International conference on bioinformatics of genome regulation

Key words: overlapping genes, antiparallel open reading frame
Motivation and Aim: The origin and evolution of genes that have common base pairs 
(overlapping genes) is a topic of several dozen modern researches. Co-directional over-
laps longer than 60 bp seem to be erroneous except for a couple of cases [1]. So we 
decided to analyze antiparallel overlapping genes: whether open reading frames (ORFs) 
located opposite to genes (antiparallel ORFs) can be genes.
Methods and Algorithms: To analyze 968 reference prokaryotic genomes we have devel-
oped a program which finds ORFs on the complement strand of the annotated genes and 
calculates their P-value. Ka/Ks calculator 2.0 [2] has been used to estimate Ka/Ks ratio 
following the Yang and Nielsen method [3]. 
Results: First, we have found that long antiparallel ORFs are observed reliably more 
frequent than expected. There are 10472000 antiparallel ORFs in 968 analyzed genomes 
with overlap length more than 180 bp. Stop-codons on the opposite to the coding strand 
are avoided in 2898 cases with FDR P-value 0.01. 
Second, we have discovered that antiparallel ORFs are subjected to positive selection. 
Demonstrative example is more than 1800 bp antiparallel ORF found opposite to ex-
tremely conserved dnaK genes. Translations of these ORFs were claimed ‘glutamate de-
hydrogenases’ (GDH) and even included into Pfam DB as third protein family PF10712 
of GDH [4]. Ka/Ks analysis demonstrated that if these translations correspond to pro-
teins then they are under positive selection while dnaK genes are under strong negative 
selection. Due to zero shift of the ORFs’ codons each synonymous mutation in dnaK 
gene leads to amino acid substitution in the ORF translation. However, some antiparal-
lel ORFs, in particular dnaK related, have been found to resist to synonymous changes 
in genes. It indicates possibility of their translation. We speculate that their occasional 
translations should avoid toxicity for a bacterial cell. 
Conclusion: Essential genes are unlikely to be encoded by antiparallel ORFs in prokary-
otic genomes. Nevertheless, some antiparallel ORFs might have biological significance 
associated with their translations.
Acknowledgements. The work was supported by RFBR grant 14-04-01693 (1
st
 author) 
and RNF grant 14-50-00029 (2
nd
 author)
References:
1.  A. Pallejà, E. Harrington, P. Bork. (2008) Large gene overlaps in prokaryotic genomes: result of func-
tional constraints or mispredictions? BMC Genomics, 9:335.
2.  D. Wang et al. (2010) KaKs_Calculator 2.0: a toolkit incorporating gamma-series methods and sliding 
window strategies, Genomics Proteomics Bioinformatics, 8:77-80.
3.  Z. Yang, R. Nielsen. (2000) Estimating Synonymous and Nonsynonymous Substitution Rates Under 
Realistic Evolutionary Models, Mol Biol Evol, 17:32-43.
4.  N. Walker, N. McEwan, R. Wallace. (1999) Overlapping Sequences with High Homology to Functional 
Proteins Coexist on Complementary Strands of DNA in the Rumen Bacterium Prevotella albensis, 
Biochemical and Biophysical Research Communications, 263:58-62.

192
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
GEROPROTECTOR AND CRITERIA FOR ITS EVALUATION
A. Moskalev
1-4
*, M. Shaposhnikov
1, 2
, E. Proshkina
1, 2
, V. Tsvetkov
4
, A. Fedintsev
4
, 
E. Chernyagina
4
, A.
 
Zhavironkov
4
1 
Institute of Biology of Komi Science Center of Ural Branch of RAS, Syktyvkar, Russia
2 
Syktyvkar State University, Syktyvkar, Russia
3 
Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
4 
Moscow Institute of Physics and Technology, Dolgoprudny, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: aging, health, geroprotector
To date, more than 200 substances that prolong the life of model organisms have been re-
ported in the literature (http://geroprotectors.org). Reducing the cost and improving the 
efficiency with which increasingly large amounts of data from model organisms can be 
applied to humans will be critical to progress in the development of human geroprotec-
tors. For this purpose, we have to come to an agreement what should be considered ap-
plicable to human geroprotectors. Primary selection criteria for potential geroprotector 
can be as following: 1) Increased lifespan in models or human. The increase in lifespan 
is not always accompanied by positive changes in the quality of life, and additional cri-
teria for geroprotectors is needed, and discussed below. 2) Amelioration of human ag-
ing biomarkers (http://ageing-map.org). 3) Acceptable toxicity. 4) Minimal side effects.  
5) Improving health-related quality of life. Secondary selection criteria are needed to 
reduce cost of investigations and increase efficacy for potential geroprotector: 6) Evo-
lutionary conservatism of target or mechanism of action (http://agingchart.org). 7) Re-
producibility of geroprotective effects on different model organisms. 8) Simultaneous 
influence on several aging-associated causes of death in mammals. 9) Increase of stress 
resistance. 
Analysis of published data with the use of developed criteria did reveal candidates that 
fit all of the main criteria: (e.g., acarbose, deprenyl, d-glucosamine, dihydroergocristine 
methanesulfonate, ellagic acid, fenofibrate, glutathione, metformin, spermidine, tyrosol, 
and vinpocetine, telmisartan), and we suggest that they are tractable candidates for hu-
man interventions.

193
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
PHOSPHORYLATION OF ΑB-CRYSTALLIN: 
EFFECTS OF AGING AND CARDIOMYOPATHY 
N.A. Muraleva
1
*, V.A. Devyatkin
1, 2
, N.A. Kolosova
1
1 
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
2 
Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail] 
Key words: αB-crystallin, phosphorylation, cardiomyopathy, OXYS rats
Motivation and Aim: αB-crystallin (Cryab) is ubiquitous and has critical roles in sev-
eral cellular processes that are modulated by phosphorylation (pCryab). Aging and age-
related diseases lead to increased pCryab in several tissues such as eye lens, retina and 
skeletal muscle. Earlier we showed connection of cataract and retinopathy development 
in accelerated senescence OXYS rats with alteration of Cryab gene expression. Here we 
evaluated the changes of Cryab and its phosphorylation at serine positions 59 (pS59-
Cryab) in myocardium in response to normal aging and development of cardiomyopathy 
in OXYS rats to estimate the contribution of these changes in the systemic manifesta-
tions of accelerated aging. 
Methods: Electrocardiographic analysis, testing of blood pressure, western blot analysis, 
real-time PCR, histological and immunofluorescent assay. Results: We found that the 
clinical signs of cardiomyopathy manifested themselves in electrocardiograms of OXYS 
rats at the age of 12 months. Nevertheless, a slight functional alteration (tachycardia) 
was observed at 20-day-old rats and increased by the age of 3 months when OXYS 
rats developed arterial hypertension. In 12-month-old OXYS rats, a histological assay 
revealed hypertrophy of cardiomyocytes; substantial fibrosis of connective tissue was 
detected among the cardiomyocytes and around the coronary vessels; the vessel index 
(ratio of outer/inner diameter) was increased in comparison with Wistar rats (controls). 
The signs of atherosclerosis in the vessels OXYS rats were not detected. The devel-
opment of cardiomyopathy was not associated with alterations in expression of Cryab 
(determined by Western blot) in OXYS rats, but the expression of its protein increased 
by the 24 months. Phosphorylation of Cryab in OXYS and Wistar rats increased by the 
age of 3 months, as a result there was a decrease level of protein Cryab. The different on 
pS59-Cryab expression from detergent-soluble fraction between OXYS and Wistar rats 
was not found. Moreover, the level of pS59-Cryab in detergent-insoluble fraction was 
increased in 3-month-old OXYS rats compared with the control animals. This was the 
result of translocation of the pS59-Cryab from detergent-soluble to detergent-insoluble 
fraction. 
Conclusion: Our study confirmed that the development of secondary cardiomyopathy 
in 12-month-old OXYS rats associated with hypertension. The expression of Cryab in-
creased in myocardium OXYS and Wistar rats with the aging and it had not links with 
development of cardiomyopathy. The accumulation pS59-Cryab in detergent-insoluble 
protein  fraction  of  myocardium  elevated  translocated  to  striated  sarcomeres  with  the 
aging in both strain. Moreover, it was faster in myocardium OXYS rats and preceded 
the development of cardiomyopathy. This study was supported by the RFBR (Grant # 
14-04-00376).

194
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
ADVANCED CAPABILITIES OF VISUALIZATION  
AND ANALYSIS OF CULTURAL MODELS
E.R. Muslikhov, L.A. Strukova 
Qvadros-Bio, LLC, Moscow, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: cell culture, experimental technology
Cell culture - one of the most commonly used models in biology, which is applicable for 
the morphological, physiological, genetic, molecular biological, pharmacological and 
other studies. At the same time cell is a very complicated dynamic structure with a vari-
ety of biological and chemical processes occurring inside it. Many factors, both external 
and internal, at the same time can affect its state, which can very can be important for 
the results of the study. Through the development of photometry and microscopy, more 
and more attention is focusing on dynamic processes in the cell, but thanks to advances 
in technology, it is possible to make a continuous shooting in unacceptable for conven-
tional microscopes and cameras conditions at high temperature and humidity directly 
inside the CO
2
 incubator. Thus, it is possible to study the behavior and track the status 
of cells without having to create a complex of climatic chambers, which are much less 
effective than incubators.
“Quadros-Bio”  company  is  represent  IncuCyte  Zoom  automated  microscopes  and  a 
number of equipment for shooting inside the incubator in Russia. The equipment is com-
patible with most types of cultural plastic, automatically focuses and takes pictures at 
specified intervals, processes the information and produces graphical results. It is now 
possible to observe the cells during hours, days, weeks and even months in real time, 
from anywhere in the world where you have a network connection.
In our report, we will review how based on continuous recording in real time measure-
ment helping to get a true idea of   the influence of various factors on the morphology, 
proliferation and cell health; on the nature of the interaction between the different cell 
types; on angiogenesis mechanisms of neurogenesis, and neurodegenerative disorders. 
This survey also allows to perform phenotypic characterization of genes associated with 
various events in the life of the cell, to assess the overall condition of the culture and the 
effectiveness of pharmacological agents.
References:
1.  I. V. Arutyunyan, T. H. Fatkhudinov, A.V. El’chaninov, A.V. Makarov, E.Yu. Kananykhina, N.Yu. Us-
man, E.Sh. Raimova, D.V. Goldshtein, G.B. Bol’shakova. Effect of Endothelial Cells on Angiogenic 
Properties of Multipotent Stromal Cells from the Umbilical Cord during Angiogenesis Modeling in the 
Basement Membrane Matrix Cell Technologies in Biology and Medicine, (2016) 4: 575-583
2.  V. Vakhrushev, A. S. Vdovin, L. A. Strukova*, K. N. Yarygin. Variability of the Phenotype and Prolif-
eration and Migration Characteristics of Human Mesenchymal Stromal Cells Derived from the Decidu-
ous Teeth Pulp of Different Donors. Cell Technologies in Biology and Medicine, (2016) 4: 525-529

195
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
ORTHOSCAPE: A CYTOSCAPE PLUGIN  
FOR EVOLUTIONARY ANALYSIS OF GENE NETWORKS
Z.S. Mustafin
1
*, D.A. Afonnikov
1, 2
, K.V. Gunbin
1
, Yu.G. Matushkin
1, 2
, S.A. Lashin
1, 2
1 
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
2 
Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: Cytoscape plugin, ortholog, paralog, metabolic pathway, gene regulatory network, evolution, 
phylostratigraphy, evolution
Motivation and Aim: There are a number of software intended to visualization and analy-
sis of biological networks. Among them, Cytoscape (http://cytoscape.org/) is one of the 
most comprehensive tools. There are a lot of plugins extending the base functionality 
of Cytoscape. Nevertheless, there is still lack of evolution-oriented plugins: just three 
plugins tagged ‘network evolution’ in Cytoscape official app store and in literature. We 
have  developed  a  new  Cytoscape  plugin  Orthoscape  aimed  to  perform  evolutionary 
analysis of gene networks and visualize its results. Methods and Algorithms: We used 
KEGG (http://www.kegg.jp/) Pathway database to get gene networks, KEGG Orthology 
to get lists or homologs with identity and SW Score values, KEGG Genes to get protein 
domains, also nucleotide and amino acid sequences and KEGG Organism to get taxo-
nomic information. The domain composition and sequence similarity approaches used 
to discriminate between paralogs and orthologs [1]. Last common taxonomic level over-
lapped with inferred orthology status were used as a phylostratigraphic data [2] about 
(sub)network origin/divergence. We also allow users to create new networks from gene 
sets using GeneMANIA or CyPath2 (for BioPax format support) plugins. In this case, 
we  used  KEGG  sequence  similarity  search  to  associate  proteins  from  new  networks 
with data annotated in KEGG. Divergence index is calculated by KaKs calculator [3] 
using pairwise sequence comparisons for the taxa under analysis. The average value 
of  this  index  allow  us  to  discriminate  between  diversifying  and  stabilizing  selection 
in orthologous groups. Results: Cytoscape plugin Orthoscape has been developed. The 
plugin allows users to analyse evolutionary information in the gene sets and networks: 
(1) the orthology relationships between genes; (2) the evolutionary origin of gene net-
work components; (3) the evolutionary regime (diversifying or stabilizing, negative or 
positive selection) of orthologous groups in general and/or branch-oriented mode. The 
distinctive feature of Orthoscape is the ability to control all data analysis steps via user-
friendly interface.
Conclusion: Orthoscape allows user to analyze gene networks or separated gene sets 
to know the evolutionary origin of genes (sub)networks and selective pressure. It also 
provides convenient visualization and data manipulation abilities on each data analysis 
step. Availability: Upon the requests to the authors. Acknowledgements: The study is 
supported by the RSF 14-24-00123 grant.
References:
1.  Т. Gabaldón, E.V. Koonin (2013) Functional and evolutionary implications of gene orthology. Nat Rev 
Genet. 14:360-6.
2.  M. Quint et al. (2012) A transcriptomic hourglass in plant embryogenesis, Nature, 490: 98-101.
3.  Z. Zhang et al. (2006) KaKs_Calculator: Calculating Ka and Ks through model selection and model 
averaging, Genomics, Proteomics & Bioinformatics, 4: 259-263.

196
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
CROSSING VALLEYS AND REACHING PEAK  
ON THE FITNESS LANDSCAPES IN MICROBIAL  
COMMUNITIES UNDER VARIOUS ECOLOGICAL  
CONDITIONS: A SIMULATION STUDY
Z.S. Mustafin
1
*, D.A. Afonnikov
1, 2
, Yu.G. Matushkin
1, 2
, S.A. Lashin
1, 2
1 
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
2 
Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: Fitness landscape, fitness valley, microbial community, modeling, evolution, mutation rate
Motivation and Aim: Expression of the majority of an organism’s phenotypic traits de-
pends on the state of alleles in several genome loci. To model the evolution of a popu-
lation with such complex genotype-phenotype relationship, the locus-locus interaction 
should be taken into account. In these models, the evolution of a population is usually 
described by its movement over the fitness landscapes [1]. The challenging problem for 
such models concerns the necessity for a population to overcome intermediate evolu-
tionary stages by random drift. These stages are associated with the fixation of harmful 
mutations. Nowadays, the interest is also induced by the possibility of models to explain 
(or at least to try to explain) huge amounts of data recently collected as a result of high-
throughput sequencing of genomes [2, 3] as well as by the possibility to check classical 
and novel theoretical models and to estimate their parameters. These evolutionary mod-
els are aimed to answer the following major question: what factors do allow populations 
to cross valleys with decreased fitness on the fitness landscape during their transition 
from one peak to another? Methods and Algorithms: We analyze mechanisms of cross-
ing fitness valleys for a population of haploid microorganisms, fitness of which depends 
on allelic states in two loci and determined by complex landscape which shape could be 
described as “mount in the field surrounded by trench”. For this purpose, we used the 
HEC software [4] to build and simulate necessary models. We considered the impact of 
various biological factors on evolutionary fate of microbial communities. The factors 
included both molecular-genetic ones (mutation rate, affinities of subunits), population 
ones (fitness function landscape), and ecological ones (concentration of accessible sub-
strate in the habitat, flow rate). Results and discussion: Our results demonstrate that the 
success in passing of the fitness valleys in our model is defined by both fitness difference 
for different allelic combinations and mutation rate. Either gradual or saltation evolu-
tionary modes may be optimal for different fitness landscapes. Availability: Software 
– http://evol-constructor.bionet.nsc.ru, model scripts – upon the requests to the authors. 
Acknowledgements: The study is supported by the RSF 14-24-00123 grant.
References:
1.  M.C. Whitlock et al. (1995) Multiple Fitness Peaks and Epistasis. Annu Rev Ecol Syst, 26:601–629.
2.  T.F.C. Mackay. (2013) Epistasis and quantitative traits: using model organisms to study gene–gene 
interactions. Nat Rev Genet, 15:22-33.
3.  M.V. Meer et al. (2010) Compensatory evolution in mitochondrial tRNAs navigates valleys of low fit-
ness. Nature, 464:279-282.
4.  S.A. Lashin et al. (2014) HEC 2.0: improved simulation of the evolution of prokaryotic communities, 
Mathematical biology & bioinformatics, 9: 585-596. 

197
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
POLYMORPHISM OF THE VRN-A1 EXON-4 AND EXON-7  
IN POLYPLOID WHEAT
A.F. Muterko*, E.A.
 
Salina
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: wheat, VRN-A1, exon-4, exon-7, polymorphism
The manipulation by the quantitative values of such agronomically valuable traits as 
vernalization requirement, frost tolerance and flowering time allows adapt of plants to a 
wide range of environmental conditions that is an especially actual in wheat breeding in 
condition of changing climate.
In recent studies the association of the missense mutations within VERNALIZATION-A1 
exon-4 and exon-7 with modulation of frost tolerance, vernalization requirement dura-
tion and flowering time of wheat was shown. However these investigations were carried 
out exclusively in varieties of T. aestivum and has not covered of other species of poly-
ploid wheat and the different VRN-A1 alleles. Furthermore, often, the VRN-A1 exon-4 
and exon-7 analyzed separately, excluding influence of missense mutations in each of 
them on the results. In finally, earlier studies not supposed more than one copy of VRN-
A1 per genome and, hence, not estimated ratio of the VRN-A1 copies with alternative 
haplotypes of exon-4 and exon-7.
In present study polymorphism of the VRN-A1 exon-4 and exon-7 was investigated in 
accessions of 6 tetraploid and 5 hexaploid wheat species carrying the different VRN-A1 
alleles. Furthermore, in contrast to previous studies, investigation was performed given 
the presence of VRN-D4, which only by the several SNPs differs from VRN-A1. Spe-
cially developed approach, based on anomalous migration of the curved DNA molecules 
through polyacrylamide gel and the quantitative fluorescence image analysis have been 
implemented  for  discrimination  and  definition  of  ratio  of  the  VRN-A1  copy  with  the 
exon-4 alternative haplotype. The allele-specific multiplex PCR assay was designed to 
identification of the VRN-A1 exon-7 haplotype. Combination of the exon 4 and 7 haplo-
types was defined for each copy of VRN-A1.
Polymorphism of the VRN-A1 exon-4 and exon-7 was revealed only in accessions of 
hexaploid  wheat,  while  tetraploid  wheat  characterized  by  the  intact  sequences  (wild 
type). Furthermore, without two variants, identified only in hexaploid wheat, all domi-
nant VRN-A1 alleles carry intact exons 4 and 7. Exception for one accession the mutant 
VRN-A1 exon-4 was detected only with intact variant simultaneously. This observation 
allows assume that mutant type and overall polymorphism of exon-4 is associated with 
no  less  than  two  copy  of  VRN-A1  per  genome. Analysis  of  the  VRN-A1  exon-4  and 
exon-7 alternative haplotype combinations in hexaploid wheat, found that wild type of 
exon-7 and mutant type of exon-4 are associated with analogous haplotype of exon 4 and 
7 respectively. In finally, 3 different ratios of alternative VRN-A1 exon-4 haplotypes per 
genome were identified. Change of ratio of the alternative VRN-A1 exon-4 and exon-7 
haplotypes can be used to modulate of quantitative values of traits that are important for 
adaptation of the bread wheat varieties to a large range of environments.

198
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
PROTEOMIC OF TCA - EXTRACTED COMPOUNDS, 
ISOLATЕD FROM HUMAN BLOOD SERUM REVEALED 
NEW POTENTIAL BIOMARKERS, ASSOSIATED WITH 
AUTOIMMUNE AND HEMATOONCOLOGICAL DISEASES
S. Myronovkij
1
, M. Starykovych
1
, Y. Bobak
1
, N. Negrych
2
, T. Nehrych
2
, M. Shorobura
2
, 
O. Shalay
3
, S. Souchelnytskyi
4
, R. Stoika
1
, Y. Kit
1
*
1
 Institute of Cell Biology, National Academy of Sciences of Ukraine, Lviv Ukraine 
2
 Danylo Halytsky Lviv National Medical University, Lviv, Ukraine
3
 Institute of Blood Transfusion Medicine, National Academy of Medical Science of Ukraine, Lviv, Ukraine 
4
 Center for Translational Molecular Medicine, College of Medicine, Qatar University, Doha, Qatar
* Corresponding author: [e-mail]