International conference on bioinformatics of genome regulation

Key words: Mosaic gene network, Mathematical modeling, Apoptosis, Tumor necrosis factor, Hepatitis 
C virus
Motivation and Aim: Modeling of gene networks is widely used in systems biology to 
study the functioning of molecular genetic systems, including pathogen-host interac-
tions. Most of the existing mathematical modeling techniques are useful for the analysis 
of the well-studied biological processes, for which there is complete information about 
rates of reactions. However, the complex biological processes corresponding to, for ex-
ample, phenotypic traits of an organism, or pathological disease processes, including 
pathogen-host interaction, usually involves a set of interacting networks that can be rep-
resented by a mosaic gene network. In such networks, for each mosaic fragment there is 
a mathematical model, however, information about the molecular and genetic relation-
ships between these fragments may be missing. 
Methods and Algorithms: The approach of mosaic gene networks modeling in case of 
absence of precise information about the molecular and genetic links between the mosa-
ic pieces is based on the genetic screening data on the effect of the elements perturbation 
of one piece and response of elements in remaining piece. The method uses approaches 
of control theory and applies mathematical models, written in the form of a system of 
ordinary differential equations (ODE). 
Results: Modeling of random mosaic gene regulatory networks, consisting of two piec-
es, has shown high efficiency of developed method (mean deviation of the dynamics 
of  mosaic  networks  elements  from  behavior  of  the  original  gene  networks  has  been 
less than 10%). Using this approach, we have been integrated the model of hepatitis C 
virus subgenomic replicon replication and the model of apoptosis in cells. Such mosaic 
network  allowed  us  to  describe  the  regulation  of  apoptosis  process  by  HCV. Analy-
sis of the mosaic model revealed that the regulation of TNF-induced signaling by the 
HCV network is crucially dependent on the RIP1, TRADD, TRAF2, FADD, IKK, IκBα,  
c-FLIP, and BAR genes.
Conclusion: Overall, the developed mosaic gene network modelling approach demon-
strated good predictive power and allowed the prediction of new regulatory nodes in 
HCV action on apoptosis and the NF-κB pathway. Those theoretical predictions could 
be a basis for further experimental verification.

236
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
GUT MICROBIOTA IN CASE OF PARKINSON'S DISEASE  
AND OTHER NEUROLOGICAL PATHOLOGIES:  
COMPARATIVE STUDY
V.A. Petrov
1
*, V.M. Alifirova
1
, I.V. Saltykova
1
, Y.B. Dorofeyeva
1
, A.V. Tyakht
2
,  
E.S. Kostryukova
2
, A.E. Sazonov
1, 3
1
 Siberian State Medical University, Tomsk, Russia
2
 Scientific Research Institute for Physical-Chemical Medicine, Moscow, Russia
3
 Lomonosov Moscow State University, Moskow, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: gut microbiota, metagenome, Parkinson's disease, 16S sequencing
Motivation and Aim: Recently it is shown that nervous system of host organism interact 
with gut microbiota. In case of neurological disorders, especially for Parkinson's disease 
gut microbiota altered1. But little known about differences in microbiota composition 
among different  neurological pathologies.
Methods and Algorithms: The study was conducted in a three groups of patients (60 con-
trol subjects, 60 subjects with Parkinson's disease and 32 subjects with other neurologi-
cal pathologies, including multiple sclerosis, idiopathic dystonia and essential tremor). 
After the total DNA isolation and library preparation sequencing of the variable V3–V4 
16S rRNA gene regions was performed by using MiSeq Reagent Kit v2 and MiSDefault 
device according to the manufacturer's recommendations. Taxonomic classification, al-
pha- and beta-diversity performed using QIIME Software 1.9.0. Determination of opera-
tion taxonomic units (OTU) performed with the usage of Greengenes v. 13.5 database 
(OTU's representative set picking) and HITdb (taxonomy assigning using RDP Classi-
fier). Statistical comparison of the groups of samples was performed using Galaxy-based 
LefSe algorithm.
Results: The overall composition of fecal microbiota was affected by disease status both 
in terms of α- (chao1, Shannon and observed OTUs indices) and β- (weighted UniFrac) 
diversity. Gut microbiota of patients with Parkinson's disease and other neurological pa-
thologies is characterized by lower taxonomic diversity in comparison with healthy con-
trol without significant difference between Parkinson's disease and other neurological 
pathologies. In addition, there were significant differences in compositional dissimilarity 
between groups based upon ANOSIM and MRPP statistical algorithms. According to 
LefSe algorithm, there were 44 species and 22 genera of bacteria and archaea with dif-
ference in abundance within groups. The top bacterial markers with highest LDA scores 
among the groups were Christensenella minuta on the species level and Bifidobacterium 
on the genus level for Parkinson's disease group, Bacteroides massiliensis on the species 
level and Bacteroides on the genus level for control group, Anoxystipes fissicatena and 
Blautia for other neurological pathologies group.
Conclusion: Gut microbiota composition is specifically altered in case of different neu-
rological disorders. 
Acknowledgements Ministry of Education and Science of the Russian Federation sup-
ported the work (RFMEFI60414X0075, № 14.604.21.0075).
1.  F. Scheperjans et al. (2015). Gut microbiota are related to Parkinson's disease and clinical phenotype// 
Mov Disord, 30(3):350-8.

237
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
WORKFLOW FOR EXOME SEQUENCING IN IDENTIFICA-
TION OF DE NOVO MUTATION IN THE NCL6 GENE
D.A. Petukhova*, N.R. Maksimova, P.I. Guryeva, V.S. Kaymonov, M.T. Savvina
Laboratory of Genome Medicine, Clinics of Medical Institute, North-Eastern Federal University
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: Next-generation sequencing, whole-exome sequencing, de novo mutation, neuronal ceroid lipo-
fuscinosis type 6 (NCL6), trio family analysis
Whole-exome  sequencing  using  next-generation  sequencing  (NGS)  technologies  is 
gaining popularity in clinical practice.  Associations between undescribed mutation with 
the clinical picture of disease is the true difficulty in analyzing of NGS data. Trio family 
analysis  (father,  mother  and  affected  child)  is  a  very  powerful  approach  to  identify 
potentially pathogenic ‘de novo’ mutations in the proband. We sequenced the exome 
(~552 genes) of affected child with suspected of leukodystrophy and both unaffected 
parents by using the TruSight Inherited Disease sequencing panel (Illumina inc., San 
Diego, CA, USA) on a Miseq sequencing system (Illumina inc., San Diego, CA, USA). In 
total, we obtained 7 Gb of sequence data with 2091 variations from the human reference 
genome  sequence  that  were  subjected  to  several  filtering  steps.  The  MiSeq  system 
provides  fully  integrated  on-instrument  data  analysis  software.  Basespace  software 
performs secondary analyses on the base calls during the sequencing run. SNP’s and 
short INDEL’s are identified using the Genome Analysis Toolkit (GATK) by default. The 
number of candidate variants is reduced using a three-step filtration strategy to generate 
a short candidate mutation list. For the variant filtering and annotation we used Variant 
Studio version 2.2 (Illumina inc., San Diego, CA, USA) data analysis software. Initial 
quality filter removed less reliable variant calls and resulted in the identification of 1499 
genetic variants. In the second step given the rare incidence of autosomal – recessive 
disease, we excluded known dbSNP variants from our variants database, reducing the 
number of candidate by more than 98% to a total of 37 variants. For further analysis, we 
applied an autosomal-recessive disease model and assumed that the mutation was inherited 
from both parents [1,2,3]. Therefore, we have customized trio family data filtering and 
have found a common homozygous mutation c.396dupT (p.Val133fs) in exon 4 of CLN6. 
Validation by Sanger sequencing also confirmed that the c.396dupT (p.Val133fs) mutation 
was indeed present in a homozygous state in the affected child and in a heterozygous state 
in the both parents. We identified a pathogenic de novo mutation c.396dupT (p.Val133fs)  in 
the CLN6 gene, and made a diagnosis of neuronal ceroid lipofuscinosis type 6, suggesting 
that relatively high number of patients with neuronal ceroid lipofuscinosis type 6 may be 
hidden under the guise of leukodystrophy in Yakut population.
References:
1.  Yohe S, Hauge A, Bunjer K, Kemmer T, Bower M, Schomaker M, et al. Clinical validation of targeted 
next-generation  sequencing  for  inherited  disorders.  Arch  Pathol  Lab  Med.  2015;139:204–10.  doi: 
10.5858/arpa.2013-0625-OA.
2.  Becker J, Semler O, Gilissen C, Li Y, Bolz HJ, Giunta C, et al. Exome sequencing identifies truncating 
mutations  in  human  SERPINF1  in  autosomal-recessive  osteogenesis  imperfecta. American  journal 
of  human  genetics.  2011;88(3):362–71.  doi:  10.1016/j.ajhg.2011.01.015  pmid:21353196;  PubMed 
Central PMCID: PMC3059418.
3.  Kmoch  S,  Stranecky  V,  Emes  RD,  Mitchison  HM.  Bioinformatic  perspectives  in  the  neuronal 
ceroid  lipofuscinoses.  Biochim  Biophys  Acta.  2012  S0925-4439(12)00301-8  [pii]  10.1016/j.
bbadis.2012.12.010.

238
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
MIRNA BINDING SITES IN THE MRNA OF HUMAN  
TITIN GENE
I.V. Pinsky
1
*, A.T. Ivashchenko
1
, S.B. Labeit
2
1
 Al-Farabi Kazakh National University, Almaty, Kazakhstan
2
 Institute of Integrative Pathophysiplogy, Mannheim, Germany
*Сorresponding author: [e-mail]
Keywords: titin, sarcomeres, isoform, miRNAs, mRNAs, CDS
Motivation and Aim: Titin, the human muscle protein, is the largest in the nature (the longest 
isoform IC contains 35991 amino acid residues) and plays an important role in providing 
the elasticity and structural integrity of sarcomeres. Interruption of its synthesis leads to 
the development of a number of serious cardiovascular diseases such as heart failure, car-
diomyopathy, ischemic heart disease, and myocardial infarction. Titin gene expression is 
controlled by miRNAs (microRNAs) that bind with the mRNAs of the gene and block their 
translation. Therefore, it is important to determine which miRNAs most strongly regulate 
the synthesis of human titin and what exons of the gene contain the binding sites because 
different exons of the gene are expressed in different types of muscle tissue at different 
stages of the human body development.
Methods and Algorithms: The binding of 2563 human microRNAs with mRNA of human 
titin IC isoform, including all 363 exons of the human titin gene was determined using 
program miRTarget. The human miRNA sequences were taken from miRBase site (www.
mirbase.org/), and the mRNA sequence of the titin gene was taken from Genbank (www.
ncbi.nlm.nih.gov/genbank). The degree of binding (ΔG/ΔG
m
, %) was estimated according 
to the value of the ΔG/ΔG
m
 ratio, where ΔG was equal to the free energy of miRNA-mRNA 
binding and ΔG
m
 was equal to the energy of miRNA binding with its perfect complementary 
nucleotide sequence. 
Results: As a result of this research, 15 miRNA binding sites with scores not less than 90% 
were found and marked in exons of titin mRNA. miR-6861-5p has the largest number of 
binding sites. This miRNA bound with the mRNA of titin at positions 37324, 38077, and 
38830 nt at the boundaries of exons 178-179, 187-188, and 196-197, respectively. Other 
miRNAs had only one binding site each. miR-494-5p bound with titin mRNA at position 
1301 nt in the seventh exon. miR-578 bound with titin mRNA in the eleventh exon at posi-
tion 1960 nt. The 58
th
 exon contained overlapping binding sites of two miRNAs (miR-374b-
3p and miR-374c-3p) in positions 17239 nt and 17241 nt, respectively. Exon 59 was a target 
for miR-3714, which interacted with the mRNA at position 17450 nt. Exon 75 was the target 
of miR-34a-3p, which interacted with the mRNA at position 22116 nt. The 85
th
 exon of the 
titin gene was the target for miR-1278, which interacted with titin mRNA at the position 
of 24928 nt. The 89
th
 exon had a binding site for miR-544b at position 26044 nt. The 326
th
 
exon contained binding sites for miR-4738-3p and miR-136-3p. miR-4738-3p interacted 
with titin mRNA at position 74955 nt and miR-136-3p bound with mRNA of titin at position 
71469 nt. Exon 339 also contained binding sites for miR-4693-5p and miR-4495, which 
bound with the mRNA for titin at positions 92464 nt and 93909 nt, respectively. 
Conclusion: The  results  of  the  computer  analysis  provide  a  theoretical  basis  for  further 
experiments to validate the miRNA binding sites found in the mRNA of titin and to de-
termine the miRNA concentrations in the blood and other cells and tissues of humans and 
mice. These results could then be used for diagnosis and treatment of human cardiovascular 
diseases.

239
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
BIOSTORE: A CLOUD-COMPATIBLE HUB  
FOR BIOINFORMATICS RELATED TOOLS AND PLATFORMS
S. Pintus
1
*, T. Valeev
1, 2
, I. Yevshin
1, 2
, F. 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: containerization, Docker, cloud, workflow, web-server
Motivation and Aim: The growing demand of flexible access and control of computa-
tional resources and big data in bioinformatics have recently resulted in development 
of a wide range of cloud-based approaches targeted to bioinformatics, from cloud-
compatible pipelines like GATK and workflow managers like Galaxy to large-scale 
bioinformatics oriented cloud services like Google Genomics.
Today there is high demand for web based scalable platforms which would allow bio-
medical and computations researchers and specialists to collaborate in developing and 
making use of bioinformatics solutions.
Results: Here we introduce BioStore – a cloud-compatible hub for bioinformatics re-
lated tools and platforms. 
The BioStore web server uses VNC client and command prompt SSH client to access 
GUI-based and command-line applications, respectively, which, in turn are organized 
in containerized manner. We use Docker to apply containerized approach which allows 
to create an isolated working environment for each project, and efficiently allocate 
computational resources. The union filesystem (AUFS) used in Docker allows to in-
herit from already developed images and thus develop new containers.
At the current state BioStore provides a number of tools for systems biology – Cell De-
signer, Tellurium, COPASI, Cytoscape and , chemoinformatics, gene expression regu-
lation and genome annotation 
The concept of BioStore suggests three kinds of users – developers of conainerized 
bioinformatics workplaces, advanced computational biologists who fluently use the 
functional of the tools and platforms and “layman” pure biologists or medical scientists 
who would prefer to run production-ready workflows
The workflows are available in BioUML platform which also could be used as an IDE 
for various bioinformatics environments like R or Python
Availability: http://wiki.biouml.org

240
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
COMPUTATIONAL MODEL FOR MAMMALIAN CIRCADIAN  
OSCILLATOR INTERACTING WITH NAD+ / SIRT1 PATHWAY
O.A. Podkolodnaya
1
, N.N. Tverdokhleb
1, 3
, N.L. Podkolodnyy
1, 2, 3
*
1 
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
2 
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, Novosibirsk
3 
Novosibirsk State University, Novosibirsk
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: computer modeling, mammalian circadian oscillator, SIRT1 pathway
Motivation and Aim: The mammalian circadian timing system is a finely tuned hierar-
chical system which regulates a wide range of processes in the body (molecular genetic, 
physiological  and  behavioral)  with  a  period  close  to  24  hours,  allowing  the  body  to 
optimally adapt to the cyclical changes of environment. Almost every cell in an organ-
ism contains autonomous molecular genetic circadian oscillator (CO). The structure of 
this oscillator can be described by a complex gene network with the feedback process 
mediated transcription, post-translational modification of proteins, protein-protein inter-
actions, chromatin modification, and others. The basis of the circadian oscillator struc-
ture constitute by the two interlocked negative feedback loops generating the circadian 
rhythm. Additional feedbacks of this gene network provide stability of the oscillator 
functioning and its relationship with the other molecular-genetic systems and pathways 
of the organism. One of them is formed with the participation of NAD-dependent deacet-
ylase SIRT1, which couples the deacetylation of a number of transcription factors and 
co-factors to the cleavage of NAD+. Therefore, SIRT1 play a vital role in metabolism, 
inflammation, apoptosis, stress resistance, energy responses to restriction and high calo-
rie intake, development, and reproduction, which will ultimately affect the processes of 
aging and disease. 
Methods and Algorithms: The circadian rhythm gene network was reconstructed using 
the GeneNet system (Ananko et al., 2005). Computer model for mammalian circadian 
oscillator was implemented in MATLAB (Mathworks) as a system of 187 ordinary dif-
ferential equations. 
Results and conclusion: We have modified and  extended  the most  detailed circadian 
clock mathematical model, developed by Kim and Forger in 2012. In particular, the sub-
system comprising genes / proteins NAMPT and SIRT1, as well as NAD + and NAM 
was added into the model. The clock gene expression data, kinetic constants and charac-
teristics of the dynamics of the mammalian circadian processes for the wild type geno-
type and different mutations in the clock genes were collected and used to verify the 
extended mathematical model. A numerical study have demonstrated that the dynamic 
characteristics of the model, including the period, the amplitude and phase changes of 
concentrations agrees well with the experimentally observed values.
Acknowledgements: The work was supported by the RSF (the project № 14-24-00123). 
References
1.  Ananko EA, Podkolodnyy NL, Stepanenko IL, Podkolodnaya OA, et al. GeneNet in 2005 // Nucleic 
Acids Res.,2005, vol. 33, (Database issue), pp. D425-D427. 

241
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
COMPUTER ANALYSIS OF BIOLOGICAL NETWORKS  
OF MAMMALIAN CIRCADIAN OSCILLATOR
N.L. Podkolodnyy
1, 2, 3
*, N.N. Tverdokhleb
1, 3
, E.O. Sambilova
3
, S.A. Lobynya
3
, 
 Z.D. Yakubova
3
, O.A. Podkolodnaya
1
1 
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
2 
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, Novosibirsk
3 
Novosibirsk State University, Novosibirsk
* Corresponding author: [e-mail], [e-mail], [e-mail]
Key  words: computer network analysis, gene network, interatomic network, mammalian circadian 
oscillator 
The methods of network analysis and searching patterns of structural organization of 
biological networks including gene networks, interactomics networks, gene co-expres-
sion networks, the diseases networks, etc. currently used for solving practical problems 
of bioinformatics and systems computational biology. The paper presents the methods 
for analysis of biological networks, including methods for analysis the local and global 
topological properties of networks, methods for identifying the subsystems on the net-
work, the methods for comparing of network structures, etc., and the results of analy-
sis of gene network applied to research mammalian circadian oscillator. A method for 
constructing structural models of biological networks (null model) as random graphs 
with structural patterns similar to the patterns found in the analyzed biological network 
are developed. Null structural models of biological networks are important for building 
statistical hypotheses for solving various types of applications is proposed. The original 
method for description of the integrated structural characteristic of the biological net-
work was proposed. The integrated structural characteristic of the network corresponds 
to a principal component, built on the basis of the structural characteristics of local units 
- graphlets frequencies (small related isomorphic induced subgraphs), which include the 
vertex. On this basis, we developed a method of comparing the network and a statistical 
criterion for testing the hypothesis under consideration the network of its structural mod-
el in the form of random graphs. The circadian rhythm gene network was reconstructed 
using the GeneNet system (Ananko, 2005). A network of protein-protein interactions 
(PPI) in the liver at different times of day was reconstructed using experimental data on 
protein-protein interactions, gene/protein expression data in liver tissue. A PPI network 
in the liver at different times of day and an expanded version of the gene network of the 
mammalian  circadian  oscillator  have  been  reconstructed. A  computer  analysis  of  the 
gene regulatory network of the circadian oscillator and biological interpretation of the 
identified structural features, including central peaks gene network (hubs), structural pat-
terns of regulation and non-random structural motifs, strongly connected components, 
regulatory circuits and structural-functional units (clusters) were done. As a result, we 
identify the central component of the circadian oscillator, which includes basic regula-
tory circuits passing through the key element of the circadian clock---the protein Clock/
Bmal1. The reconstructed structural model, which includes both the central component 
and functional subsystems interacting with it, became the basis for building an extended 
mathematical model of the dynamics of the gene network regulating the circadian oscil-
lator. 
The work was supported by the RSF (the project № 14-24-00123). 

242
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
QUANTITATIVE CONTRIBUTION OF IL2RΓ  
TO THE DYNAMIC FORMATION OF IL2-IL2R COMPLEXES
L.F. Ponce*, K.García-Martínez, K. León
Center of Molecular Immunology, System Biology Department, Habana, Cuba
* Corresponding author:[e-mail]