International conference on bioinformatics of genome regulation

Key words: modeling, microbial communities, horizontal gene transfer
Motivation and Aim: Bacteriophages are known to be one of the driving forces of bac-
terial  evolution.  Besides  promoting  horizontal  gene  transfer  between  cells,  they  may 
induce directional selection (for instance, according to more or less resistance of cells to 
phage infection). However, the impact of phages on metabolic evolution and formation 
of community trophic structure remains obscure. Spatial organization of the environ-
ment is another factor that is crucial for a bulk of processes in the corresponding micro-
bial community including its evolution and infection patterns. We have simulated and 
analyzed a series of computer models of microbial communities evolving in spatially 
distributed habitats under the pressure of phage infection.
Methods and Algorithms: We used a multilayer simulation tool HEC 3D [1] taking into 
account  genetic,  metabolic,  cellular,  population,  and  ecological  levels  of  community 
organization. It simulates both high-level (cellular chemotaxis and diffusion, substrates 
flow and diffusion) and low-level (mutations, horizontal gene transfer, gene regulation 
and  metabolism)  processes  allowing  combining  various  mathematical  modeling  ap-
proaches (agent-based modeling, differential equations, automata etc.) in one model. 
Results:  We  modeled  evolving  microbial  communities  living  in  spatially  distributed 
aquatic habitats characterized by a nutrient gradient. We varied time and location of 
initial phage infestation as well as switched chemotaxis on and off. Simulations have 
shown that phage infection decreases the speciation rate by more than one order as far as 
intensified selection blocks the origin of novel viable populations/species, which could 
carve out potential ecological niches. The dependence of speciation rate on the invasion 
node location varied on the invasion time corresponding to different stages of commu-
nity formation.
Conclusion: Our study has shown that phage infection affects evolution of microbial 
community slowing down speciation caused by gene loss and horizontal gene transfer 
of metabolic genes and stabilizing the system as a whole [1]. This influence varied in its 
magnitude depending on spatially-ecological factors as well as community state at the 
moment of phage invasion.
Acknowledgements: The study has been partially funded by the RFBR grant 150703879 
and Budget Project 0324-2015-0003.
References: 
1.  Klimenko A.I., Matushkin Yu.G., Kolchanov N.A., Lashin S.A. Bacteriophages affect evolution of 
bacterial communities in spatially distributed habitats: a simulation study // BMC Microbiology, 
2016, Vol. 16 (Suppl. 1), No.1, p. 31

131
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
HAPLOID EVOLUTIONARY CONSTRUCTOR 3D:  
A FRAMEWORK FOR MULTILAYER MODELING  
OF SPATIALLY DISTRIBUTED MICROBIAL COMMUNITIES
A.I. Klimenko, Yu.G. Matushkin, Z.S. Mustafin, A.D. Chekantsev, R.K. Zudin,  
S.A. Lashin*
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: modeling, microbial communities
Motivation and Aim: Next-generation ecological modeling approaches are based on the 
principles of emergence, predictability and structural realism [1]. Nowadays it becomes 
clear that to make reasonable ecological models it is necessary to take into account 
not only species interrelations but also their microevolution and organisms’ response to 
environment heterogeneity and its dynamic nature. It also tends to use functional types 
rather than taxonomical units in ecological models. We find microbial communities to 
be promising objects to manifest the power of such next-generation approaches. On the 
one hand, a community is a strictly localized spatially distributed structure where spatial 
localization of cells of different functional types determines the variety its metabolic 
functions. On the other hand, microevolution of microbes runs relatively fast and may 
be observed in both natural and experimental conditions [2].
Methods and Algorithms: In this study, we present a software package Haploid Evolu-
tionary Constructor 3D (HEC 3D) [3] designed for modeling and simulating spatially 
distributed multispecies microbial communities. The HEC 3D specifies a model on sev-
eral layers of biological organization, namely, on genetic, metabolic, cellular, popula-
tion, and ecological ones. Using HEC 3D one may combine various mathematical mod-
eling approaches (agent-based modeling, differential equations, automata etc.) in one 
model to simulate such processes as cellular chemotaxis, substrates flow and diffusion, 
mutations, horizontal gene transfer, gene regulation, reproduction and metabolism. We 
provide the import of SBML models into the HEC 3D model (metabolism layer) as well 
as the graphical user interface and high-performance calculations on various platforms.
Results: Several already published HEC 3D models (for example, in [3]) show the close 
interrelations between evolutionary and ecological processes occurred in microbial com-
munities, where spatial organization of a community may predetermine the evolutionary 
scenarios manifesting during its whole lifetime.
Conclusion: HEC 3D allows building comprehensive models of microbial communities 
taking into account both high-level and low-level processes. 
Availability: http://evol-constructor.bionet.nsc.ru
Acknowledgements: The study has been partially funded by the RFBR grant 150703879 
and Budget Project 0324-2015-0003.
References:
1.  V. Grimm, U. Berger (2016) Structural realism, emergence, and predictions in next-generation eco-
logical modelling: Synthesis from a special issue, Ecological modelling, 326: 177-187.
2.  R. Kassen (2014) Experimental evolution and the nature of biodiversity (Roberts).
3.  A.I. Klimenko et al. (2016) Bacteriophages affect evolution of bacterial communities in spatially 
distributed habitats: a simulation study, BMC Microbiology, 16: 31.

132
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
MONOTROPA HYPOPITYS WHOLE GENOME  
AND TRANSCRIPTOME SEQUENCING DATA
E.Z. Kochieva*, E.V. Gruzdev, A.V. Beletsky, A.M. Mazur, A.V. Shchennikova,  
O.V. Shulga, M.A. Filyushin, V.V. Kadnikov, A.V. Mardanov, N.V. Ravin, K.G. Skryabin
Institute of Bioengineering, Research Center of Biotechnology RAS, Moscow, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: parasitic plants, pinesap, genome sequencing, transcriptome sequencing, NGS
Monotropa hypopitys L. (Monotropaceae), commonly known as pinesap, is a flowering 
perennial non-photosynthetic mycoheterotrophic plant depending on carbon compounds 
obtained via fungus linkages to autotrophic host plants. М. hypopitys can be a plant mod-
el to study the transition to parasitism that is accompanied by complex morphological 
and developmental changes, including loss of photosynthetic ability and the emergence 
of specific functions required for host interaction.
Here we present the data on the whole-genome and transcriptome sequencing using high 
throughput GS FLX pyrosequencing and Illumina technology. M. hypopiys genome se-
quencing result in 281 million reads (86 GB), after primer trimming, quality trimming 
and paired-end reads merging. The estimated genome size is about 2,5 Gb. M. hypopitys 
transcriptome sequencing result in a total of 103 million high quality sequencing reads 
after primer and quality trimming. Transcriptome was assembled into 98350 unigenes 
ranging from 201 to 12993bp in length. 37977 unigenes were annotated in the TrEMBL 
protein database using predicted protein sequences and 38419 unigenes were annotated 
in the Swiss-Port database using blastx. Out of these, 34385 unigenes were assigned to 
gene ontology categories.
M. hypopitys  chloroplast  genome  reveals  dramatic reduction  to  34,8  kbp  in  size  and 
extensive gene order rearrangement. cpDNA contains only 40 intact genes of ribosomal 
apparatus and tRNAs. All genes related to photosynthetic activity are absent or became 
pseudogenes.
Genome-wide characterization of micro RNA resulted in identification of 55 members 
belonging to 40 families of known miRNAs and 17 putative novel miRNAs unique for 
M. hypopitys. Computational screening revealed 206 potential mRNA targets for known 
miRNAs and 31 potential mRNA targets for novel miRNAs. The predicted target genes 
were found to be involved in a broad range of metabolic and regulatory pathways. The 
identification of novel M. hypopitys-specific miRNAs suggests their recent evolutionary 
origin and participation in highly specialized regulatory mechanisms fundamental for 
non-photosynthetic biology of M. hypopitys.
This work was supported by the Russian Science Foundation under Grant 14-24-00175.

133
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
THE INTERACTION BETWEEN ANAEROBIC RESPIRATORY 
 COMPLEX II AND THE FLAGELLAR MOTOR
A. Koganitsky
1
*, T. Dadosh
2
, V. Kiss
1
, M. Eisenbach
1
1 
Biomolecular Sciences, Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israel
2 
Chemical Research Support, Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israel
* Corresponding author: [e-mail] 
Key words: modeling, flagellar motor
E. coli is well equipped for living in rapidly changing conditions of its natural ecosys-
tem: it has flagella that enable it to move and navigate in nutrient-poor environments, 
and  when  oxygen  is  limited,  it  has  the  ability  of  switching  to  anaerobic  respiration, 
using fumarate reduction for making energy. Recently it was discovered that there is a 
crosstalk between the fumarate reduction system (FRD) and flagellar motility: during fu-
marate respiration the flagellar motor operates in different mode. Our results reveal that 
the two systems communicate via physical interaction between their protein components 
and shed light on the molecular mechanism by which FRD controls the output of the fla-
gellar motor. Moreover, super-resolution microscopy enabled imaging and quantitative 
analysis of FRD proteins interacting with the flagellar motors in-vivo.

134
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
VIRTUAL BIOLOGY – THE FOUNDATION
F.A. Kolpakov
1, 2
1 
Institute of Systems Biology Ltd., Novosibirsk, Russia
2 
Design Technological Institute of Digital Techniques SB RAS, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: systems biology, virtual biology
Motivation and Aim:  Mathematical  models  of  many  biological  systems  and  their  parts  are 
being intensively developed now. Titles for many of many of them (or embracing projects) 
highlight they implication to virtual world: virtual cell, virtual liver, virtual physiological rat, 
virtual physiological human, virtual patient, etc. Whether we can try to cover all these projects 
by one term? 
Results: Yes, virtual biology is a good candidate for this purpose. So here we introduce the 
concept of virtual biology. It’s ultimate goal is building of virtual world inhabited with math-
ematical models providing precise portrait modeling of biochemistry and physiology of living 
organisms of real world. 
To define precise meaning of virtual biology we are developing a top level ontology using 
MediaWiki technology. Wiki technology allows a community to refine and maintain the ontol-
ogy to represent a consensus view.
The core of all systems -ology sciences are mathematical models that should reproduce 
dynamics of corresponding biological systems. Thus virtual biology can be considered as an 
umbrella for systems -ology sciences: systems biology, systems physiology, systems medicine, 
systems pharmacology. Roughly they correspond:
-  systems biology - virtual cell;
-  systems physiology - virtual human and physiological models of other high eukaryote 
organism, for example virtual rat;
-  systems medicine, systems pharmacology - virtual patient.
One of the key points of virtual biology is automated building of mathematical models us-
ing information from specialized biological databases and high throughput technologies. The 
use of multiple ontologies for defining components and subcomponents of models could allow 
them to be compared and integrated to form composite models in an automated manner.
The most suitable approach to simulate virtual organisms in virtual world is agent based 
modeling.
BioUML platform provides the most essential possibilities needed for virtual biology:
-  automated building of mathematical models (for example virtual cell) using information 
from specialized biological databases and high throughput experiments;
-  different simulation approaches (ODE, ADE, stochastic modeling) as well as composite 
modeling; 
-  parameters estimation to fit some model to experimental data, particularly it allows to 
personalize physiological models and create physiological avatars for virtual world;
-  agent based modeling to simulate virtual organisms in virtual world.
Availability: http://wiki.biouml.org/index.php/Category:Virtual_biology
References: 
1.  Z.S. Syed et. al. (2008) Wikitology: Using wikipedia as an ontology. In: Proc. of 2 international confer-
ence on Weblogs and Social Media.
2.  BioUML platform – http://wiki.biouml.org
3.  http://virtual-biology.org

135
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
WHEATDB2: PLANT TRAIT DATABASE AND INFORMATION 
SYSTEM BASED ON CROP ONTOLOGY TERMS 
E.G. Komyshev
1
*, M.A. Genaev
1
, A.V. Akushkina
2
, D.A. Afonnikov
1, 3
1
 Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
2
 Novosibirsk State Agrarian University, Novosibirsk, Russia
3
 Novosibirsk National Research State University, Novosibirsk, Russia
*
 Corresponding author: [e-mail] 
Key words: extreme climatic conditions, database, plant selection, crop, ontology
Motivation and Aim: Extreme weather conditions such as hot summer or cold winter 
frequent in many regions of Russia and have a negative impact on crop yields. Increasing 
grain yields can be achieved by identifying those plant varieties which are most suitable 
for cultivation in certain target areas. Thereby a systematic collection of data on the gen-
otypes and phenotypes of plants in different climatic conditions is required. This requires 
developing  integrated  databases  that  collect  large  scale  data  on  phenotype,  genotype 
and environment. An effective approach to solve this problem is to use ontology terms 
together with a detailed documentation of an experimental protocol to fix important in-
formation such as a condition and location of the experiment, used measurement tools. 
We present a database of specific plant traits based on Crop Ontology ontology terms [1] 
with a reference to genetic data: varieties/lines, genetic markers, sequences.
Methods and Algorithms: The basic structural unit of the database structure is the “ex-
periment” that combines information on the protocol of the experiment, its conditions, 
measurement tools, methods and participants. Experiment data types can be bound to 
the terms of ontology Crop Ontology. As a database management system was selected 
the MongoDB [2] that allow to represent a variety of flexible data structure in single 
database.
Results: A user can save the data in structures in a way which is convenient for him. The 
data can be selected from a number of various experiments and used for comparative 
analysis to identify the most suitable crop for cultivation in certain climatic conditions.
Conclusion: A proposed database structure is suitable for storing information such as a 
condition and location of the plant breeding experiment, used measurement tools.
Availability: Wheatdb2 system is available at http://pixie.bionet.nsc.ru/wheatdb2
Acknowledgements:  The  work  supported  by  RFBR  grants  №16-37-00304,  №16-34-
00688 and budget project № 0324-2015-0003.
References:
1.  Shrestha R. et al. (2010) Multifunctional crop trait ontology for breeders’ data: field book, annotation, 
data discovery and semantic enrichment of the literature, AoB plants, 2010: plq008.
2.  Chodorow K. (2013) MongoDB: the definitive guide, In: O’Reilly Media, Inc.

136
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
ASSESSMENT OF TRANSLATIONAL IMPORTANCE  
OF MAMMALIAN MRNA SEQUENCE FEATURES BASED  
ON RIBO- AND MRNA-SEQ DATA
Yu.V. Kondrakhin
1, 2
, R.N. Sharipov
1, 2
, O.A. Volkova
3
*
1 
Design Technological Institute of Digital Techniques SB RAS, Novosibirsk, Russia
2 
BIOSOFT.RU, Ltd, Novosibirsk, Russia
3 
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: mammalian mRNAs; translation efficiency; ribosome profiling; Ribo-Seq; mRNA-Seq; lncR-
NAs; regression analysis; discriminant analysis
Motivation and Aim: Ribosome profiling technology (Ribo-Seq) allowed to highlight 
more details of mRNA translation in cell and get additional information on importance 
of mRNA sequence features for this process. But in spite of the progress in study of 
translation process, there are still many open questions regarding to mRNA and non-
coding RNA nucleotide sequence features and influence of that features on translation 
efficiency (TE). The goal of our study was to assess the influence of mRNA sequence 
features on translation process. In particular, (1) their ability to discriminate between 
translated RNAs and lncRNAs; (2) their influence on discrimination between high- and 
low-translated mRNAs; (3) their relationships with TE.
Methods and Algorithms: We assessed the translational importance of mRNA sequence 
features with the help of statistical analysis of Ribo- and mRNA-Seq data derived from 
public databases. 14 translationally important features (10 known from literature as well 
as four proposed by the authors) were used in analysis. ТЕ values for each transcript 
were computed as lg(TE) = lg((R1/L1)/(R2/L2)), where R1 – Ribo-Seq read counts for 
transcript, L1 – length of transcript CDS, R2 – mRNA-Seq read counts for transcript, 
L2 – length of transcript; R1, R2 ≥ 10. To convert ТЕ values onto a common scale for 
all considered subsamples, we used the following normalization: lg(TE) - mean(lg(TE)), 
where mean(lg(TE)) was arithmetical mean within the individual subsample. Discrimi-
nant analysis has been used for comparison of protein-coding RNAs and lincRNAs as 
well as for comparison of protein-coding RNAs with high and low TE. Discriminant and 
regression analyses have been used to study relationships between these mRNA features 
and TE.
Results: (1) Statistical classification models that discriminated protein-coding and long 
non-coding RNAs with high accuracy were built. (2) The studied mRNA features were 
able to discriminate high- and low-translated mRNAs with good accuracy. (3) Built re-
gression models demonstrated that all features were significantly related to TE. (4) Four 
novel mRNA features proposed by us, namely complementarity index (CI) [1, 20], CI[-
15, 1], motif CAAGAA in [3, 103], and motif CCGCCA in [-100, 0] were found to be 
useful along with known features for discrimination between mRNAs and lincRNAs as 
well as for description of TE.
Availability: Tool for analysis is available in the frames of the BioUML platform (http://
www.biouml.org).
Acknowledgements: Supported by the Russian Foundation for Basic Research (№14-04-
01284).

137
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
MACROEVOLUTIONARY AND EXPERIMENTAL ASSAYS  
OF FITNESS LANDSCAPES
F. Kondrashov
Centre for Genomic Regulation (CRG), Barcelona, Spain
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: evolution, fitness landscape, genotype
Why do some genotypes lead to fit phenotypes while others do not? More importantly, 
is it possible to create a set of rules that can predict which genotypes will confer phe-
notypes of high fitness? The answer to these questions may lie in our ability to experi-
mentally describe the fitness landscape, which is a representation of the fitness state of 
all genotypes. In my talk I will focus on three things. First, I will review the evidence 
obtained by numerous computational studies of the character of the fitness landscape of 
individual genes that span macroevolutionary timescales. Second, I will review recent 
data from our lab, as well as from other researchers, on the experimental quantifica-
tion of local fitness landscapes, or the fitnesses of very similar genotypes. Finally, time 
permitting, I will describe recent results of a long-term experiment that documents the 
fitness states of genotypes of a specific gene from baker’s yeast incorporating various 
amino acid states that match states found in orthologous sequences. 

138
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
IT ANALYSIS OF CORNEA ENDOTHELIUM TRANSPORT 
ABILITY IN CORNEAL TRANSPLANTS AFTER  
HYPOTHERMIC CONSERVATION 
A.A. Konev
1
, I.G. Palchikova
1
, I.A. Iskakov
2
, L.E. Katkova
3
, G.S. Baturina
3
,  
E.I. Solenov
3
* 
1 
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS
2 
Multidisciplinary Science and Technology Complex “Eye Microsurgery” named after S.N. Fyodorov 
Federal State Institution, Novosibirsk Branch, Novosibirsk, Russia
3 
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]