International conference on bioinformatics of genome regulation

Key words: GJB2, deafness, genetic fitness, Eastern Siberia, Russia 
Motivation and Aim: Introduction of a sign language in schools for deaf people led to 
growth of their genetic fitness, which has doubled the GJB2 gene, associated deafness in 
the USA over the past 200 years. High prevalence of the GJB2-deafness and relatively 
recent (~ 60 years ago) introduction of sign language among deaf people were recorded 
among indigenous Yakut population (Eastern Siberia, Russia). 
Methods and Algorithms: We have performed study of fertility of deaf people compared 
to their hearing siblings in Eastern Siberia. Fertility was determined as mean number of 
children born to specific group. Genetic fitness of deaf people was calculated as the ratio 
of their fertility to fertility of their hearing siblings [1].
Results: Data on 83 deaf people and 185 hearing siblings, aged 35-69 years was collect-
ed. 143 children accounted for 83 deaf individuals, whereas 185 hearing siblings had 422 
children. Fertility of deaf people was estimated as 1.72 vs 2.28 of their hearing siblings. 
Overall the genetic fitness for deaf individuals is 0.75. There was no difference between 
genders. Our results are comparable with fitness of deaf women in Sweden – 0.76 [2], 
and lower than in USA – 0.88 [1] and higher than in Mongolia – 0.62 [3]. 
Conclusion: Thus, genetic fitness of deaf in Eastern Siberia is slightly reduced, which is 
still could possibly increase frequency of GJB2-deafness.
Acknowledgements:  The  study  was  supported  by  the  RFBR  grants  #15-04-04860_а, 
#16-34-00564_mol_a, the State project #6.656.2014/K.
References:
1.  Blanton SH. et al. Fitness among individuals with early childhood deafness: Studies in alumni families 
from Gallaudet University Ann Hum Genet. 2010;74(1):27-33.
2.  Carlsson PI, Danermark B, Borg E. Marital status and birthrate of deaf people in two Swedish coun-
ties: the impact of social environment in terms of deaf community. Am Ann Deaf. 2004-2005 Win-
ter;149(5):415-20.
3.  Tekin M. et al. GJB2 mutations in Mongolia: complex alleles, low frequency, and reduced fitness of the 
deaf Ann Hum Genet. 2010 Mar;74(2):155-64. 

257
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
EVOLUTION OF MITOCHONDRIAL GENOMES  
IN BAIKALIAN AMPHIPODS
E.V. Romanova
1
*, V.V. Aleoshin
2
, K.V. Mikhailov
2
, R.M. Kamaltynov
1
, M.D. Logacheva
2
, 
E.A. Sirotinina
1
, D.Yu.
 
Sherbakov
1, 3
1 
Limnological Institute SB RAS, Irkutsk, Russia
2 
A.N. Belozersky Institute of Physicochemical Biology MSU, Moscow, Russia
3 
Irkutsk State University, Irkutsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: Baikal, amphipods, mitochondrial genome
Motivation and Aim: Amphipods of Lake Baikal present the perfect example of adap-
tive radiation. Along with cichlid fishes of African Rift Lakes and Darwin’s finches of 
the Galapagos archipelago these invertebrates make a good model for studying of specia-
tion process, however in comparison to the former groups, amphipods of Lake Baikal 
are incommensurably less investigated. Despite previous efforts [Sherbakov et al 1999] 
the evolutionary history and taxonomy of Baikalian amphipods remains not sufficiently 
understood. The aim of this study is to infer phylogeny of Baikalian amphipods based on 
all mitochondrial protein-coding gene sequences and also to look for possible peculiar 
features of mitochondrial genomes structure in this group of invertebrates.
Methods and Algorithms: Sequencing DNA samples was performed using Illumina sys-
tems (Illumina, San Diego, CA). Mitochondrial DNA sequences were assembled both 
from reads of large mitochondrial DNA amplicons and from reads of total DNA using 
reference sequence.
Results: We obtained complete and nearly complete mitochondrial genome sequences 
of nine Baikalian amphipod species. A phylogenetic inference based on both nucleo-
tide sequences of mitochondrial protein coding genes and their amino acid sequences 
revealed Baikalian species to be a monophyletic group within other amphipods. The 
amphi-Atlantic-distributed  amphipod  species  Gammarus duebeni become the nearest 
outgroup to Baikalian clade. A structural analysis of mitochondrial genomes showed 
that Baikalian species under study possess different gene order patterns in comparison 
to each other and to available non-Baikalian amphipods. Also in mitochondrial genomes 
of four Baikalian amphipods the duplicated tRNA genes were found. It was discovered 
that additional tRNA copies in genomes of three species become underwent a remolding 
(changing of tRNA identity via point mutation in anticodon). Another feature of mito-
chondrial genomes studied is different numbers and lengths of intergenic spacers that 
occupy from 1.8 to 21.3 % of their entire length.
Conclusion:  Our  study  supported  the  hypothesis  about  monophyly  of  Baikalian  am-
phipods [Kamaltynov, 1999]. It was also shown the origination of some shallow-water 
species of Eulimnogammarus genus from a deep-water ancestor. The mitochondrial ge-
nomes of studied species possess sufficient amount of differences in patterns of genes 
and non-coding parts that suggest the hypothesis of an intense rearrangements processes 
in the evolution of mitochondrial genomes of Baikalian amphipods. 
References:
1.  D.Yu. Sherbakov et al. (1999). On the Phylogeny of Lake Baikal Amphipods in the Light of Mitochon-
drial and Nuclear Dna Sequence Data, Crustaceana, 72(8): 911-919.
2.  R.M. Kamaltynov (1999). On the evolution of Lake Baikal amphipods. Crustaceana, 72, 921–931.

258
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
GENETIC DIVERSITY AND METABOLISM  
OF THE GARGA HOT SPRING MICROBIAL MAT 
A.S. Rozanov*, A.V. Bryanskaya, T.K. Malup, T.V. Ivanisenko, Yu.E. Uvarova,  
S.E. Peltek 
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: microbial mat, hot spring, microbial community, metagenomic, metabolism
Motivation and Aim
 
Geothermal springs located at Baikal rift zone are interesting objects 
for studying the thermophilic bacteria. In this study we present the data about genetic 
diversity of phototrophic microbial mat of the geothermal Garga spring (Baikal, Russia). 
Methods and Algorithms: We have applied the 16S rRNA metagenomic approach. To 
this aim, we have used the primers U341F (5’-CCTACGGGRSGCAGCAG-3’, where 
R is A or G, S is G or C) and U806R (5’- GGACTACNVGGGTWTCTAAT-3’, V - C or 
R, W – A or T). NGS sequencing of the variable V3-V4 regions of the 16S rRNA gene 
was performed on MiSeq (Illumina) using the MiSeq reagent kit v.2 (Illumina). For data 
analysis we have used the software: QIIME pipeline, USEARCH (Ultra-fast sequence 
analysis) tool v5.2.236.
Results Metagenomic sequencing of the 16S rRNA gene was performed to analyze the 
genetic  diversity  of  the  microorganisms  of  the  Garga  hot-spring. We  have  studied  4 
points with the temperature varying from 74 to 45 °С. Bioinformatics analysis gained 
more than 13 thousands sequences of post filtering quality for each of the eight studied 
samples. Total number of sequences for all the points equals to 222201. 
Phylogenetic  analysis  has  demonstrated  that Archaea  (mainly  Crenarchaeota)  inhabit 
only a single point with the highest temperature (20%). The majority of the microbial 
mat was represented by cyanobacteria genus Leptolyngbya. The heterotrophic microor-
ganisms were mainly represented by Actinobacteria and Proteobacteria in all samples of 
the Garga hot spring. Planctomicetes, and anoxic phototrophs, mainly Chloroflexi, were 
found in significant amounts in the middle layer of the microbial mat. In the lower part 
of the microbial mat, the heterotrophic microorganisms were dominated. Representa-
tives of phylum Firmicutes (Clostridia, strict anaerobes) were most frequent. Based on 
the data about distribution of different Bacterial in microbial mat layers we have made 
assumption of forming of closed cycles for the basic for life chemical elements: carbon, 
nitrogen, and sulfur.

259
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
NEUROTHROPHIN SIGNALING PATHWAY IN DEVELOPMENT 
OF ALZHEIMER’S DISEASE-LIKE PATHOLOGY
E.A. Rudnitskaya*, N.A. Muraleva, N.A. Stefanova, N.G. Kolosova
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: Alzheimer’s disease, neurotrophin, senescence-accelerated OXYS rats
Motivation and Aim: Alzheimer’s disease (AD) is the most common type of age-related 
dementia worldwide, with dramatically increasing incidence because of ageing of the 
population. However, the precise mechanisms of AD progression are still not fully un-
derstood. One of the processes that may contribute to neurodegeneration is age-related 
alteration  of  neurotrophic  signaling  since  neurotrophins  manage  synaptic  plasticity, 
growth of neurite and neuron survival and death. To investigate a link between altera-
tions of neurotrophic signaling pathway (NSP) and progression of AD pathology we 
used OXYS rats that are considered as a suitable model of AD.
Methods and Algorithms: 20-day-old, 3, 5 and 18-mo-old OXYS and Wistar (control) 
rats (n = 16) were used. The RNA-seq data obtained for frontal cortex were used to ana-
lyze changes in NSP. ELISA was used to quantify level of Brain-Derived Neurotrophic 
Factor (BDNF) in the hippocampus. Western-blot analysis was used to quantify levels of 
TrkB and phosphorylated TrkB (phTrkB) receptors in the hippocampus and cortex. Im-
munohistochemistry was used to localize proBDNF and mature BDNF (mBDNF), TrkB 
and phTrkB receptors in the hippocampus and cortex. 
Results: According to KEGG pathway, 4 genes related to NSP were upregulated in the 
cortex of OXYS rats at the age of 20 days and 5 mo compared to Wistar rats. However, 
18 mo-old OXYS rats had 20 genes related to NSP with differential expression in the 
cortex. From the age of 20 days to 5 mo expression of 45 genes related to NSP changed 
unidirectionally in the cortex of OXYS and Wistar rats. With age only 5 genes of NSP 
changed its expression in the cortex of Wistar rats, while the expression of 54 genes was 
changed from the age of 5 to 18 mo in the cortex of OXYS rats. Analysis of protein con-
tent in the hippocampus showed that BDNF levels were increased in 3-mo-old OXYS 
rats and decreased with age. In addition, proapoptotic proBDNF became prevailing form 
of BDNF in the hippocampus of 18-mo-old OXYS rats. As for BDNF receptor, TrkB, its 
activation (that’s mean phTrkB/TrkB ratio) was decreased in the hippocampus of 18-mo-
old OXYS rats.
Conclusion: Activation of NSP in the hippocampus and frontal cortex of 3-5-mo-old 
OXYS rats may be considered as compensatory process addressed to slow down the 
development of AD-like pathology. However, compensation was ineffective and consid-
erable alterations of NSP occurred at the age of 18 mo that coincided in time with active 
progression of AD-like pathology in OXYS rats. This work was supported by grant from 
the Russian Foundation for Basic Research (project #15-04-06066).

260
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
DEVELOPMENT OF CATARACT AS THE BASIC SELECTION 
TRAIT IN THE ONTOGENY OF SENESCENCE-ACCELERATED 
OXYS RATS 
Yu.V. Rumyantseva*, A.Z. Fursova, E.E. Korbolina, N.G. Kolosova
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: accelerated aging, cataract, lens, crystallins, molecular chaperone, small heat-shock protein, 
Alzheimer’s disease, OXYS rats
A non-transgenic model of accelerated senescence and associated age-related disorders 
in OXYS rats was established by selection and inbreeding of Wistar rats, which were 
sensitive to the cataractogenic effects of galactose-enriched diet. The development of 
cataracts was induced by galactose overconsumption at the start, but, after five genera-
tions, the early spontaneous cataract became the selection trait against the background of 
a normal diet. To date, as a result of carefully controlled selection, OXYS rats stably and 
spontaneously develop the characteristic accelerated-senescence phenotype, including 
early cataract (similar to human senile cataract), AMD-like retinopathy, osteoporosis, 
arterial hypertension, and – according to the recent findings - brain neurodegenerative 
pathology with the features specific for Alzheimer’s disease. These led to the use of 
OXYS strain in the fundamental research and in the study of drug therapeutic effec-
tiveness. It is widely known, that age-related cataracts are associated with degenerative 
changes in the ocular lens including the aggregation of proteins, mainly molecular chap-
erones - crystallins, but also amyloids. This biochemical aspect might be a fascinating 
hypothesis for a cataract as a “biomarker” of systemic changes, including neurological 
processes, in the selection of OXYS rats. We recently reported the downregulation of a-
crystallin gene expression during retinopathy progression in OXYS rats. So, the aim of 
the present study was to analyze the dynamics of morphological changes in the OXYS 
lens and to compare it with lens mRNA levels for αА- and αВ-crystallins in order to 
search for potential systemic commonalities between cataract and retinopathy. We ex-
amined OXYS rats’ lens by means of light microscopy at 20 days (no clinical signs of 
cataract), 3 months (cataract prevalence is 100 %), and at 12 months (at the pronounced 
stages of disease) in comparison with age-matched Wistar rats (control group). In the 
lens of 20-day-old OXYS rats the minor aberrations in the packing of cortical fibers, and 
the signs of alterations in the transport activity and/or cell-to-cell contacts were detected. 
The likely-compensatory increase in the density of the lens epithelium was accompa-
nied by upregulation of the αА- and αВ-crystallin genes. At the age of 3 months, there 
were noticeable aberrations (and at 12 months, significantly enhanced aberrations) in 
the structure of the lens capsule and in organization of the cortical fibers in OXYS rats, 
whereas a-crystallin expression dipped below than in the Wistar rats. Summarizing, we 
showed that systemic changes in the expression and function of crystallins may underlie 
cataract and retinopathy progression in OXYS rats. Thus the selection for “cataract” trait 
might led to inheritable systemic changes including AMD-like retinopathy and brain 
Alzheimer’s disease-like pathology in OXYS rats.
This study was supported by the Russian Foundation for Basic Research (Grant 14-04-
00376  А).

261
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
COMPARATIVE ANALYSIS OF EXPRESSION  
OF ANHYDROBIOSIS-RELATED GENES IN RESPONSE 
TO DIFFERENT TYPES OF IONIZING RADIATION IN THE 
SLEEPING CHIRONOMID (POLYPEDILUM VANDERPLANKI)
A.V. Ryabova
1
, A.V. Cherkasov
1
*, K. Mukae
2
, T. Kikawada
3
, T. Okuda
3
, T. Sakashita
4
, 
O. Gusev
1, 5, 6
1
 Institute of Fundamental Biology and Medicine, KFU, Kazan, Russia
2 
Department of Regulatory Biology, Saitama University, Saitama, Japan
3
 Anhydrobiosis Research Group, NIAS, Tsukuba, Japan
4
 Takasaki Advanced Radiation Research Institute, Takasaki, Japan
5
 Division of Genomic Technologies, CLST, RIKEN, Yokohama, Japan
6 
Preventive Medicine & Diagnosis Innovation Program, CLST, RIKEN, Yokohama, Japan
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: anhydrobiosis, ionizing radiation, resistance, microarrays
Motivation and Aim: The larval stage of African chironomid Polypedilum vanderplanki 
has an extraordinary ability to withstand different types of external stress, such as com-
plete water loss and high-dose radiation exposure. Both hazards cause a similar trend 
in molecular damage, eventually leading to severe DNA lesions. The main purpose of 
this study was to clarify cross-tolerance mechanism to desiccation and irradiation by 
analyzing alterations in expression patterns of the most renowned stress-resistant groups 
of enzymes, such as antioxidants, late embryogenesis abundant (LEA) proteins and heat-
shock proteins.
Methods and Algorithms: For RNA expression analysis larvae were sampled according 
to the time (in hours) passed from the irradiation (0.5h; 3h; 12h), beginning of desic-
cation  (24h;  48h)  and  of  rehydration  (24h).  Custom  microarrays  for  P.  vanderplanki  
(4 × 44k format) were prepared by Agilent Technologies, Japan. Probe design was per-
formed using 16652 genes selected from Pv-EST database. Data analysis was accom-
plished in Subio Platform (v.1.19). Blast2go software was applied for ESTs annotation 
and Gene Ontology (GO) mapping via BLASTx results running against TrEMBL, Fly-
base and Wormbase. GO enrichment analysis was carried out with BinGO plugin for 
Cytoscape platform.
Results: The expression patterns of desiccation-responsive genes demonstrated mainly 
similar trends in all types of stress exposure. Functional analysis showed a presence of 
several closely related clusters of enriched biological processes and molecular functions, 
associated with different metabolic response to unfavorable conditions. Most of enriched 
GO terms were connected with protein modification and repair or neutralization of reac-
tive oxygen species (ROS).
Conclusion: Evolutionary-based adaptation of P. vanderplanki larvae to anhydrobiosis 
produces an activation of a multiple gene associations for elimination negative effects 
obtained from other types of abiotic stress impact. Tolerance to ionizing radiation is a 
side adaptation to desiccation resistance.
Acknowledgements: The work is performed according to the Russian Government Pro-
gram of Competitive Growth of Kazan Federal University and Russian Foundation for 
Basic Research (grant №14-04-01657).

262
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
GRAPH DATABASE FOR HUMAN MICROBIOME 
A.A. Ryasik, E.A. Temlyakova, M.A. Orlov, A.A. Sorokin* 
Institute of Cell Biophysics RAS, Pushchino, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: graph database, omics data, big data
Motivation and Aim: Human microbiome project (HMP) [1] is an important and per-
spective work with huge significance in biology and medicine. This project data grow 
year by year and nowadays it already contains 3055 sequenced and annotated organisms. 
So there is an obvious need in a tool that can provide convenient way of storing, updat-
ing and analyzing such amount of information. We believe that graph representation of 
biological data is the most natural and convenient way, because graphs have already 
been successfully used in system biology, bioinformatics etc. 
Methods and Algorithms: We  develop  a  graph-oriented  storage  for  omics  data  using 
Neo4j [2] database engine. The algorithms for collecting, uploading and updating data 
was implemented by Python and Scala. We collect data from different sources and data-
bases such as GenBank, UniProt, CheBI, Gene Ontology etc. It is also possible to store 
profiles of physical characteristics of the genome sequences in our database. All this data 
is processed and represented as graph, and accessible via native graph query language 
Cypher from web portal.
Results: Recently we have reimplemented the algorithms of the uploading data from ex-
ternal sources and achieved critical acceleration in upload. Now full upload of the most 
heavy part - genomics and proteomics data - can be done within hours instead of weeks 
as it used to be.
Conclusion: As sequencing data is updated every month, consequently new version of 
graph databases can be updated much faster according to new releases of HMP data. So 
the releases of our graph database with the most relevant information will be available 
almost the same time as HMP releases.
Availability: Source code is available on GitHub: http://github.com/promodel/
Acknowledgements: This work was supported by RFBR, grant r_centr_a 14-44-03679.
References:
1.  NIH Human Microbiome Project: http://www.hmpdacc.org/catalog/
2.  Neo4j web-site (Neo Technology): http://www.neo4j.org/

263
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
NEURONAL TRANSCRIPTIONAL REGULATION  
OF DROSOPHILA LIFE SPAN
O.Y. Rybina
1, 2
, A.V. Symonenko
1
, N.V. Roshina
1
, A.V. Krementsova
1, 3
, E.R. Veselkina
1
, 
M.I. Schelkunov
4
, S.V. Sarantseva
5
, E.G. Pasyukova
1
*
1
 Institute of Molecular Genetics of RAS, Moscow, Russia
2
 Moscow State Pedagogical University, Institute of Biology and Chemistry, Russia
3
 N. M. Emmanuel Institute of Biochemical Physics of RAS, Moscow, Russia
4
 
M. V. Lomonosov Moscow State University, Russia
5
 B. P. Konstantinov Petersburg Nuclear Physics Institute, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: Life span, transcription factors, the nervous system, Drosophila
Motivation and Aim: The nervous system is responsible for processing information from 
internal and external sources and propagation of vital clues throughout the organism, 
which  ensures  its  key  role  in  maintaining  structural  and  functional  homeostasis  and, 
hence, in the control of longevity. Main aging pathways known today are not specifically 
neuronal and function in other tissues. At the same time, the identity of neuronal cells 
is established and maintained due to the expression of specific neuronal genes. The role 
of these genes in life span control remains largely obscure. We used genetic approaches 
combined with q-RT-PCR and RNA-seq analyses to assess effects of genes controlling 
neuronal transcription factors on life span and to find mechanisms providing their impact 
on aging.
Results: Earlier, we demonstrated that several genes (stc, Lim3, and others) that encode 
transcription factors and are involved in the development of the nervous system affect 
life span in Drosophila melanogaster. The role of these genes in life span control was 
directly demonstrated by assessing effects of their mutations/reversions and tissue-spe-
cific RNA-i knockdown and overexpression on life span and locomotion (a conventional 
marker of aging). Decreased life span was associated with reduced synaptic function, 
whereas elevated locomotion – with changes in microtubule network. A naturally oc-
curring polymorphism in the regulatory regions of stc and Lim3 was associated with 
variation in life span. SNPs associated with life span variation were located in target sites 
of regulatory proteins, including global regulators of transcription; the functionality of 
SNPs was directly confirmed in experiments with cell culture and flies. Tissue-specific 
changes in stc and Lim3 transcription were associated with sex-specific changes in life 
span. Of interest, changing Lim3 or stc transcription exclusively in embryos affected 
lifespan of adult flies, indicating either epigenetic inheritance of some functional modi-
fications or setting of some structural properties of the nervous system, which might 
lead to alterations of the adult life span. Changes in the expression level of transcription 
factors should lead to systemic changes in transcription of many primary and secondary 
target genes. Several primary Lim3 target genes specific for the nervous system were 
revealed. Secondary targets were associated with mitochondrial function and energy ho-
meostasis, which indicates probable molecular mechanisms providing Lim3 impact on 
longevity.
Conclusion: Systemic regulation of neuronal transcriptional networks is proposed as one 
of the mechanisms regulating life span.

264
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
SEARCH FOR GENE MUTATIONS THAT CAN POTENTIAL-
LY AFFECT THE SUSCEPTIBILITY TO TUBERCULOSIS
O.V. Saik
1
*, P.S. Demenkov
1
, E.U. Bragina
2
, M. Freidin
2
, A. El-Seedy
3
, R. Hofestaedt
4
, 
V.A. Ivanisenko
1
1 
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
2 
Research Institute of Medical Genetics SB RAMS, Tomsk, Russia
3 
Alexandria University, Alexandria, Egypt
4 
Bielefeld University, Bielefeld, Germany
* Corresponding author: [e-mail]