International conference on bioinformatics of genome regulation

Key words: frequency; triplet; order; cluster; elastic map
Motivation and Aim: Structures observed within a DNA sequence reveal an order and 
provide further understanding of functional roles of a sequence or its fragments. A new 
function (or a connection between function and structure) may manifest through new 
patterns found in symbol sequences corresponding to DNA molecule. Here we report the 
seven-cluster structure observed over a chloroplast genome of L. sibirica Ledeb. 
Methods and Algorithms: The chloroplast genome sequence Siberian larch (L. sibirica 
Ledeb.) has been sequenced using the Illumina HiSeq2000 sequencer at the Laboratory 
of Forest Genomics of the Siberian Federal University [1]. The length of the genome 
sequence is 122 561 bp. Genome contains 121 coding regions. GC content is 38.75%. 
Analysis of the L. Sibirica chloroplast genome takes several steps. Firstly, the genome 
sequence was mapped into a set of equal length overlapping fragments. Numbers of 
different  non-overlapping  triplets  in  each  fragment  were  counted. Then,  a  frequency 
dictionary, which contains the set of all the triplets counted within the fragments, was 
developed. The clusters in 63-dimensional space were identified with elastic map tech-
nique, where the objects to be clusterized are the fragments identified in the sequence. 
The 63-dimentional space is provided with frequencies of non-overlapping triplets found 
in the different fragments of the genome. The fragments comprising the clusters were 
checked against the annotation of the genome. Thus, clusters where coding fragments 
prevail and those where non-coding fragments prevail had been identified.
Results: Unlike the patterns described in [2], the structure observed here differs: the 
nodes comprising coding and non-coding regions are located in the basically different 
manner. Among the clusters three gene-coding, three non-coding clusters are found and 
one central cluster has both of coding and non-coding fragments in equal proportions. 
Also, for coding clusters their genes were identified.
Conclusion: Seven cluster structure in chloroplast genome for L. sibirica was found. Un-
like nuclear genome of bacteria, the chloroplast genome yields more complex structure. 
Further studies may bring new understanding of a fine structure details, or of relations 
between structure and function of chloroplast genome.
References:
1.  Krutovsky K. et al. (2014) Some preliminary results of a full genome de novo sequencing of Larix 
sibirica Ledeb. and Pinus sibirica Du Tour. Siberian Forest Journal. 1(4): 79 – 83. 
2.  Gorban A. N. et al. (2005) Four basic symmetry types in the universal 7-cluster structure of microbial 
genomic sequences. In Silico Biology 5: 25-37. 

48
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
THE OPPOSING EFFECTS OF SHORT- AND LONG-TERM 
SOCIAL STRESS ON PREFRONTAL CORTEX TRANSCRIP-
TOME
N.P. Bondar
1
*, L.O. Bryzgalov
1
, N.E. Ershov
1, 3
, F.E. Gusev
3, 5
, V.V. Reshetnikov
1
,  
D.F. Avgustinovich
2
, M.V. Tenditnik
4
, E.I. Rogaev
3, 5
, T.I. Merkulova
1
1
 Laboratory of Gene Expression Regulation, Institute Cytology and Genetics SB RAS, Russia 
2 
Laboratory of Molecular Mechanisms of Pathological Processes, Institute Cytology and Genetics SB 
RAS, Russia 
3 
The Center of Brain Neurobiology and Neurogenetics, Institute Cytology and Genetics SB RAS, Russia 
4 
Laboratory of Experimental Models of Emotional Pathologies, Institute of Physiology and Fundamental 
Medicine, SB RAMS, Russia
5 
University of Massachusetts Medical School, USA
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: social defeat stress, depression, RNA-seq, prefrontal cortex
Motivation and Aim: Chronic social defeat stress is a well-validated murine model of 
depression. However, little is known about the gene activity dynamics during the devel-
opment of a depression-like state.
Methods and Algorithms: We analyzed the effects of social defeat stress of varying dura-
tion (10 and 30 days) on the behavioral patterns and prefrontal-cortex transcriptome in 
C57BL/6 mice.
Results: Commonly used 10-day exposure to social defeat stress resulted in a high level 
of social avoidance with no sign of depression-associated behavior. Contrariwise, most 
animals exposed to 30-day stress demonstrated clear hallmarks of depression, includ-
ing higher level of social avoidance, increased immobility in the forced swim test, and 
anhedonic behavior. The monitoring of transcriptome changes revealed massive altera-
tions in gene expression on the 10
th
 day. Surprisingly, expression of a few genes was 
only affected on the 30
th
 day of stress, apparently, due to a reversal of the majority of 
the early stress-induced changes to the original basal state. Moreover, we have found 
that glucocorticoid-sensitive genes are clearly enriched targets on the 10
th
 day of stress, 
but these genes stop responding to the elevated corticosterone level after the 30
th
 day of 
stress. The majority of genes altered by 30-day stress were downregulated, with the most 
relevant ones participating in chromatin-modifications and neuroplasticity (e,g, guanine 
nucleotide exchange factors (GEFs) of Rho-family GTPases). 
Conclusion: Taken together, our data suggest that depression may be caused by weaken-
ing of the response to the stressful environmental factors in terms of both behavior and 
gene expression. Our results also support the hypothesis that major depressive disorder 
is associated with defective cell adhesion and impaired neuronal plasticity.
Acknowledgements: This work was supported by grant from the Government of the Rus-
sian Federation # 14.B25.31.0033 and a grant from the Russian Science Foundation # 
16-15-10131.

49
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
RNA-SEQ DATA ANALYSIS OF RATS WITH AGGRESSIVE 
BEHAVIOR IN THREE BRAIN AREAS
A.O. Bragin*, A.L. Markel, V.N. Babenko, I.V. Chadaeva, E.S. Tiys, Y.L. Orlov 
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: RNA-seq, aggressive behavior, differential gene expression, brain, laboratory animals, rat
Motivation and Aim: Manifestations of aggression and aggressive behavior in the hu-
man society are among the most urgent social problems. It is concluded from the studies 
conducted in recent decades that aggression should be considered as a special feature 
of behavior based also on the genetic and sociobiological history of the development of 
humans as a biologic species, of an individual, and of social group and environment [1]. 
With respect to the notion that aggression is a general biological phenomenon stemming 
from deep evolutionary roots, the investigation of aggressive behavior demands that not 
only the aggressive behavior of a human be analyzed but also the corresponding features 
of animal behavior.
Methods and Algorithms: For analyzing of genetics factors which determine aggression 
behavior two rat lines were selected over more than 30 years at the Institute of Cytology 
and Genetics. First rat line was selected for tame behavior towards human. Other rat 
line was selected for aggressiveness. In our work we have analyze three rat brain area: 
Hypothalamus; Ventral tegmental area and Midbrain raphe nuclei (aqueduct) [2]. Tissue 
samples were processed for RNA extraction. This was followed by RNA-sequencing 
and filtration of reads. After that we use TopHat for mapping reads on the reference rat 
genome. For assessment of gene expression level and finding differently expressed genes 
we used Cufflinks. 
Results: We found 95 differently expressed gene in hypothalamus, 189 in Ventral teg-
mental area and 136 in an aqueduct between aggressive and tame rats. We use DAVID 
gene ontology tools to find biological processes with overrepresented rat differentially 
expressed genes. Many of these processes are associated with neuronal activity and be-
havior. Using ANDvisio system the associative genes networks of the differentially ex-
pressed genes with molecular interaction were reconstructed.
Conclusion: The RNA-seq analysis of the three brain areas of rat confirmed association 
of some genes with rat aggression.
Acknowledgements: The work was supported by RSF grant 14-14-00269.
References:
1.  N.N. Kudryavtseva, A.L. Markel, Y.L. Orlov (2014) Aggressive behavior: genetic and physiological 
mechanisms, Vavilov journal of genetics and breeding, 18(4/3):1133–1155. (In Russian).
2.  V.N. Babenko et al. (2016) Analysis of transcriptome data on gene expression in brain areas of rats, se-
lected by aggressive behavior, In: Proceedings of «Neuroinformatics-2016», MEPhI, Moscow, P.2:82-
92. (In Russian).

50
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРОФЛЮИДИКИ DOLOMITE ДЛЯ 
СЕКВЕНИРОВАНИЯ ТРАНСКРИПТОМОВ ОТДЕЛЬНЫХ 
КЛЕТОК
D. Brittal 
ООО «Диаэм», Москва, Россия
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: sequencing technologies, transcriptome
Микрофлюидика Dolomite – технология, позволяющая работать с очень малыми объ-
емами  жидкостей,  газов,  с  кристаллическими  и  полимерными  частицами,  клетками 
животного, растительного и бактериального происхождения, пузырьками и каплями с 
возможностью наблюдать за ними, манипулировать ими и контролировать процессы, 
протекающие с ними.
Это дает возможность проводить «традиционные» исследования в миниатюрном форма-
те, а также проводить исследования, которые ранее были невозможны.
Особенности и возможности микрофлюидики Dolomite: работа с микрообъектами (кап-
ли, клетки, частицы, пузырьки); работа с микро- и нанообъемами (диаметр канала от 10 
нм); высокая воспроизводимость: точность дозирования – порядка пиколитра; точный 
контроль параметров процесса: температуры, скорости потоков, давления, смешивания; 
большая  библиотека  «стандартных»  чипов;  чипы  произвольной  конфигурации  и  гео-
метрии: многослойные и составные чипы с разными свойствами поверхности каналов, 
интеграция на одном чипе различных стадий процессов для ускорения и автоматиза-
ции методик исследований; интеграция с приборами, детекторами, системами пробо-
подготовки и сенсорами (хроматографами, масс-спектрометрами, лазерами, спектрофо-
тометрами, микроскопами и т.д.); автоматизация процессов: удобство, высокий выход, 
воспроизводимость, точность; объединение разных стадий методик в одном приборе; 
уменьшение  размеров  приборов;  появление  новых  методов  и  приборов.  Технология 
микрофлюидики Dolomite находит применения в таких областях как: химический син-
тез, аналитическая химия, физико-химические исследования; разработка лекарственных 
препаратов, определение эффективности и цитотоксичности; биология, диагностика и 
медицина; экология, производство, приборостроение. Биология, диагностика и медици-
на: качественный и количественный анализ фрагментов НК на чипе капиллярного элек-
трофореза; чипы для секвенирования НК; цифровая капельная ПЦР для количествен-
ной ПЦР-диагностики с высокой точностью; анализы крови (биохимические, ИФА, на 
глюкозу и т.д.); изоляция ДНК из цельной крови; наблюдение за иммобилизованными 
эмбрионами и клетками.
Система для инкапсуляции клеток или нуклеиновых кислот в капли μEncapsulator 1: 
Отличная  пробоподготовка  для  изучения  экспрессии  генов,  ПЦР,  сортировки  и  др.; 
инертные, биосовместимые материалы; возможность поддержания жизнеспособности 
клеток; пропускная способность: 300 000 клеток в 3 млн капель за 15 минут; инкапсу-
ляция 100 мкл образца и реагента, или двух последовательных образцов по 100 мкл.
Система  для  создания  библиотек  единичных  клеток  для  последующего  секвениро-
вания:  Транскриптомика  одиночных  клеток;  высокая  точность,  воспроизводимость, 
надежность, инертность материала чипа; скорость инкапсуляции, капель/с – 4 000 – 
выше, чем у чипов из PDMS
1
.
1 
Macosko et al. (Cell 161:1202)

51
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
DELINEATING SINGLE CELL LIFE/DEATH DECISIONS  
IN THE CD95/FAS NETWORK
J.H. Buchbinder
1,+
, D. Pischel
2,+
, K. Sundmacher
2
, R.J. Flassig
2
, I.N. Lavrik
1
* 
1
 Department of Translational Inflammation Research, Otto-von-Guericke University Magdeburg, 
Germany
2
 Max-Planck-Institute for Dynamics of Complex Technical Systems, Magdeburg, Germany
+
 equal contributors
* Corresponding author: [e-mail]
Key  words:  CD95/Fas/APO-1,  cell  death,  NF-κB,  single  cell  model,  life/death  decision,  imaging  flow  
cytometry
Motivation and Aim: Death receptor (DR) stimulation induces apoptosis and strong anti-
apoptotic responses at the same time. To solve this contradiction and understand how the 
decision between life and death is taken at the single cell level, we analyzed the dynam-
ics of NF-κB activation and apoptosis responses in the same cells, which was exempli-
fied for the CD95/Fas/APO-1 signaling pathway.
Methods and Algorithms: We have developed an imaging flow cytometry based method 
that enables quantitative detection of different CD95 signaling outcomes. We are able to 
monitor NF-κB translocation into the nucleus and activation of the apoptotic caspase-3 
in single cells (Schmidt et al., 2015). With the quantitative data from a large number 
of cells we have developed a mathematical model describing the CD95 network at the 
single cell level. 
Results: Our data indicate that CD95 stimulation leads to NF-κB activation and apopto-
sis in the same cells. Analyzing of the computational model shows that the strength of 
CD95-mediated NF-κB activation is invariant with respect to CD95 stimulation strength 
within various cells and stimulation strength. However, the ability to undergo apoptotic 
cell death is strongly dependent on CD95 stimulation strength. We identified the ratio 
between the time of survival signaling (TOS) and the time of cell death decision (TOD) 
as an indicator for the signaling outcome.
Conclusion: Taken together, we uncovered the regulation of these two opposing path-
ways in the single cell and, furthermore, our findings indicate a relatively simple strategy 
how a cell might avoid apoptosis and become resistant towards cell death.
Acknowledgements: The work is supported by Russian Science Foundation 14-44-00011.
References:
1.  J.H. Schmidt et al. (2015) Quantification of CD95-induced apoptosis and NF-κB activation at the single 
cell level, J Immunol Methods, 423: 12-7.

52
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
MODELING OF TWO PHASES IN DROSOPHILA SENSORY 
ORGAN PRECURSOR CELL DETERMINATION
T.A. Bukharina
1
, D.P. Furman
1, 2
*, V.P. Golubyatnikov
2, 3
, M.V. Kazantsev
4
1
 Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
2 
Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia
3 
Sobolev Institute of Mathematics SB RAS, Novosibirsk, Russia
4 
Polzunov Altai State Technical University, Barnaul, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key  words:  D. melanogaster,  bristle pattern,  sensory organ precursor cell formation (SOPC),  Central 
Regulatory Circuit (CRC), mathematical model
Motivation and Aim: The bristle pattern of D. melanogaster is one of the attractive mod-
el objects for studying development of ordered spatial structures in multicellular organ-
isms. The bristle positions are strictly determined by the positions of SOPC. The goal of 
this work is construction of an extended mathematical model of SOPC formation under 
the control of CRC. 
Methods and Algorithms: The description of CRC and approach to modeling of its func-
tioning are presented in [1].
Results: SOPC specialization in D. melanogaster is determined by CRC functioning and 
takes 14-16 hours [2]. The dynamics of proteins content during this time interval has 
two appreciable periods. The first one (I, 0-10 hours) is characterized by predominance 
of interactions which amplify expression of the AS-C genes. During the second one (II, 
10-16 hours) CRC functioning is directed to eliminate the AS-C proteins from the cell 
through activation of the adaptor protein Phyl followed by inhibition of the AS-C genes. 
Conclusion: Numerical experiments generate a hypothesis that there is a mechanism 
which blocks appearance of Phyl during the first period. 
Acknowledgements: Budget project 0324-2015-0003 and RFBR, grant 15-01-00745.
References:
1.  V.P. Golubyatnikov et al. (2015) A model study of the morphogenesis of D. melanogaster mechanore-
ceptors: the central regulatory circuit, JBСB, 13(1): 1540006.
2.  P.J. Chang et al. (2008) Negative-feedback regulation of proneural proteins controls the timing of neu-
ral precursor division, Development, 135(18): 3021-3030.

53
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
NUMERICAL MODEL OF DROSOPHILA SENSORY  
ORGAN PRECURSOR CELL DETERMINATION 
T.A. Bukharina
1
, D.P. Furman
1, 2
, V.P. Golubyatnikov
2, 3
*, M.V. Kazantsev
4
1
 Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia
2 
Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia
3 
Sobolev Institute of Mathematics SB RAS, Novosibirsk, Russia
4 
Polzunov Altai State Technical University, Barnaul, Russia
* Corresponding author: [e-mail]
Key words: Sensory Organ Precursor Cell (SOPC), Central Regulatory Circuit (CRC), dynamical system, 
stability 
Motivation and Aim: SOPC determination is the main event in development of D. me-
lanogaster bristles. We describe one mathematical model of SOPC formation under the 
control of CRC in order to perform numerical simulations of this process.
Methods and Algorithms: Modeling of CRC functioning and analysis of the numerical 
results follows mathematical constructions presented in [1].
Results: We study phase portrait of 6-dimensional nonlinear dynamical system which 
simulates two stages formation of SOPC. This process takes up to 16 hours [2]. In our 
mathematical model this interval was split into two periods with different dynamics. The 
first period takes 10 hours, and it is characterized by absence of the Phyllopod protein 
in the CRC dynamics. Here, the AS-C proteins concentration grows with decreasing 
speed due to feedbacks structure in the system. By the end of the first period, the system 
approaches to its equilibrium state with maximal AS-C concentration. Appearance of 
Phyllopod in CRC during the second period (10-16 hours) induces decreasing of AS-C 
amount to almost zero values by the end of this period. 
Conclusion: The two-phases model is the fullest description of SOPC determination. 
Results of our numerical experiments correspond to available biological data, see [2].
Acknowledgements: Budget project 0324-2015-0003 and RFBR, grant 15-01-00745.
References:
1.  V.P. Golubyatnikov et al. (2015) A model study of the morphogenesis of D. melano-gaster mechano-
receptors: the central regulatory circuit, JBСB, 13(1): 1540006.
2.  P.J. Chang et al. (2008) Negative-feedback regulation of proneural proteins controls the timing of neu-
ral precursor division, Development, 135(18): 3021-3030.

54
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
EVOLUTION FEATURES OF THE THREE CODON POSI-
TIONS IN GENE OF ENVELOP PROTEIN E FOR DIFFER-
ENT GENOTYPES OF THE TICK-BORNE ENCEPHALITIS 
VIRUS
Yu.S. Bukin
1, 2
*, Yu.P. Dzhioev
3, 4
, I.V. Kozlova
4
, S.E. Tkachev
5
, D.O. Kiselev
3
, 
A.I. Paramonov
3
, O.N. Reva
3
, V.I. Zlobin
3
1
 Limnological Institute SB RAS, Irkutsk, Russia
2
 Irkutsk State Technical University, Irkutsk, Russia
3
 Irkutsk State Medical University, Irkutsk, Russia
4
 Scientific Center of Family Health Problems and Human Reproduction SB RAS, Irkutsk, Russia
5
 Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine SB RAS, Novosibirsk, Russia
Key words: tick-borne encephalitis virus, gene of envelope protein E, molecular phylogenetic analysis, 
saturation substitutions, codon position, population genetic
Motivation and Aim: Tick-borne encephalitis virus (TBEV) is one of the most dangerous 
infections p distributed over a wide area of the Eurasian continent [1]. Provided four 
TBE  virus  genotype  -  Far  East,  Siberian, Western  (European)  and  dedicated  enough 
recently in eastern Siberia 886-th genotype. The most popular marker for phylogenetic 
studies TBEV is gen E of envelope protein. In phylogenetic studies based on envelope 
protein E doesn’t estimated contribution to the effect of saturation substitutions. Satura-
tion effect is possible distortion of phylogenetic analysis. The aim of the study was to 
determine the effect on the results of molecular phylogenetic analysis of the saturation 
substitutions in different codon position in gen E of envelope protein.
Methods and Algorithms: Selection of the most appropriate model for the evolution of 
the nucleotide sequences of the gene E of TBE and calculation parameters was carried 
out with the help of «jModelTest v. 2.1.7». Test saturation substitutions of various codon 
position was performed in the program «DAMBE». In the population-genetic level, the 
sample of sequences for gene E was investigated by using of the program «DnaSP v 5». 
For reconstruction of the evolutionary history of genotypes of TBEV was used of a pact 
«ape» for the R programming language and the program «MrBayes v 3.2.0».
Results: When phylogenetic analysis TBEV virus genotypes at the third codon posi-
tion of gen E saturation effect is observed, which leads to distortion at a phylogenetic 
evaluation of events in the sequence and dating of branch nodes. Using only the first and 
second codon positions gene E of TBEV not reliably split virus closely related genotypes 
and genotypes of the strains within the insufficient number of polymorphic sites. Genetic 
diversity  within  a  virus  genotypes  formed  by  different  population  processes,  genetic 
diversity of the Far Eastern and Siberian genotypes formed through the neutral genetic 
drift, western genotype exposed to dynamic selection, reduce the variety of coat protein 
gene nucleotide sequences of E.
References:
1  J. L.Goodman, D. T.Dennis, D. E. Sonenshine. (2005). Tick-borne diseases of humans. American So-
ciety of Microbiology.

55
THE TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOINFORMATICS OF GENOME REGULATION AND STRUCTURE\SYSTEMS BIOLOGY
STOCHASTIC MODEL OF SPECIATION, WHICH DE-
SCRIBES THE EVOLUTIONARY BRANCHING PROCESS 
WITHIN THE SPECIES FLOCK IN A CLOSED ECOSYSTEM
Yu.S. Bukin
1, 2
, D.Yu. Sherbakov
1, 3
1
 Limnological Institute SB RAS, Irkutsk, Russia
2
 Irkutsk State Technical University, Irkutsk, Russia
3
 Irkutsk State University, Irkutsk, Russia