intechnguВестник НГУ. Серия: Информационные технологииVestnik NSU. Series: Information Technologies1818-79002410-0420НГУ10.25205/1818-7900-2018-16-3-7-21intechngu-42Research ArticleБИОИНФОРМАТИКАКОМПЬЮТЕРНАЯ БАЗА ДАННЫХ ДЛЯ АНАЛИЗА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО ЭКСПРЕССИРУЮЩИХСЯ ГЕНОВ, СВЯЗАННЫХ С АГРЕССИВНЫМ ПОВЕДЕНИЕМ, НА МОДЕЛЯХ ЛАБОРАТОРНЫХ ЖИВОТНЫХTHE COMPUTER DATABASE FOR THE ANALYSIS OF DIFFERENTIALLY EXPRESSING GENES, RELATED TO AGGRESSIVE BEHAVIOR ON MODELS OF LABORATORY ANIMALSБрагинА. О.BraginA. O.ibragim@bionet.nsc.ruТабанюховК. А.TabanyukhovK. A.noemail@neicon.ruЧадаеваИ. В.ChadaevaI. V.ichadaeva@bionet.nsc.ruЦукановА. В.TsukanovA. V.ya.cukanton@yandex.ruБабенкоР. О.BabenkoR. O.noemail@neicon.ruМедведеваИ. В.MedvedevaI. V.noemail@neicon.ruБогомоловА. Г.BogomolovA. G.noemail@neicon.ruБабенкоВ. Н.BabenkoV. N.noemail@neicon.ruОрловЮ. Л.OrlovYu. L.noemail@neicon.ruИнститут цитологии и генетики СО РАНРоссияInstitute of Cytology and Genetics SB RASRussian FederationИнститут цитологии и генетики СО РАН; Новосибирский государственный аграрный университетРоссияInstitute of Cytology and Genetics SB RAS; Novosibirsk State Agrarian UniversityRussian FederationИнститут цитологии и генетики СО РАН; Новосибирский государственный университетРоссияInstitute of Cytology and Genetics SB RAS; Novosibirsk State UniversityRussian FederationНовосибирский государственный университетРоссияNovosibirsk State UniversityRussian Federation201830102020163721Copyright © Брагин А.О., Табанюхов К.А., Чадаева И.В., Цуканов А.В., Бабенко Р.О., Медведева И.В., Богомолов А.Г., Бабенко В.Н., Орлов Ю.Л., 20202020Брагин А.О., Табанюхов К.А., Чадаева И.В., Цуканов А.В., Бабенко Р.О., Медведева И.В., Богомолов А.Г., Бабенко В.Н., Орлов Ю.Л.Bragin A.O., Tabanyukhov K.A., Chadaeva I.V., Tsukanov A.V., Babenko R.O., Medvedeva I.V., Bogomolov A.G., Babenko V.N., Orlov Y.L.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://intechngu.elpub.ru/jour/article/view/42

Разработка и применение компьютерных средств анализа транскриптомных данных в модельных организмах животных представляет актуальную задачу биоинформатики. Задача исследования экспрессии генов современными методами высокопроизводительного секвенирования в отделах мозга лабораторных животных является исключительно важной для изучения генетических основ поведения в целом. Изучение генетических детерминант агрессивного поведения не только сохраняет актуальность для исследования молекулярных механизмов регуляции поведения, но и имеет широкую практическую составляющую при работе с животными, для решения задач агробиологии. Наследственная предрасположенность животных к агрессивному поведению приводит к появлению различий в строении головного мозга, и сравнение таких различий позволит найти как общие, так и специфичные механизмы регуляции поведения, способствующие проявлению агрессии в провоцирующих условиях среды. Представлены компьютерные программы анализа сплайсинга и прототип базы данных экспрессии генов в отделах мозга лабораторных животных - серых крыс, селектированных по проявлению агрессивного поведения. Выполнена функциональная аннотация генов с повышенной и пониженной экспрессией в экспериментах на крысах, рассмотрены варианты изоформ и альтернативного сплайсинга этих генов.

Development and application of computer means of the analysis of transcriptome sequencing data in model laboratory animals represents an important problem of bioinformatics. The research problem of an expression of genes on the basis of the modern methods of high-throughput sequencing in brain areas of laboratory animals is common basis for a research of genetic background of behavior. Studying of genetic determinants of aggressive behavior in general not only actual for research of molecular mechanisms of behavior regulation, but also has wide practical component for the work with animals and application in agrobiology. The genetic predisposition of animals to aggressive behavior leads to emergence of differences in a brain structure, and comparison of such distinctions allow to find both the common, and specific mechanisms of behavior regulation promoting aggression manifestation in provocative conditions of the environment. Computer programs of the gene splicing analysis, and prototype of the database of an expression of genes in brain areas of laboratory animals - gray rats, selected on manifestation of aggressive behavior are developed. We fulfilled the functional summary of over- and under-expressed genes in experiments on rats, described isoforms and the alternate splicing patterns of these genes.

биоинформатикатранскриптомикасплайсингдифференциальная экспрессиялабораторные животныегенные онтологииповедениебаза данныхbioinformaticstranscriptomicssplicingdifferential expressionlaboratory animalsgene ontologiesbehaviordatabaseReferencesКудрявцева Н. Н., Маркель А. Л., Орлов Ю. Л. Агрессивное поведение: генетико-физиологические механизмы // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2014. Т. 18 (4/3). С. 1133-1155.Кудрявцева Н. Н., Маркель А. Л., Орлов Ю. Л. Агрессивное поведение: генетико-физиологические механизмы // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2014. Т. 18 (4/3). С. 1133-1155.Orlov Yu. L., Baranova A. V., Markel A. L. Computational models in genetics at BGRSSB2016: introductory note // BMC Genet. 2016. Vol. 17 (Suppl 3). P. 155. DOI: 10.1186/s12863-0160465-3.Orlov Yu. L., Baranova A. V., Markel A. L. Computational models in genetics at BGRSSB2016: introductory note // BMC Genet. 2016. Vol. 17 (Suppl 3). P. 155. DOI: 10.1186/s12863-0160465-3.Kulikov A. V., Bazhenova E. Y., Kulikova E. A., Fursenko D. V., Trapezova L. I., Terenina E. E., Mormede P., Popova N. K., Trapezov O. V. Interplay between aggression, brain monoamines and fur color mutation in the American mink // Genes Brain Behav. 2016. Vol. 15 (8). P. 733-740. DOI: 10.1111/gbb.12313.Kulikov A. V., Bazhenova E. Y., Kulikova E. A., Fursenko D. V., Trapezova L. I., Terenina E. E., Mormede P., Popova N. K., Trapezov O. V. Interplay between aggression, brain monoamines and fur color mutation in the American mink // Genes Brain Behav. 2016. Vol. 15 (8). P. 733-740. DOI: 10.1111/gbb.12313.Бабенко В. Н., Брагин А. О., Чадаева И. В., Маркель А. Л., Орлов Ю. Л. Альтернативный сплайсинг в отделах головного мозга селектированных по агрессивности крыс // Молекулярная биология. 2017. Т. 51, № 5. С. 870-880. DOI: 10.7868/S0026898417050159.Бабенко В. Н., Брагин А. О., Чадаева И. В., Маркель А. Л., Орлов Ю. Л. Альтернативный сплайсинг в отделах головного мозга селектированных по агрессивности крыс // Молекулярная биология. 2017. Т. 51, № 5. С. 870-880. DOI: 10.7868/S0026898417050159.Брагин А. О., Сайк О. В., Чадаева И. В., Деменков П. С., Маркель А. Л., Орлов Ю. Л., Рогаев Е. И., Лаврик И. Н., Иванисенко В. А. Роль генов апоптоза в контроле агрессивного поведения, выявленная с помощью комбинированного анализа ассоциативных генных сетей, экспрессионных и геномных данных по серым крысам с агрессивным поведением // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2017. Т. 21 (8). С. 911-919.Брагин А. О., Сайк О. В., Чадаева И. В., Деменков П. С., Маркель А. Л., Орлов Ю. Л., Рогаев Е. И., Лаврик И. Н., Иванисенко В. А. Роль генов апоптоза в контроле агрессивного поведения, выявленная с помощью комбинированного анализа ассоциативных генных сетей, экспрессионных и геномных данных по серым крысам с агрессивным поведением // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2017. Т. 21 (8). С. 911-919.Bolger A. M., Lohse M., Usadel B. Trimmomatic: a flexible trimmer for Illumina sequence data // Bioinformatics. 2014. Vol. 30 (15). P. 2114-2120. DOI: 10.1093/bioinformatics/btu170.Bolger A. M., Lohse M., Usadel B. Trimmomatic: a flexible trimmer for Illumina sequence data // Bioinformatics. 2014. Vol. 30 (15). P. 2114-2120. DOI: 10.1093/bioinformatics/btu170.Kim D., Pertea G., Trapnell C., Pimentel H., Kelley R., Salzberg S. L. TopHat2: accurate alignment of transcriptomes in the presence of insertions, deletions and gene fusions // Genome biology. 2013. Vol. 14 (4). P. R36. DOI: 10.1186/gb-2013-14-4-r36.Kim D., Pertea G., Trapnell C., Pimentel H., Kelley R., Salzberg S. L. TopHat2: accurate alignment of transcriptomes in the presence of insertions, deletions and gene fusions // Genome biology. 2013. Vol. 14 (4). P. R36. DOI: 10.1186/gb-2013-14-4-r36.Trapnell C., Roberts A., Goff L., Pertea G., Kim D., Kelley D. R., Pimentel H., Salzberg S. L., Rinn J. L., Pachter L. Differential gene and transcript expression analysis of RNA-seq experiments with TopHat and Cufflinks // Nat. Protoc. 2012. Vol. 7. No. 3. P. 562-578.Trapnell C., Roberts A., Goff L., Pertea G., Kim D., Kelley D. R., Pimentel H., Salzberg S. L., Rinn J. L., Pachter L. Differential gene and transcript expression analysis of RNA-seq experiments with TopHat and Cufflinks // Nat. Protoc. 2012. Vol. 7. No. 3. P. 562-578.Kanehisa M., Goto S. KEGG: Kyoto encyclopedia of genes and genomes // Nucleic acids research. 2000. Vol. 28 (1). P. 27-30.Kanehisa M., Goto S. KEGG: Kyoto encyclopedia of genes and genomes // Nucleic acids research. 2000. Vol. 28 (1). P. 27-30.Pruitt K. D., Tatusova T., Maglott D. R. NCBI reference sequences (RefSeq): a curated non-redundant sequence database of genomes, transcripts and proteins // Nucleic acids research. 2006. Vol. 35 (suppl. 1). P. D61-65.Pruitt K. D., Tatusova T., Maglott D. R. NCBI reference sequences (RefSeq): a curated non-redundant sequence database of genomes, transcripts and proteins // Nucleic acids research. 2006. Vol. 35 (suppl. 1). P. D61-65.Li H., Handsaker B., Wysoker A., Fennell T., Ruan J., Homer N., Marth G., Abecasis G., Durbin R. 1000 Genome Project Data Processing Subgroup. The Sequence Alignment / Map format and SAMtools // Bioinformatics. 2009. Vol. 25. No. 16. P. 2078-2079.Li H., Handsaker B., Wysoker A., Fennell T., Ruan J., Homer N., Marth G., Abecasis G., Durbin R. 1000 Genome Project Data Processing Subgroup. The Sequence Alignment / Map format and SAMtools // Bioinformatics. 2009. Vol. 25. No. 16. P. 2078-2079.Shen S., Park J. W., Lu Z. X., Lin L., Henry M. D., Wu Y. N., Zhou Q., Xing Y. rMATS: Robust and flexible detection of differential alternative splicing from replicate RNA-Seq data // Proc. Natl. Acad. Sci. 2014. Vol. 111. No. 51. P. E5593-E5601.Shen S., Park J. W., Lu Z. X., Lin L., Henry M. D., Wu Y. N., Zhou Q., Xing Y. rMATS: Robust and flexible detection of differential alternative splicing from replicate RNA-Seq data // Proc. Natl. Acad. Sci. 2014. Vol. 111. No. 51. P. E5593-E5601.Wenthold R., Prybylowski K., Standley S., Sans N., Petralia R. Trafficking of NMDA receptors // Annual Review for Pharmacological Toxicology. 2003. Vol. 43. P 335-358.Wenthold R., Prybylowski K., Standley S., Sans N., Petralia R. Trafficking of NMDA receptors // Annual Review for Pharmacological Toxicology. 2003. Vol. 43. P 335-358.Liu X.-B., Murray K., Jones E. Switching of NMDA Receptor 2A and 2B Subunits at Thalamic and Cortical Synapses during Early Postnatal Development // The Journal of Neuroscience. 2004. Vol. 24 (40). P. 8885-8895.Liu X.-B., Murray K., Jones E. Switching of NMDA Receptor 2A and 2B Subunits at Thalamic and Cortical Synapses during Early Postnatal Development // The Journal of Neuroscience. 2004. Vol. 24 (40). P. 8885-8895.Furukawa H., Singh S. K., Mancusso R., Gouaux E. Subunit arrangement and function in NMDA receptors // Nature. 2005. Vol. 438 (7065). P. 185-192.Furukawa H., Singh S. K., Mancusso R., Gouaux E. Subunit arrangement and function in NMDA receptors // Nature. 2005. Vol. 438 (7065). P. 185-192.Ivanisenko V. A., Saik O. V., Ivanisenko N. V., Tiys E. S., Ivanisenko T. V., Demenkov P. S., Kolchanov N. A. ANDSystem: an Associative Network Discovery System for automated literature mining in the field of biology // BMC Syst. Biol. 2015. Suppl. 2. P. S2. DOI 10.1186/1752-0509-9S2-S2.Ivanisenko V. A., Saik O. V., Ivanisenko N. V., Tiys E. S., Ivanisenko T. V., Demenkov P. S., Kolchanov N. A. ANDSystem: an Associative Network Discovery System for automated literature mining in the field of biology // BMC Syst. Biol. 2015. Suppl. 2. P. S2. DOI 10.1186/1752-0509-9S2-S2.Брагин А. О., Чадаева И. В., Бабенко В. Н., Богомолов А. Г., Кожемякина Р. В., Маркель А. Л., Орлов Ю. Л. Дифференциальный альтернативный сплайсинг генов крыс, селектированных по агрессивному поведению (ГК-АСАП) / Differential alternative splicing of rat genes selected for aggressive behavior (RG-ASAB). Заявка на гос. регистрацию базы данных, июнь 2018 г., ИЦиГ СО РАН.Брагин А. О., Чадаева И. В., Бабенко В. Н., Богомолов А. Г., Кожемякина Р. В., Маркель А. Л., Орлов Ю. Л. Дифференциальный альтернативный сплайсинг генов крыс, селектированных по агрессивному поведению (ГК-АСАП) / Differential alternative splicing of rat genes selected for aggressive behavior (RG-ASAB). Заявка на гос. регистрацию базы данных, июнь 2018 г., ИЦиГ СО РАН.Медведева И. В., Брагин А. О., Чадаева И. В., Маркель А. Л., Орлов Ю. Л. База данных генов, ассоциированных с агрессивным поведением (Маджин) / Database of genes associated with aggressive behavior (Maggene). Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2016621672 от 16.12.2016.Медведева И. В., Брагин А. О., Чадаева И. В., Маркель А. Л., Орлов Ю. Л. База данных генов, ассоциированных с агрессивным поведением (Маджин) / Database of genes associated with aggressive behavior (Maggene). Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2016621672 от 16.12.2016.Коваленко И. Л., Смагин Д. А., Галямина А. Г., Орлов Ю. Л., Кудрявцева Н. Н. Изменение экспрессии дофаминергических генов в структурах мозга самцов мышей под влиянием хронического социального стресса: данные RNA-seq // Молекулярная биология. 2016. Т. 50, № 1. С. 184-187.Коваленко И. Л., Смагин Д. А., Галямина А. Г., Орлов Ю. Л., Кудрявцева Н. Н. Изменение экспрессии дофаминергических генов в структурах мозга самцов мышей под влиянием хронического социального стресса: данные RNA-seq // Молекулярная биология. 2016. Т. 50, № 1. С. 184-187.Smagin D. A., Kovalenko I. L., Galyamina A. G., Bragin A. O., Orlov Y. L., Kudryavtseva N. N. Dysfunction in ribosomal gene expression in the hypothalamus and hippocampus following chronic social defeat stress in male mice as revealed by RNA-Seq // Neural Plasticity. 2016. Vol. 2016. Article ID 3289187, 6 p. DOI:10.1155/2016/3289187.Smagin D. A., Kovalenko I. L., Galyamina A. G., Bragin A. O., Orlov Y. L., Kudryavtseva N. N. Dysfunction in ribosomal gene expression in the hypothalamus and hippocampus following chronic social defeat stress in male mice as revealed by RNA-Seq // Neural Plasticity. 2016. Vol. 2016. Article ID 3289187, 6 p. DOI:10.1155/2016/3289187.Спицина А. М., Орлов Ю. Л., Подколодная Н. Н., Свичкарев А. В., Дергилев А. И., Чен М., Кучин Н. В., Черных И. Г., Глинский Б. М. Суперкомпьютерный анализ геномных и транскриптомных данных, полученных с помощью технологий высокопроизводительного секвенирования ДНК // Программные системы: теория и приложения. 2016. Т. 4 (31). С. 3-20.Спицина А. М., Орлов Ю. Л., Подколодная Н. Н., Свичкарев А. В., Дергилев А. И., Чен М., Кучин Н. В., Черных И. Г., Глинский Б. М. Суперкомпьютерный анализ геномных и транскриптомных данных, полученных с помощью технологий высокопроизводительного секвенирования ДНК // Программные системы: теория и приложения. 2016. Т. 4 (31). С. 3-20.Fedoseeva L. A., Klimov L. O., Ershov N. I., Alexandrovich Y. V., Efimov V. M., Markel A. L., Redina O. E. Molecular determinants of the adrenal gland functioning related to stress-sensitive hypertension in ISIAH rats // BMC Genomics. 2016. Vol. 17 (Suppl 14). P. 989.Fedoseeva L. A., Klimov L. O., Ershov N. I., Alexandrovich Y. V., Efimov V. M., Markel A. L., Redina O. E. Molecular determinants of the adrenal gland functioning related to stress-sensitive hypertension in ISIAH rats // BMC Genomics. 2016. Vol. 17 (Suppl 14). P. 989.Орлов Ю. Л., Брагин А. О., Медведева И. В., Гунбин И. В., Деменков П. С., Вишневский О. В., Левицкий В. Г., Ощепков В. Г., Подколодный Н. Л., Афонников Д. А., Гроссе И., Колчанов Н. А. ICGenomics: программный комплекс анализа символьных последовательностей геномики // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2012. Т. 16 (4/1). С. 732-741.Орлов Ю. Л., Брагин А. О., Медведева И. В., Гунбин И. В., Деменков П. С., Вишневский О. В., Левицкий В. Г., Ощепков В. Г., Подколодный Н. Л., Афонников Д. А., Гроссе И., Колчанов Н. А. ICGenomics: программный комплекс анализа символьных последовательностей геномики // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2012. Т. 16 (4/1). С. 732-741.Кожевникова О. С., Мартыщенко М. К., Генаев М. К., Корболина М. К., Муралева Н. А., Колосова Н. А., Орлов Ю. Л. RatDNA: база данных микрочиповых исследований на крысах для генов, ассоциированных с заболеваниями старения // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2012. Т. 16 (4/1). С. 756-765.Кожевникова О. С., Мартыщенко М. К., Генаев М. К., Корболина М. К., Муралева Н. А., Колосова Н. А., Орлов Ю. Л. RatDNA: база данных микрочиповых исследований на крысах для генов, ассоциированных с заболеваниями старения // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2012. Т. 16 (4/1). С. 756-765.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.