]> git.donarmstrong.com Git - biopieces.git/blob - code_ruby/lib/maasha/align/pair.rb
pair.rb now working correctly
[biopieces.git] / code_ruby / lib / maasha / align / pair.rb
1 # Copyright (C) 2007-2012 Martin A. Hansen.
2
3 # This program is free software; you can redistribute it and/or
4 # modify it under the terms of the GNU General Public License
5 # as published by the Free Software Foundation; either version 2
6 # of the License, or (at your option) any later version.
7
8 # This program is distributed in the hope that it will be useful,
9 # but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
10 # MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
11 # GNU General Public License for more details.
12
13 # You should have received a copy of the GNU General Public License
14 # along with this program; if not, write to the Free Software
15 # Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301, USA.
16
17 # http://www.gnu.org/copyleft/gpl.html
18
19 # >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>><<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
20
21 # This software is part of the Biopieces framework (www.biopieces.org).
22
23 # >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>><<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
24
25 require 'maasha/align/match'
26 require 'maasha/math_aux'
27
28 FACTOR_SCORE_LENGTH =  1.0
29 FACTOR_SCORE_DIAG   = -1.41
30
31 # Module with stuff to create a pairwise aligment.
32 module PairAlign
33   # Class for creating a pairwise alignment.
34   class AlignPair
35     # Class method to create a pairwise alignment of two given Seq objects.
36     def self.align(q_entry, s_entry)
37       self.new(q_entry, s_entry)
38     end
39
40     # Method to inialize a pairwise alignment given two Seq objects.
41     def initialize(q_entry, s_entry)
42       @q_entry = q_entry
43       @s_entry = s_entry
44       @matches = []
45
46       @q_entry.seq.downcase!
47       @s_entry.seq.downcase!
48
49       space = Space.new(0, 0, @q_entry.length - 1, @s_entry.length - 1)
50       kmer  = 32
51
52       align_recurse(@q_entry.seq, @s_entry.seq, space, kmer)
53       matches_upcase
54       gaps_insert
55     end
56
57     private
58
59     # Method that creates an alignment by chaining matches, which are
60     # subsequences shared between two sequences. This recursive method
61     # functions by considering only matches within a given search space. If no
62     # matches are given these will be located and matches will be included
63     # depending on a calculated score. New search spaces spanning the spaces
64     # between the best scoring matches and the search space boundaries will be
65     # cast and recursed into.
66     def align_recurse(q_seq, s_seq, space, kmer, matches = [])
67       matches = matches_select_by_space(matches, space)
68       matches = matches_select_by_score(matches, space)
69
70       while (matches.size == 0 and kmer > 0)
71         matches = Matches.find(q_seq, s_seq, space.q_min, space.s_min, space.q_max, space.s_max, kmer)
72
73         if @matches.empty?
74           matches.sort_by! { |m| m.length }
75         else
76           matches = matches_select_by_score(matches, space)
77         end
78
79         kmer /= 2
80       end
81
82       if best_match = matches.pop
83         @matches << best_match
84
85         space_left  = Space.new(space.q_min, space.s_min, best_match.q_beg - 1, best_match.s_beg - 1)
86         space_right = Space.new(best_match.q_end + 1, best_match.s_end + 1, space.q_max, space.s_max)
87
88         align_recurse(q_seq, s_seq, space_left, kmer, matches)  unless space_left.empty?
89         align_recurse(q_seq, s_seq, space_right, kmer, matches) unless space_right.empty?
90       end
91     end
92
93     # Method to select matches that lies within the search space.
94     def matches_select_by_space(matches, space)
95       new_matches = matches.select do |match|
96         match.q_beg >= space.q_min and
97         match.s_beg >= space.s_min and
98         match.q_end <= space.q_max and
99         match.s_end <= space.s_max
100       end
101
102       new_matches
103     end
104
105     # Method to select matches based on score.
106     def matches_select_by_score(matches, space)
107       matches_score(matches, space)
108
109       matches.select { |match| match.score > 0 }
110     end
111
112     def matches_score(matches, space)
113       matches.each do |match|
114         score_length = match_score_length(match)
115         score_diag   = match_score_diag(match, space)
116
117         match.score = score_length + score_diag
118       end
119
120       matches.sort_by! { |match| match.score }
121     end
122
123     def match_score_length(match)
124       match.length * FACTOR_SCORE_LENGTH
125     end
126
127     def match_score_diag(match, space)
128       if space.q_dim > space.s_dim   # s_dim is the narrow end
129         dist_beg = Math.dist_point2line(match.q_beg,
130                                         match.s_beg,
131                                         space.q_min,
132                                         space.s_min,
133                                         space.q_min + space.s_dim,
134                                         space.s_min + space.s_dim)
135
136         dist_end = Math.dist_point2line( match.q_beg,
137                                          match.s_beg,
138                                          space.q_max - space.s_dim,
139                                          space.s_max - space.s_dim,
140                                          space.q_max,
141                                          space.s_max)
142       else
143         dist_beg = Math.dist_point2line( match.q_beg,
144                                          match.s_beg,
145                                          space.q_min,
146                                          space.s_min,
147                                          space.q_min + space.q_dim,
148                                          space.s_min + space.q_dim)
149
150         dist_end = Math.dist_point2line( match.q_beg,
151                                          match.s_beg,
152                                          space.q_max - space.q_dim,
153                                          space.s_max - space.q_dim,
154                                          space.q_max,
155                                          space.s_max)
156       end
157
158       dist_min = dist_beg < dist_end ? dist_beg : dist_end
159
160       dist_min * FACTOR_SCORE_DIAG
161     end
162
163     # Method that finds all maximally expanded non-redundant matches shared
164     # between two sequences inside a given search space.
165     def matches_find(q_seq, s_seq, q_min, s_min, q_max, s_max, kmer)
166       matches   = []
167       redundant = Hash.new { |h, k| h[k] = [] }
168
169       s_index = index_seq(s_seq, s_min, s_max, kmer)
170
171       q_pos = q_min
172
173       while q_pos <= q_max - kmer + 1
174         q_oligo = q_seq[q_pos ... q_pos + kmer]
175
176         s_index[q_oligo].each do |s_pos|
177           match = Match.new(q_pos, s_pos, kmer)
178
179           unless match_redundant?(redundant, match)
180             match_expand(match, q_seq, s_seq, q_min, s_min, q_max, s_max)
181             matches << match
182
183             match_redundant_add(redundant, match)
184           end
185         end
186
187         q_pos += 1
188       end
189
190       matches
191     end
192
193     # Method that indexes a sequence within a given interval such that the
194     # index contains all oligos of a given kmer size and the positions where
195     # this oligo was located.
196     def index_seq(seq, min, max, kmer)
197       index_hash = Hash.new { |h, k| h[k] = [] }
198
199       pos = min
200
201       while pos <= max - kmer + 1
202         oligo = seq[pos ... pos + kmer]
203         index_hash[oligo] << pos
204
205         pos += 1
206       end
207
208       index_hash
209     end
210
211     # Method to check if a match is redundant.
212     def match_redundant?(redundant, match)
213       redundant[match.q_beg].each do |s_interval|
214         if s_interval.include? match.s_beg and s_interval.include? match.s_end
215           return true
216         end
217       end
218
219       false
220     end
221
222     # Method that adds a match to the redundancy index.
223     def match_redundant_add(redundant, match)
224       (match.q_beg .. match.q_end).each do |q|
225         redundant[q] << (match.s_beg .. match.s_end)
226       end
227     end
228
229     # Method that expands a match as far as possible to the left and right.
230     def match_expand(match, q_seq, s_seq, q_min, s_min, q_max, s_max)
231       match_expand_left(match, q_seq, s_seq, q_min, s_min)
232       match_expand_right(match, q_seq, s_seq, q_max, s_max)
233
234       match
235     end
236
237     # Method that expands a match as far as possible to the left.
238     def match_expand_left(match, q_seq, s_seq, q_min, s_min)
239       while match.q_beg > q_min and
240             match.s_beg > s_min and 
241             q_seq[match.q_beg - 1] == s_seq[match.s_beg - 1]
242         match.q_beg  -= 1
243         match.s_beg  -= 1
244         match.length += 1
245       end
246
247       match
248     end
249
250     # Method that expands a match as far as possible to the right.
251     def match_expand_right(match, q_seq, s_seq, q_max, s_max)
252       while match.q_end < q_max and
253             match.s_end < s_max and
254             q_seq[match.q_end + 1] == s_seq[match.s_end + 1]
255         match.length += 1
256       end
257
258       match
259     end
260
261     # Method for debugging purposes that upcase matching sequence while non-matches
262     # sequence is kept in lower case.
263     def matches_upcase
264       @matches.each do |match|
265         @q_entry.seq[match.q_beg .. match.q_end] = @q_entry.seq[match.q_beg .. match.q_end].upcase
266         @s_entry.seq[match.s_beg .. match.s_end] = @s_entry.seq[match.s_beg .. match.s_end].upcase
267       end
268     end
269
270     # Method that insert gaps in sequences based on a list of matches and thus
271     # creating an alignment.
272     def gaps_insert
273       @matches.sort_by! { |m| m.q_beg }
274
275       q_gaps = 0
276       s_gaps = 0
277
278       match = @matches.first
279       diff  = (q_gaps + match.q_beg) - (s_gaps + match.s_beg)
280
281       if diff < 0
282         @q_entry.seq.insert(0, "-" * diff.abs)
283         q_gaps += diff.abs
284       elsif diff > 0
285         @s_entry.seq.insert(0, "-" * diff.abs)
286         s_gaps += diff.abs
287       end
288
289       @matches[1 .. -1].each do |m|
290         diff = (q_gaps + m.q_beg) - (s_gaps + m.s_beg)
291
292         if diff < 0
293           @q_entry.seq.insert(m.q_beg + q_gaps, "-" * diff.abs)
294           q_gaps += diff.abs
295         elsif diff > 0
296           @s_entry.seq.insert(m.s_beg + s_gaps, "-" * diff.abs)
297           s_gaps += diff.abs
298         end
299       end
300
301       diff = @q_entry.length - @s_entry.length
302
303       if diff < 0
304         @q_entry.seq << ("-" * diff.abs)
305       else
306         @s_entry.seq << ("-" * diff.abs)
307       end
308     end
309   end
310
311   # Class for containing a search space between two sequences q and s.
312   class Space
313     attr_reader :q_min, :s_min, :q_max, :s_max
314
315     def initialize(q_min, s_min, q_max, s_max)
316       @q_min = q_min
317       @s_min = s_min
318       @q_max = q_max
319       @s_max = s_max
320     end
321
322     def q_dim
323       @q_max - @q_min + 1
324     end
325
326     def s_dim
327       @s_max - @s_min + 1
328     end
329
330     def empty?
331       if @q_max - @q_min >= 0 and @s_max - @s_min >= 0
332         return false
333       end
334
335       true
336     end
337   end
338
339   # Class for containing a match between two sequences q and s.
340   class Match
341     attr_accessor :q_beg, :s_beg, :length, :score
342
343     def initialize(q_beg, s_beg, length, score = 0.0)
344       @q_beg  = q_beg
345       @s_beg  = s_beg
346       @length = length
347       @score  = score
348     end
349
350     def q_end
351       @q_beg + @length - 1
352     end
353
354     def s_end
355       @s_beg + @length - 1
356     end
357
358     def to_s(seq = nil)
359       s = "q: #{@q_beg} #{q_end} s: #{@s_beg} #{s_end} l: #{@length} s: #{@score}"
360       s << " seq: #{seq[@q_beg .. q_end]}" if seq
361       s
362     end
363   end
364 end
365