova
1
, D.N. Kashirina
1
, A.S. Kononikhin
1, 3
, A.G. Brzhozovsky
1
,  
I.V. Dobrokhotov
1
, E.S. Tiys
2
, V.A. Ivanisenko
2
, E.N. Nikolaev
3
, I.M. Larina
1
1 
State scientific center of Russian Federation – Institute for biomedicalproblems RAS, Moscow, Russia
2 
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
3 
Emanuel Institute of Biochemical Physics RAS, Moscow, Russia