International conference on bioinformatics of genome regulation

Key words: CAGE, transcriptional activity, promoter landscape, spaceflight, zebrafish
Motivation and Aim: Animal models are important to understanding influence of differ-
ent  factors of long-term spaceflights on living organisms and can be helpful for forecast-
ing and prevention negative effects of spaceflights on humans. Some previous experi-
ments, which performed on fish models using simulated microgravitation conditions and 
exposure aboard International Space Station (ISS), shows significant changes in whole 
genome gene expression. To define impact of spaceflight to tanscriptional activity on 
promoter level in Zebrafish tissues, we perform experiments using cap-analysis gene 
expression (CAGE) methodology.
Methods and Algorithms: Two groups of Zebrafish individuals was used as experimental 
and control group. The individuals from experimental group were maintained in Aquatic 
Habitat (AQH) in ISS and fixated in RNA stabilization reagent immediately after ar-
riving and after 36 days of staying aboard. Part of experimental group animals were 
returned alive from ISS for RNA fixation in ground conditions in two time-points: 2 and 
36 days after return. The animals from ground control group were fixated at the same 
time-points. 
Results and Conclusion: First results of CAGE shows significant impact of spaceflight 
on transcriptional initiation landscape. More than 600 genes are changing their expres-
sion  in  eye  samples,  after  arriving  aboard  ISS.  Notably,  the  number  of  differentially 
expressed genes decreased to 154 after 36 days in space, it can be supposed successful 
adaptation to spaceflight conditions. From genes, that significantly activated in space, 
we found several important transcription factors: Fos, FosB and Jdp2, that regulate ex-
pression of many genes involved in growth and tissue development processes. Gene 
Ontology analysis of space-responsive genes shows significant over-representation of 
functional categories associated with circadian clock system, that confirm influence of 
microgravitation conditions to regulation of rhythmic processes in animals.
Acknowledgements: The work is performed according to the Russian Government Pro-
gram of Competitive Growth of Kazan Federal University.

63
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
SIMULATION OF ENHANCER EVOLUTION IN A COM-
PUTATIONAL MODEL OF THE DROSOPHILA GAP GENE 
NETWORK
A.A. Chertkova
1
, J. Schiffman
2
, K.N. Kozlov
1
, M.G. Samsonova
1
, S.V. Nuzhdin
1, 2
,  
V.V. Gursky
1, 3
*
1 
Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, St. Petersburg, Russia
2 
University of Southern California, Los Angeles, CA 90089, USA
3 
Ioffe Institute, St. Petersburg, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: evolution, enhancer, thermodynamic model, gap genes, drosophila
Motivation and Aim: The evolutionary conservation of enhancers is connected with their 
regulatory function. We aim to study how the DNA regulatory sequence evolves un-
der the action of selection constraints. We simulate in silico evolution of the gap gene 
regulatory regions in Drosophila and use a model connecting the genotype (regulatory 
sequence) and a phenotype (gene expression pattern) for this purpose [1]. 
Methods and Algorithms: We consider a finite-size population of individuals consisting 
of the putative regulatory regions (enhancers) of four gap genes, and the first generation 
of this population is set to the wild-type sequence. The individuals are randomly mutated 
and recombined in the simulation over many generations. We put this population under 
the negative selection with the survival rate for the progenies defined by a fitness func-
tion that does not allow large deviations of gene expression patterns for each individual 
from the wild-type expression patterns. We estimate the sequence variability at the level 
of binding affinities of transcription factor binding sites and at the level of gene expres-
sion. 
Results: We show that the total number of transcription factor binding sites essentially 
decreases in the course of the evolution. We break the regulatory sequence into non-
overlapping segments and calculate a cumulative binding energy of binding sites within 
each segment. The distribution of this energy across all segments evolves to larger mean 
values and smaller variance. We show that the binding energies of distinct regulatory 
segments exhibit extensive mutual correlations, which are specific for each gap gene. 
Less  than  10  percent  of  binding  sites  stay  in  the  population  during  all  the  evolution 
time. These core binding sites have higher influence on gene expression. We also dem-
onstrate that even weak binding sites from the local vicinity of the core sites are more 
conserved, thus elucidating the functional role of this vicinity. Overall, the results clarify 
the mechanisms of how the binding affinity landscape for enhancers evolves and how 
this evolution is connected with the functional importance of various parts of the regula-
tory sequence.
Availability: The software is available from authors upon request.
Acknowledgments: Thе study was supported by the RSF grant 14-14-00302.
References:
1.  K. Kozlov, V. Gursky, I. Kulakovskiy, A. Dymova and M. Samsonova, Analysis of functional impor-
tance of binding sites in the Drosophila gap gene network model. BMC Genomics 2015, 16(Suppl 
13):S7

64
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
FUNCTIONAL ANALYSES ON THE MECHANISM  
OF INDUCTION OF ANHYDROBIOSIS IN THE MIDGE 
POLYPEDILUM VANDERPLANKI 
R. Cornette*, K-I. Iwata, S. Kikuta, Y. Sogame, T. Okuda, T. Kikawada 
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: Anhydrobiosis, Oxidative Stress, Gene expression, Microarray, RNAi
Motivation and Aim: The sleeping chironomid, Polypedilum vanderplanki, is the only 
insect able to survive almost complete desiccation in an ametabolic state known as anhy-
drobiosis. Previous studies identified genes involved in anhydrobiosis (1) and compara-
tive genomics showed that those genes were concentrated into specific genomic regions 
(2). However, little is known about the mechanisms inducing the expression of those 
genes for successful anhydrobiosis. Here, we focused on the role of oxidative stress and 
some key genes on the induction of anhydrobiosis.
Methods and Algorithms: P. vanderplanki larvae were subjected to desiccation stress, 
salt stress and oxidative stress to induce the expression of anhydrobiosis-related genes. 
Gene expression was investigated by microarray analysis, Real-time PCR and Western 
blot. The implication of the oxidative stress response and heat shock response transcrip-
tion factors Cnc-C and Hsf was investigated by knock-down analysis with RNAi. Plas-
mid  transfection  and  ectopic  expression  were  also  used  to  characterize  a  desiccation 
responsive response element.
Results: Physiological experiments showed that oxidative stress was produced during 
the induction of anhydrobiosis and general oxidation was damaging proteins, lipids and 
DNA. However, oxidative stress was also directly responsible for the induction of an-
hydrobiosis-related protective genes and generated an expression profile similar to that 
observed during anhydrobiosis. Knock-down by RNAi of the main transcription factor 
controlling the response to oxidative stress, Cnc-C, showed that this gene affects the ex-
pression of some anhydrobiosis-related genes and also the survival rate after rehydration 
of dry larvae. RNAi was also effective on Hsf, showing cross-talk between heat shock 
response and anhydrobiosis. Finally, we identified a desiccation responsive promoter, 
PDDRE, which induced ectopic expression of GFP in desiccating larvae. 
Conclusion: Oxidative stress is probably the main trigger of anhydrobiosis in P. vander-
planki. However, its integration operates through a complex cascade including Cnc-C, 
Hsf, PDDRE, and certainly numerous still unidentified factors.
References:
1.  R. Cornette et al. (2010) Identification of anhydrobiosis-related genes from an expressed sequence 
tag databasein the cryptobiotic midge Polypedilum vanderplanki (Diptera; Chironomidae), JBC, 285: 
35889-35899.
2.  O. Gusev et al. (2014) Comparative genome sequencing reveals genomic signature of extreme desicca-
tion tolerance in the anhydrobiotic midge, Nature Communications, 5: 4784.

65
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
MODELING OF THE BLOOD FLOW IN THE NARROWED 
VESSELS
S.G. Davydova¹*, E.A. Biberdorf ¹
, 
²
¹ Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia
² Sobolev Institute of Mathematics SB RAS, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: one-dimensional model of hemodynamics, mathematical modeling, pulse wave velocity, aorta
Motivation and Aim: A complex mathematical model of the cardiovascular system real-
ized on the BioUML platform was created as a result of the cooperation of Sobolev Insti-
tute of Mathematics and Design Technological Institute of Digital Techniques SBRAS. 
It proved to be very effective in many experiments [1]. This model assumes that all ves-
sels have the cylindrical form. But at the same time a number of large vessels such as 
the aorta have a conical shape. A transition from the cylindrical vessels to the conic ones 
allows to significantly improve this model, especially in questions of modeling of a pulse 
wave. Thus the purpose of this work is to construct an one-dimensional hemodynamics 
model for the vessel’s conical shape and research the distinctions between the vessels of 
conical and cylindrical forms.
Methods and Algorithms: Theoretical methods of mathematical physics, computational 
methods - a method of straight lines and orthogonal pro-race.
Results: The system of hemodynamics equations for the conical shaped vessels has been 
obtained and its program realization in the MATLAB system has been carried out. The 
velocity of blood flow and the distribution of the pulse wave, the influence of a filtration 
coefficient on the formation of the reflected wave and the reflection of the pulse wave 
from the place of the joint of two cylindrical vessels have been investigated. The calcula-
tions results lead to the conclusion that using of conic vessels and also the special filtra-
tion coefficient on the ends of the terminal vessels allows avoiding of the emergence of 
«excess» reflections of the pulse wave.
Conclusion: The received model for the vessels of conical shape can be recommended 
for the improvement of the existing model on the BioUML platform, in particular, for 
more accurate modeling of the pulse wave profile.
Availability: http://lib.nsu.ru:8081/xmlui/handle/nsu/10420
References:
1.  I. N. Kiselev, E.A. Biberdorf, V.I. Baranov, T.G. Komlyagina, V.N. Melnikov, I.Yu. Suvorova, S.G. 
Krivoshchekov, F.A. Kolpakov, «Personalization of Parameters and Validation of Model of the Human 
Cardiovascular System», Mat. Biolog. Bioinform., Vol. 10, № 2, 2015, P. 526-547.

66
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
STRUCTURAL PATTERNS AMONG THE DIVERSITY  
OF FLAVIN-DEPENDENT OXIDOREDUCTASES FROM  
LUMINOUS BACTERIA AND E. COLI
A.A. Deeva*, E.A. Temlyakova, A.A. Sorokin, E.V. Nemtseva, V.A. Kratasyuk
Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia
Institute of Cell Biophysics RAS, Pushchino, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key  words:  flavin-dependent  oxidoreductase;  bacterial  luciferase;  luminous  bacteria;  structural  
bioinformatics
Motivation and Aim: In luminous bacteria flavin-dependent oxidoreductases play an im-
portant role in supplying unstable reduced flavin for a bioluminescencent reaction cata-
lyzed by bacterial luciferase. Currently the problem of flavin transfer between these two 
enzymes is under consideration due to a diversity of oxidoreductases capable either to 
form a complex with luciferase [1], or to transfer flavin via free diffusion [2]. The aim of 
our study was to reveal probable structural similarities of various oxidoreductases with 
known amino acid sequences.
Methods and Algorithms:  The  protein-protein  BLAST  algorithm  was  used  to  search 
the NCBI database for homologs of starting sequences. Phylogenetic analysis was per-
formed using MAFFT and PhyML software. SWISS-MODEL server was used to re-
construct unknown structures. FMN and NAD(P) binding sites were mapped by using 
the NCBI Conserved Domains web server. Surface electrostatic potential was described 
with Apbs software.
Results: Structural homologs belong to relative oxidoreductase families and the major-
ity of conserved amino acid positions are located in proximity within FMN and NAD(P) 
binding sites. Electrostatic potential distribution on molecular recognition surface of the 
reductases show similar patterns in vicinity of the hypothetical interface involved into 
interaction with luciferase. A few oxidoreductases from E. coli have a high amino-acid 
similarity with corresponding oxidoreductases from luminous bacteria.
Conclusion: Structural and physical peculiarities inherent for different oxidoreductase 
families determine possible interaction mode with bacterial luciferase.
Acknowledgements: The reported study was funded by RFBR according to the research 
project No. 16-34-00746 mol_a and by the grant No.1762 from The Ministry of Educa-
tion and Science of the Russian Federation.
References:
1.  S. Tu (2008) Activity coupling and complex formation between bacterial luciferase and flavin reduc-
tases, Photochem. Photobiol. Sci. 7: 183–88.
2.  R. Tinikul et al. (2013) The transfer of reduced flavin mononucleotide from LuxG oxidoreductase to 
luciferase occurs via free diffusion, Biochemistry 52: 6834-43.

67
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
ANHYDROBIOSIS RELATED PROMOTERS IN PV11 CELL 
LINE
R.M. Deviatiiarov
1
*, T. Kikawada
2
, R. Cornette
2
, O.A. Gusev
1, 2, 3
 
1
 Institute of Fundamental Medicine and Biology KFU, Kazan, Russia
2
 National Institute of Agrobiological Sciences NIAS, Tsukuba, Japan
3
 Center of Life Science Technologies RIKEN, Yokohama, Japan
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: Anhydrobiosis, promoters, CAGE, regulation of gene expression
Motivation and Aim: Dry preservation of tissues, cells and genetic material supposed 
to be a more preferable approach for long term storage in biobanks than lyophilization 
and cryopreservation. Pv11 cell line, which is able to survive dehydration [1], is a pro-
spective model for this purpose. The major components are already known (trehalose 
and  LEA  proteins),  but  the  regulatory  systems  still  stay  unclear. Therefore,  we  have 
two sides of interest – fundamental, to reveal the effect of anhydrobiosis on promoters’ 
organization, together with practical significance for the further vectors construction, as 
example. In the beginning, discovery of promoter regions using CAGE could give an 
insight about possible transcription factors and general features, like GC content, shape, 
and active genes, which are described in the current research.
Methods and Algorithms: CAGE libraries were performed in three replicates for six stag-
es of desiccation/rehydration of Pv11 cell line and sequenced on HiSeq 2500 (high out-
put mode, 50
‐bp single end). R packages “edgeR”, “CAGEr” were applied for differen-
tial expression analysis, peaks clustering, plotting and other objects. The MEME Suite 
and AgriGO online tools for motifs and gene ontology tags enrichment, respectively.
Results: CAGE revealed 9218 active promoters and 8139 active coding genes in the 
cell culture. If we consider 200 bp area around TSS, the average GC% is 26.9, which is 
lower than in genome in general (28%), and for 50 bp regions – about 30.3%. Among 
gene-associated promoters ~30% classified as peaked and the rest have wide type distri-
bution of CAGE signal. These peaked promoters have significantly (p<2.2e-16) higher 
GC content. DE analysis with expression profiles clustering uncovered the desiccation 
specific group of genes (n=1202), including 40 of 68 active cryptogenes. GO enrichment 
showed terms about homeostasis, like GO:0019725, GO:0045454 and other, confirming 
importance of selected genes. While GC distribution in promoters for this group has no 
essential bias, the shape is much wider, and motifs enrichment analysis showed particu-
lar traits, as specific positions around +1 and +30 bp from TSS, including stress factors 
binding sites, like ABRE.
Conclusion: We defined active and desiccation specific genes in Pv11, described the 
basic properties of their promoters. Here we found that wide shape not associated with 
high GC content, suggesting a lack of conventional CpG islands.
Acknowledgements: This work was supported by Russian Science Foundation, grant 
№14-44-00022
References:
1.  Y. Nakahara et al. (2010) Cells from an anhydrobiotic chironomid survive almost complete desiccation, 
Cryobiology, 60, 138-146.

68
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
GENE EXPRESSION PROFILING OF FLAX (LINUM  
USITATISSIMUM L.) UNDER EDAPHIC STRESS
A.A. Dmitriev
1
,  A.V. Kudryavtseva
1
,  N.V. Koroban
1
,  G.S. Krasnov
1
,  A.S.  Speran-
skaya
1,  2
,  A.A. Krinitsina
2
,  M.S.  Belenikin
1,  2
,  A.V.  Snezhkina
1
,  A.F. Sadritdinova
1
,  
O.Yu. Yurkevich
1
, N.V. Kishlyan
3
, T.A. Rozhmina
3
, O.V. Muravenko
1
, N.L. Bolsheva
1
, 
N.V. Melnikova
1
*
1 
Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
2 
Lomonosov Moscow State University, Faculty of Biology, Moscow, Russia
3 
All-Russian Research Institute for Flax, Torzhok, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: Linum usitatissimum, flax, edaphic stress, expression alterations, nutrients
Motivation and Aim: 
Flax (Linum  usitatissimum  L.)  is  an  important  crop,  which  is 
widely used in textile, food, pharmaceutical and chemical industries. Edaphic stresses 
result in crop losses and decrease of flax oil and fiber production. In the present work, 
the impact of nutrient stress on flax plants has been studied.
Methods and Algorithms: F
lax  plants  of  line  Stormont  cirrus  and  cultivar  Bethune 
were grown under normal, deficient and excess nutrition. RNA was extracted from up-
per leaves and cDNA libraries were constructed. Next generation sequencing (NGS) of 
cDNA libraries was performed on Illumina platform. SOAPdenovo assembler was used 
for the assembly of flax transcriptome. For quantitative PCR (qPCR) data analysis, ΔΔC
t
 
method and 2 reference genes (ETIF3H and ETIF3E) were used 
[
1
]
. Statistical analysis 
was performed using Kruskal-Wallis and Mann-Whitney tests.
Results: 
Consequently, 69M, 27M, and 24M of 100 bp reads were obtained for flax plants 
grown under phosphate deficient (P), normal (N), and nutrient excess (NPK) conditions 
respectively. In total, 43471 transcripts were identified and their expression levels were 
assessed. 14 differentially expressed genes were chosen on the basis of obtained NGS 
data and their expression was evaluated on extended sampling (10 flax plants grown 
under N, 11 – under P, and 10 – under NPK conditions) using qPCR. The expression 
alterations under imbalanced nutrients were revealed for genes encoding WRKY DNA-
binding protein family and JAZ (jasmonate-zim-domain) protein family.
Conclusion: WRKY protein family regulates numerous processes in plants, includ-
ing abiotic stress response [2]. Proteins of 
JAZ
 family are jasmonate signalling re-
pressors, which control plant growth and development [3]. The role of WRKY and 
JAZ
 encoding genes in flax response to imbalanced nutrition was shown for the first 
time. 
These data provide new insights into edaphic stress response of flax.
Acknowledgements:
 This work was financially supported by the Russian Science Foun-
dation (grant 16-16-00114).
References:
1.  N.V.Melnikova, A.A.Dmitriev, et al. (2016) Identification, expression analysis, and target prediction of 
flax genotroph microRNAs under normal and nutrient stress conditions, Frontiers in Plant Science, 7: 
399.
2.  A.Banerjee, A.Roychoudhury (2015) WRKY proteins: signaling and regulation of expression during 
abiotic stress responses, The Scientific World Journal, 2015: 807560.
3.  L.Pauwels, A.Goossens (2011) The JAZ proteins: a crucial interface in the jasmonate signaling cas-
cade, The Plant Cell, 23(9): 3089-3100.

69
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
GENETICS AND PHYSIOLOGY OF WHEAT INFLORES-
CENCE DEVELOPMENT
O.B. Dobrovolskaya
1,5
*, P. Martinek
2
, Yu.L. Orlov
1
, A.A. Krasnikov
3
, E.D. Badaeva
4
, 
K.I. Popova
5
, J. Salse
6
, N. Watanabe
7
1 
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
2 
Agrotest Fyto, Ltd, Kroměříž, Czech Republic
3 
Central Siberian Botanical Garden SB RAS, Novosibirsk, Russia
4 
Vavilov Institute of General Genetics RAS, Moscow, Russia
5 
Novosibirsk State Agrarian University, Novosibirsk, Russia
6 
INRA-UBP UMR-1095, Clermont – Ferrand, France
7 
College of Agriculture, Ibaraki University, Ibaraki, Japan
* Corresponding author:[e-mail]