International conference on bioinformatics of genome regulation

Key words: expression profiling, single cell, neural cells
The zebrafish neural crest is now an established model for studies of cellular and genetic 
mechanisms underlying embryonic development in vertebrates. Neural crest (NC) cells 
are multipotent stem cells that form from the edge of the neural plate, but which delami-
nate and then form a great diversity of derivative cell-types. The NC is a major model for 
understanding stem cell differentiation, in particular how multipotent progenitors generate 
a balance of different derived cell-types. In this context, we use zebrafish pigment cell de-
velopment as our model system, primarily because pigment cells are self-labelling so that 
simple microscopy allows observation of subtle phenotypic effects in vivo. Furthermore, 
in contrast to mammals, zebrafish have three NC-derived pigment cell-types – melano-
cytes (black), iridophores (silver) and xanthophores (yellow), all of which are thought to 
share a common cellular origin. We have developed an iterative approach which combines 
mathematical modelling with in vivo genetic studies to generate and formally assess gene 
regulatory networks (GRNs) in stem cell development. Following our initial studies of 
the melanocyte GRN (1), we are now focused on understanding how different pigment 
cell  types  can  be  generated  from  a  common  NC  precursor.  Specifically,  we  are  focus-
ing on the shared origin of melanocytes and iridiophores from a shared melanoiridoblast. 
We are building a quantitative model of the GRN underlying melanocyte and iridophore 
fate specification. To achieve this goals we have profiled the expression of single cells 
derived from the NC throughout a time-course of pigment cell development (18 to 72 
hpf). For each time point, NC–derived GFP-positive cells from transgenic embryos were 
individually isolated using FACS; and expression levels for 45 genes (including known 
core neural crest/pigment cell genes such as mitfa, ltk, sox10, foxd3, tfec) were assessed 
using nanoString technology. Our ongoing analysis of these data give us a unique view 
of the diversity and quantitative gene profile of single NC cells freshly ex vivo, allowing 
unequalled insight into the state of neural crest cells in vivo.. Clustering analysis of the ex-
pression profiles identifies cells that show an expression pattern consistent with them be-
ing common precursors for both melanocytes and iridophores. Other cell clusters possess 
characteristics of more multipotent NC cells, including likely common precursors for both 
pigment cells and other cell types (e.g. glia or enteric neurones). Later in development, we 
observe cells with profiles consistent with differentiated cell-types e.g. melanocytes or iri-
dophores. We are now developing single cell expression profiles for NC of mutants (mitfa, 
sox10 and ltk) known to affect melanocyte or iridophore fate specification. Likewise, using 
single cell expression data for parameter fitting, we are now developing a quantitatively 
accurate mathematical model of the melanoiridoblast GRN. Initially, the parameters are 
fitted using the wild-type data, and the resultant quantitative model is being used to gener-
ate quantitative predictions of the mutant phenotypes. At the end of this process, we expect 
to have a refined GRN for the pigment cell progenitor and will be able to test the prediction 
that stochastic variation in gene expression levels could play an essential role in cell fate 
decision making. 

303
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
MOLECULAR PHYLOGENETIC ANALYSIS  
OF THE GRASSHOPPERS OF FAMILY ACRIDIDAE BASED  
ON SEVERAL MITOCHONDRIAL AND NUCLEAR MARKERS
 
I.S. Sukhikh
1
*, A.G. Blinov
1
, A.G. Bugrov
2
 
1
 Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
2
 Institute of Systematics and Ecology of Animals SB RAS, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: Acrididae, phylogeny, mitochondrial DNA, ribosomal DNA
Motivation and Aim: Acrididae is the biggest family of Acridoidea superfamily, includ-
ing from 25 to 34 subfamilies according to different classifications, and several genus 
that assigned to no family. It is worth noting that the few subfamilies consists of small 
number of genus and species. For a long time, taxonomy, the renovation of phylogenetic 
relationships and understanding of the evolution of Acrididae family were based mainly 
on comparison analysis of key morphological structures of recent and fossil species. 
However, on subfamily level, the problems of
 
convergence and parallelism are rising up 
for these insects. One of the most effective methods of establishing phylogenetic rela-
tionships is the analysis of various DNA markers. 
Methods and Algorithms: In present work, we conducted molecular phylogenetic analy-
sis of complete mitochondrial sequences, mitochondrial (COI, COII, CytB) and nuclear 
(ITS2, 28S rRNA) markers of more than 220 species of Acrididae family from 26 sub-
families,  extracted  from  these  insects  experimentally  and  obtained  from  NCBI  data-
base. Phylogenetic trees for different combinations of these markers were obtained using 
maximize likelihood and Bayesian methods.
Results: As the result of the work done, we found out that all of locusts’ species under 
discussion  grouping  up  into  13  phylogenetic  clusters,  and  phylogenetic  relationships 
between them were established. Five out of 26 subfamilies (Acridinae, Oedipodinae, 
Gomphocerinae, Oxyinae and Catantopinae) found to be polyphyletic in present study, 
which point out the shortcoming of current taxonomy. The data obtained allowed us to 
clarify the classification of Acrididae species.
Availability: All DNA marker sequences will be in a free access in the NCBI database.

304
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
COMPREHENSIVE ANALYSIS OF DRAFT GENOMES  
OF TWO CLOSELY RELATED PSEUDOMONAS SYRINGAE 
PHYLOGROUP 2B STRAINS INFECTING MONO- AND  
DICOTYLEDON HOST PLANTS
R.I. Sultanov
1, 2
*, G.P. Arapidi
1, 2
, S.V. Vinogradova
3
, V.M. Govorun
1, 2, 4
, D.G. Luster
5
,
 
A.N. Ignatov
6
1
 Moscow Institute of Physics and Technology (State University), Moscow, Russia 
2
 Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, the Russian Academy of Sciences, Moscow, 
Russia
3
 Research Center of Biotechnology, Moscow, Russia
4
 SRCC of Physical-Chemical Medicine, Moscow, Russia
5
 USDA-ARS Foreign Disease - Weed Science Research Unit, Ft. Detrick, USA
6
 R&D Center “Phytoengineering” LLS, Moscow region, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: Pseudomonas syringae, dicots, monocots, pan-genome, core genome, T3SS, virulence factors
Motivation and Aim: In recent years, the damage caused by bacterial pathogens to major 
crops has been increasing worldwide. Pseudomonas syringae is a widespread bacterial 
species that infects almost all major crops. Different P. syringae strains use a wide range 
of biochemical mechanisms, including phytotoxins and effectors of the type III and type 
IV secretion systems, which determine the specific nature of the pathogen virulence.
Methods and Algorithms: The genomes of Pseudomonas syringae strains 2507 (wheat) 
and 1845 (sunflower) isolated on the territory of the Russian Federation were determined 
by pyrosequencing and compared with previously published sequences of 18 genomes 
of the strains belonging to the same phylogroup and affecting dicots and monocots. We 
analyzed seven informative genes used in MLST genotyping of P. syringae, calculated 
the average nucleotide identity (ANI), and examined the compositions of the type III 
secretion system (T3SS) effectors and of the elements of insertion sequences (IS).
Results: We found that strains 2507 and 1845 and strains SM and B64 form a subgroup 
that is stable among the other strains of phylogroup 2b. The analysis of the genome of 
strain 1845 indicated the recent loss of several genetic elements (the cluster of genes 
responsible for the synthesis of syringolin and the prophage cluster) that are present in 
strains 2507, B64, and SM. We found three genes (YP_234264.1, YP_234265.1, and 
YP_237386.1), the acquisition of which by strain 1845 could lead to the change in its 
host class.
Conclusion: The results obtained by comparing the strain 1845 genome with the ge-
nomes of bacteria infecting monocots can help to identify the genes that define specific 
nature of the virulence of P. syringae strains. 
Availability: The genomes of P. syringae strains 1845 and 2507 will be available soon 
at NCBI.

305
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
1
 Given this Fisher [1], the author of the definition, also proposed the geometric interpretation of the ad-
aptation in which, factually, rediscovered the V.Kovalevsky inadaptation and anadaptation terms indistin-
guishabled through ω and predicted the necessity for the formation of Eldrege and Gould’s stasis.
2 
Disagreements between temps of invasion, adaptation and evolution are a quick transition from slow to 
rapid invasion in new econiche/biotope and vice versa (i), the relative irrelevance of a successful invasion 
of a new econiche to preadaptation to that one (ii) and discordance between evolutionary and adaptation 
rates of small populations during invasion (iii) [2].
3 
In situ assessment used into the habitat by the organism-invader with receptor repertoire that can evaluate 
aboriginal signals [3]. Without the repertoire an organism can assess own chances based on the own stress-
reaction developing during invasion in novelty [2].
4 
R – resources to target action Z; s – environment; Q – operator, that is, feature for the R→Z transition 
built on the genome information I; p, P – probabilities of transition in given s: p – randomly, P – with Q(I); 
w – transition by-products [4].
5 
Or preventive adaptation that stabilizes the area and eventually the population size (random expansion 
also requires a large population).
6 
For example, in course of stress-reaction tiredness resulting an interference of mobilized resources warns 
about the danger of resource depletion long before its exhaustion [2].
ADAPTATION AND BIOLOGICAL TIME
V.V. Suslov 
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: information, invasion, evolution, adaptation
Motivation. Operationalize simplicity is an indisputable advantage of the classical defini-
tion any adaptation in terms of fitness ω. But the definition is not universa
l
 , particularly, via 
ω cannot explain the Osborne effect
2
 requiring assessment of the own adaptation not only 
a posteriori (i), but also in situ
3
 (ii). Both i (by I preservation which due to the information 
caducity requires both I maintaining and I replication) and ii (by R/w) allows the adaptation 
formalism [R,s] Q(I)/(p,P)→[Z,w]
4
 [4].
Results. If true, but not used (unnecessary) information degraded [4] and an increasing of ω 
requires stability of s at least during reproduction period, the increasing of ω under s=const 
(ω(s=const)>const) will lead to a priory incomplete preservation of I and selection in favor of 
a temperate noise, i.e. the I somehow associated with a relatively large number of Q regard-
less of ω (ω(s=const)≥const) and I’s verity. Hence, even I maintaining requires expansion, 
for which remains the only Gause’s mechanism easily blocked under ω(s)>const by density-
dependent regulation [2]. Adaptation in terms of ω and adaptation in terms of permanent 
expansion are complementary, but in situ assessment can be formalized as (time for R→Z 
transition)/(effective time which has an organism under the s). Both biotimes organism can 
estimated due to interference of resources and by-products. Autoreplicator has not the simple 
preemptive reflection because the selection in favor of accuracy and speed of I replication 
eliminates interference organizing replication by linearly (genomes) or conformational (pri-
ons) matrix types, by the way, decreasing possibility to use the R/w in situ assessment.
Acknowledgements: budget 0324-2015-0003; RSF 14-24-00123; RFBR 14-04-00485.
References:
1.  R. Fisher (1930), The Genetical Theory of Natural Selection. Oxford Univ. Press: 318.
2.  V.V. Suslov (2014), BGRS\SB-2014: 180-184.
3.  V.S. Fridman, G.S. Eremkin (2008), Urbanization of “Wild” Avian Species in Evolving Urban Land-
scapes. М. MSU: 139 (in Russ.) 
4.  V.I. Korogodin, V.L. Korogodina (2012), Phenomenon of Life. V.2. М. Nauka: 173-338.

306
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
TATA-BOX AND GENE EXPRESSION NORM OF REACTION
V.V. Suslov*, M.P. Ponomarenko, D.A. Rasskazov 
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: ТАТA-box, norm of reaction, gene expression
Motivation: In 2014, we demonstrated that the TATA-box is a molecular regulator of 
norm of reaction (NR). It contributes to the variability of the most common property 
of gene expression, its transcriptional level [1]. However, the contribution used only 
mechanism of the regulation based on the model of Blake et al. [3] where TBP/TATA 
affinity can influence variability of the gene transcriptional level through change of the 
ratio of initiation/preinitiation promoter stages. NR is not limited to the transcriptional 
level and can include many features (specificity by tissue, transcriptional factor (TF), 
etc.) and mechanisms of the own alteration. This study is conducted to find them.
Methods. TBP/TATA affinity (−ln[K
D
,
TATA
(S)]) of the naturally TATA-boxes with flanks 
and composite elements (CEs) where one of the flanks shared between the TATA-box 
and  another  binding  site  were  in silico  investigated  by  the Web-service  SNP_TATA_
Comparator (http://beehive.bionet.nsc.ru) which using the equilibrium equation for the 
four subsequent steps of TBP/TATA-box binding [2].
Results: 1) To start the HERV-H virus transcription its GC/GT-box must bind cellular 
transcription factor SP1. Its protected area overlaps half of the TATA-consensus. It was 
shown that mutations in free flank as one in protected area infringed (−ln[K
D
,
TATA
(S)]). If 
mutations in protected area violated SP1-binding, then they align the levels of Sp1 and 
Sp3 transcription. If mutations violate the (−ln[K
D
,
TATA
(S)]) only, they decreased both Sp1 
and Sp3 transcription levels but retained the difference between them. These data suggest 
that in the CE the TATA-box limits the overall level of transcription, within which realiz-
es TF-specific levels. 2) It was shown that in a similar CEs the (−ln[K
D
,
TATA
(S)]) can limit 
overall level of transcription within which another TFs realized different tissue-specific 
transcriptional patterns. 3) The complication of the previous case was found. That is two 
closely spaced or overlapping TATA-boxes. The competition between them affects the 
specific regulation of the gene expression. (Experiments where the (−ln[K
D
,
TATA
(S)]) can 
influence to the probability of polymerase usage (polII or polIII) described in literature). 
4) Model [3] is based on the additive multi-step process of the transcription activation. 
The (−ln[K
D
,
TATA
(S)]) can influence to the any step but the only step is the actual initia-
tion. Hence, preinitiation promoter stages can be replaced by the reinitiating stage or 
major/minor transcripts ratio. Both cases were found. Thus, TATA-box can affect to the 
transcriptional NR in various ways. This confirms earlier suggestion about TATA-box as 
an element, encoding gene NR. The question about the element in the literature was not 
compromised earlier.
Acknowledgements: budget 0324-2015-0003; RSF 14-24-00123; RFBR 14-04-00485.
References:
1.  P.M. Ponomarenko et al. (2014), Rus. Journ. of Gen.: Appl. Res., 18: 1219-1230.
2.  P.M. Ponomarenko et al. (2009), Mol. Biol. (Mosk), 43(3): 512-520.
3.  W.J. Blake et al. (2006), Mol. Cell., 24(6): 853–865.

307
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
VAVILOV’S HOMOLOGOUS SERIES AS EVOLUTIONARY 
FORCE 
V.V. Suslov*, M.P. Ponomarenko, D.A. Rasskazov 
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: Vavilov’s homologous series, evolution, adaptation, coadaptive substitutions
Motivation. TBP/TATA affinity (−ln[K
D
,
TATA
(S)]) of the naturally TATA-boxes with flanks and 
composite elements (CEs) where one of the flanks shared between the TATA-box and another 
binding site (BS) was in silico investigated by the Web-service SNP_TATA_Comparator
1
 (http://
beehive.bionet.nsc.ru).
Results. 1) For TATA-boxes of the polII-transcribed genes similar −ln[K
D
,
TATA
(S)] obtained with 
various combinations of substitutions in the TATA-consensus and flanks. 2) On the other hand, 
if the TATA-consensuses and their sequence analogs in TATA-less promoters have not changed, 
mutations  in  flanks  have  shifted  the  −ln[K
D
,
TATA
(S)]  of TATA-promoters  to  the  one  of TATA-
less  promoters  and  vice versa.  3)  For  CEs,  the  mutational  or  phylogenetical  changing  of  the 
−ln[K
D
,
TATA
(S)] significantly negative correlated with the changes in affinity of another BS to its 
transcriptional  factor  (TF).  4)  For  promoters  of  the  polIII-transcribed  genes TATA-consensus 
with flanks formed CEs with sites of TAFs
2
 but SNP_TATA_Comparator allows us to distinguish 
the contribution of −ln[K
D
,
TATA
(S)] to transcription, even in cases that are not distinguishable by 
the level of gene expression, but distinguishable in nucleotide context of TATA-boxes and flanks. 
That is, between the TATA consensus and flanks, as well as between the TATA-box and BS in 
CE there is a mutual compensation for the function. The same function
3
 can obtain by different 
combinations of substitutions, i.e. these combinations are Vavilov’s homologous series (HS). But 
classic – Vavilov or Sobolev’s – HS consist of several combinations of features where elimination 
some feature cannot break the combination’s function
4
 [2]. In our case, it is impossible. Func-
tional overlap is too great, and evolution of the combination is similar to the protein’s coadaptive 
substitutions, i.e. it can go in a stable but not favorable environment depending on the mutability 
and degree of functional overlap. HS may be the trend of autoadaptation. Generalization to other 
cases of HS with high functional overlapping
5
 gives the rule of divergence/convergence HS
6
.
Acknowledgements: budget 0324-2015-0003; RSF 14-24-00123; RFBR 14-04-00485.
References:
1.  P.M. Ponomarenko et al. (2009), Mol. Biol. (Mosk), 43(3): 512-520.
2.  N.I. Vavilov (1922), J. Genet., 12(1): 47-89
.
1
 Which using the equilibrium equation for the four subsequent steps of TBP/TATA-box binding [1].
2
 
TBP-associated factors.
3
 In our case it is −ln[K
D
,
TATA
(S)], or level, or tissue specificity of gene expression.
4
 As a rule, such features are in the right – the variable – part of the Vavilov’s radical. E.g. awnless, liguleless cereals [2].
5
 I.e. Gilyarov-Simpson cycle, Abel’s crossing of specializations, Krenke’s HS or interim case of the superblock formation, 
where a selection that favors the simultaneous gene network regulation by several TFs may lead to a TFs competition for 
gene network’s space by virtue of its BS formation. The fewer BSs, the higher the probability of TF’s elimination or its 
specialization in time, tissue etc.
6
 The more functional overlap of the features in combination, the higher the probability of HS divergence - the loss of 
ancestral similarity in a series of combinations (i). The more traits in combination, assuming its functional overlap, the 
higher the probability of functional suppression and HS divergence. The longer the HS diverge, the more likely the loss 
of any of the traits (ii). Ultimately, the depletion of HS may lead to its convergence or in case of loss of functional overlap 
– its stabilization to classic HS (iii).

308
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
IDENTIFICATION OF PATHWAYS ASSOCIATED  
WITH CELL DEATH IN THE CORTEX OF OXYS RATS  
AS THE SIGNS OF ALZHEIMER’S DISEASE DEVELOP
G.K. Suvorov*, D.V. Telegina, E.A. Rudnitskaya, N.A. Stefanova, N.G. Kolosova
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]