]> git.donarmstrong.com Git - biopieces.git/blob - code_ruby/lib/maasha/seq.rb
added << method to Seq.rb
[biopieces.git] / code_ruby / lib / maasha / seq.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/bits'
26 require 'maasha/seq/digest'
27 require 'maasha/seq/trim'
28 require 'narray'
29
30 autoload :BackTrack, 'maasha/seq/backtrack.rb'
31 autoload :Dynamic,   'maasha/seq/dynamic.rb'
32
33 # Residue alphabets
34 DNA     = %w[a t c g]
35 RNA     = %w[a u c g]
36 PROTEIN = %w[f l s y c w p h q r i m t n k v a d e g]
37 INDELS  = %w[. - _ ~]
38
39 # Translation table 11
40 # (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Taxonomy/taxonomyhome.html/index.cgi?chapter=cgencodes#SG11)
41 #   AAs  = FFLLSSSSYY**CC*WLLLLPPPPHHQQRRRRIIIMTTTTNNKKSSRRVVVVAAAADDEEGGGG
42 # Starts = ---M---------------M------------MMMM---------------M------------
43 # Base1  = TTTTTTTTTTTTTTTTCCCCCCCCCCCCCCCCAAAAAAAAAAAAAAAAGGGGGGGGGGGGGGGG
44 # Base2  = TTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGG
45 # Base3  = TCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAG
46 TRANS_TAB11_START = {
47   "TTG" => "M", "CTG" => "M", "ATT" => "M", "ATC" => "M",
48   "ATA" => "M", "ATG" => "M", "GTG" => "M"
49 }
50
51 TRANS_TAB11 = {
52   "TTT" => "F", "TCT" => "S", "TAT" => "Y", "TGT" => "C",
53   "TTC" => "F", "TCC" => "S", "TAC" => "Y", "TGC" => "C",
54   "TTA" => "L", "TCA" => "S", "TAA" => "*", "TGA" => "*",
55   "TTG" => "L", "TCG" => "S", "TAG" => "*", "TGG" => "W",
56   "CTT" => "L", "CCT" => "P", "CAT" => "H", "CGT" => "R",
57   "CTC" => "L", "CCC" => "P", "CAC" => "H", "CGC" => "R",
58   "CTA" => "L", "CCA" => "P", "CAA" => "Q", "CGA" => "R",
59   "CTG" => "L", "CCG" => "P", "CAG" => "Q", "CGG" => "R",
60   "ATT" => "I", "ACT" => "T", "AAT" => "N", "AGT" => "S",
61   "ATC" => "I", "ACC" => "T", "AAC" => "N", "AGC" => "S",
62   "ATA" => "I", "ACA" => "T", "AAA" => "K", "AGA" => "R",
63   "ATG" => "M", "ACG" => "T", "AAG" => "K", "AGG" => "R",
64   "GTT" => "V", "GCT" => "A", "GAT" => "D", "GGT" => "G",
65   "GTC" => "V", "GCC" => "A", "GAC" => "D", "GGC" => "G",
66   "GTA" => "V", "GCA" => "A", "GAA" => "E", "GGA" => "G",
67   "GTG" => "V", "GCG" => "A", "GAG" => "E", "GGG" => "G"
68 }
69
70
71 # Error class for all exceptions to do with Seq.
72 class SeqError < StandardError; end
73
74 class Seq
75   # Quality scores bases
76   SCORE_BASE = 33
77   SCORE_MIN  = 0
78   SCORE_MAX  = 40
79
80   include Digest
81   include Trim
82
83   attr_accessor :seq_name, :seq, :type, :qual
84
85   # Class method to instantiate a new Sequence object given
86   # a Biopiece record.
87   def self.new_bp(record)
88     seq_name = record[:SEQ_NAME]
89     seq      = record[:SEQ]
90     type     = record[:SEQ_TYPE]
91     qual     = record[:SCORES]
92
93     self.new(seq_name, seq, type, qual)
94   end
95
96   # Class method that generates all possible oligos of a specifed length and type.
97   def self.generate_oligos(length, type)
98     raise SeqError, "Cannot generate negative oligo length: #{length}" if length <= 0
99
100     case type.downcase
101     when /dna/     then alph = DNA
102     when /rna/     then alph = RNA
103     when /protein/ then alph = PROTEIN
104     else
105       raise SeqError, "Unknown sequence type: #{type}"
106     end
107
108     oligos = [""]
109
110     (1 .. length).each do
111       list = []
112
113       oligos.each do |oligo|
114         alph.each do |char|
115           list << oligo + char
116         end
117       end
118
119       oligos = list
120     end
121
122     oligos
123   end
124
125   # Initialize a sequence object with the following arguments:
126   # - seq_name: Name of the sequence.
127   # - seq: The sequence.
128   # - type: The sequence type - DNA, RNA, or protein
129   # - qual: An Illumina type quality scores string.
130   def initialize(seq_name = nil, seq = nil, type = nil, qual = nil)
131     @seq_name = seq_name
132     @seq      = seq
133     @type     = type
134     @qual     = qual
135   end
136
137   # Method that guesses and returns the sequence type
138   # by inspecting the first 100 residues.
139   def type_guess
140     raise SeqError, "Guess failed: sequence is nil" if self.seq.nil?
141
142     case self.seq[0 ... 100].downcase
143     when /[flpqie]/ then return "protein"
144     when /[u]/      then return "rna"
145     else                 return "dna"
146     end
147   end
148
149   # Method that guesses and sets the sequence type
150   # by inspecting the first 100 residues.
151   def type_guess!
152     self.type = self.type_guess
153     self
154   end
155
156   # Returns the length of a sequence.
157   def length
158     self.seq.nil? ? 0 : self.seq.length
159   end
160
161   alias :len :length
162
163   # Return the number indels in a sequence.
164   def indels
165     regex = Regexp.new(/[#{Regexp.escape(INDELS.join(""))}]/)
166     self.seq.scan(regex).size
167   end
168
169   # Method to remove indels from seq and qual if qual.
170   def indels_remove
171     if self.qual.nil?
172       self.seq.delete!(Regexp.escape(INDELS.join('')))
173     else
174       na_seq  = NArray.to_na(self.seq, "byte")
175       na_qual = NArray.to_na(self.qual, "byte")
176       mask    = NArray.byte(self.length)
177
178       INDELS.each do |c|
179         mask += na_seq.eq(c.ord)
180       end
181
182       mask = mask.eq(0)
183
184       self.seq  = na_seq[mask].to_s
185       self.qual = na_qual[mask].to_s
186     end
187
188     self
189   end
190
191   # Method that returns true is a given sequence type is DNA.
192   def is_dna?
193     self.type == 'dna'
194   end
195
196   # Method that returns true is a given sequence type is RNA.
197   def is_rna?
198     self.type == 'rna'
199   end
200
201   # Method that returns true is a given sequence type is protein.
202   def is_protein?
203     self.type == 'protein'
204   end
205
206   # Method to transcribe DNA to RNA.
207   def to_rna
208     raise SeqError, "Cannot transcribe 0 length sequence" if self.length == 0
209     raise SeqError, "Cannot transcribe sequence type: #{self.type}" unless self.is_dna?
210     self.type = 'rna'
211     self.seq.tr!('Tt','Uu')
212   end
213
214   # Method to reverse-transcribe RNA to DNA.
215   def to_dna
216     raise SeqError, "Cannot reverse-transcribe 0 length sequence" if self.length == 0
217     raise SeqError, "Cannot reverse-transcribe sequence type: #{self.type}" unless self.is_rna?
218
219     self.type = 'dna'
220     self.seq.tr!('Uu','Tt')
221   end
222
223   # Method to translate a DNA sequence to protein.
224   def translate!(trans_tab = 11)
225     raise SeqError, "Sequence type must be 'dna' - not #{self.type}" unless self.type == 'dna'
226     raise SeqError, "Sequence length must be a multiplum of 3 - was: #{self.length}" unless (self.length % 3) == 0
227
228     case trans_tab
229     when 11
230       codon_start_hash = TRANS_TAB11_START
231       codon_hash       = TRANS_TAB11
232     else
233       raise SeqError, "Unknown translation table: #{trans_tab}"
234     end
235
236     codon  = self.seq[0 ... 3].upcase
237
238     aa = codon_start_hash[codon]
239
240     raise SeqError, "Unknown start codon: #{codon}" if aa.nil?
241
242     protein = aa
243
244     i = 3
245
246     while i < self.length
247       codon = self.seq[i ... i + 3].upcase
248
249       aa = codon_hash[codon]
250
251       raise SeqError, "Unknown codon: #{codon}" if aa.nil?
252
253       protein << aa
254
255       i += 3
256     end
257
258     self.seq  = protein
259     self.qual = nil
260     self.type = "protein"
261
262     self
263   end
264
265   alias :to_protein! :translate!
266
267   def translate(trans_tab = 11)
268     self.dup.translate!(trans_tab)
269   end
270
271   alias :to_protein :translate
272
273   # Method that given a Seq entry returns a Biopieces record (a hash).
274   def to_bp
275     raise SeqError, "Missing seq_name" if self.seq_name.nil?
276     raise SeqError, "Missing seq"      if self.seq.nil?
277
278     record             = {}
279     record[:SEQ_NAME] = self.seq_name
280     record[:SEQ]      = self.seq
281     record[:SEQ_LEN]  = self.length
282     record[:SCORES]   = self.qual if self.qual
283     record
284   end
285
286   # Method that given a Seq entry returns a FASTA entry (a string).
287   def to_fasta(wrap = nil)
288     raise SeqError, "Missing seq_name" if self.seq_name.nil? or self.seq_name == ''
289     raise SeqError, "Missing seq"      if self.seq.nil?      or self.seq.empty?
290
291     seq_name = self.seq_name.to_s
292     seq      = self.seq.to_s
293
294     unless wrap.nil?
295       seq.gsub!(/(.{#{wrap}})/) do |match|
296         match << $/
297       end
298
299       seq.chomp!
300     end
301
302     ">" + seq_name + $/ + seq + $/
303   end
304
305   # Method that given a Seq entry returns a FASTQ entry (a string).
306   def to_fastq
307     raise SeqError, "Missing seq_name" if self.seq_name.nil?
308     raise SeqError, "Missing seq"      if self.seq.nil?
309     raise SeqError, "Missing qual"     if self.qual.nil?
310
311     seq_name = self.seq_name.to_s
312     seq      = self.seq.to_s
313     qual     = self.qual.to_s
314
315     "@" + seq_name + $/ + seq + $/ + "+" + $/ + qual + $/
316   end
317
318   # Method that generates a unique key for a
319   # DNA sequence and return this key as a Fixnum.
320   def to_key
321     key = 0
322     
323     self.seq.upcase.each_char do |char|
324       key <<= 2
325       
326       case char
327       when 'A' then key |= 0
328       when 'C' then key |= 1
329       when 'G' then key |= 2
330       when 'T' then key |= 3
331       else raise SeqError, "Bad residue: #{char}"
332       end
333     end
334     
335     key
336   end
337
338   # Method to reverse the sequence.
339   def reverse
340     Seq.new(self.seq_name, self.seq.reverse, self.type, self.qual ? self.qual.reverse : self.qual)
341   end
342
343   # Method to reverse the sequence.
344   def reverse!
345     self.seq.reverse!
346     self.qual.reverse! if self.qual
347     self
348   end
349
350   # Method that complements sequence including ambiguity codes.
351   def complement
352     raise SeqError, "Cannot complement 0 length sequence" if self.length == 0
353
354     entry          = Seq.new
355     entry.seq_name = self.seq_name
356     entry.type     = self.type
357     entry.qual     = self.qual
358
359     if self.is_dna?
360       entry.seq = self.seq.tr('AGCUTRYWSMKHDVBNagcutrywsmkhdvbn', 'TCGAAYRWSKMDHBVNtcgaayrwskmdhbvn')
361     elsif self.is_rna?
362       entry.seq = self.seq.tr('AGCUTRYWSMKHDVBNagcutrywsmkhdvbn', 'UCGAAYRWSKMDHBVNucgaayrwskmdhbvn')
363     else
364       raise SeqError, "Cannot complement sequence type: #{self.type}"
365     end
366
367     entry
368   end
369
370   # Method that complements sequence including ambiguity codes.
371   def complement!
372     raise SeqError, "Cannot complement 0 length sequence" if self.length == 0
373
374     if self.is_dna?
375       self.seq.tr!('AGCUTRYWSMKHDVBNagcutrywsmkhdvbn', 'TCGAAYRWSKMDHBVNtcgaayrwskmdhbvn')
376     elsif self.is_rna?
377       self.seq.tr!('AGCUTRYWSMKHDVBNagcutrywsmkhdvbn', 'UCGAAYRWSKMDHBVNucgaayrwskmdhbvn')
378     else
379       raise SeqError, "Cannot complement sequence type: #{self.type}"
380     end
381
382     self
383   end
384
385   # Method to determine the Hamming Distance between
386   # two Sequence objects (case insensitive).
387   def hamming_distance(seq)
388     self.seq.upcase.hamming_distance(seq.seq.upcase)
389   end
390
391   # Method that generates a random sequence of a given length and type.
392   def generate(length, type)
393     raise SeqError, "Cannot generate sequence length < 1: #{length}" if length <= 0
394
395     case type.downcase
396     when "dna"
397       alph = DNA
398     when "rna"
399       alph = RNA
400     when "protein"
401       alph = PROTEIN
402     else
403       raise SeqError, "Unknown sequence type: #{type}"
404     end
405
406     seq_new   = Array.new(length) { alph[rand(alph.size)] }.join("")
407     self.seq  = seq_new
408     self.type = type.downcase
409     seq_new
410   end
411
412   # Method to return a new Seq object with shuffled sequence.
413   def shuffle
414     Seq.new(self.seq_name, self.seq.split('').shuffle!.join, self.type, self.qual)
415   end
416
417   # Method to shuffle a sequence randomly inline.
418   def shuffle!
419     self.seq = self.seq.split('').shuffle!.join
420     self
421   end
422
423   # Method to concatenate sequence entries.
424   def <<(entry)
425     raise SeqError, "sequences of different types" unless self.type == entry.type
426     raise SeqError, "qual is missing in one entry" unless self.qual.class == entry.qual.class
427
428     self.seq  << entry.seq
429     self.qual << entry.qual unless entry.qual.nil?
430
431     self
432   end
433
434   # Method that returns a subsequence of from a given start position
435   # and of a given length.
436   def subseq(start, length = self.length - start)
437     raise SeqError, "subsequence start: #{start} < 0"                                                if start  < 0
438     raise SeqError, "subsequence length: #{length} < 0"                                              if length < 0
439     raise SeqError, "subsequence start + length > Seq.length: #{start} + #{length} > #{self.length}" if start + length > self.length
440
441     if length == 0
442       seq  = ""
443       qual = "" unless self.qual.nil?
444     else
445       stop = start + length - 1
446
447       seq  = self.seq[start .. stop]
448       qual = self.qual[start .. stop] unless self.qual.nil?
449     end
450
451     Seq.new(self.seq_name, seq, self.type, qual)    # TODO changed self.seq_name.dup to self.seq_name -> consequence?
452   end
453
454   # Method that replaces a sequence with a subsequence from a given start position
455   # and of a given length.
456   def subseq!(start, length = self.length - start)
457     s = subseq(start, length)
458
459     self.seq_name = s.seq_name
460     self.seq      = s.seq
461     self.type     = s.type
462     self.qual     = s.qual
463
464     self
465   end
466
467   # Method that returns a subsequence of a given length
468   # beginning at a random position.
469   def subseq_rand(length)
470     if self.length - length + 1 == 0
471       start = 0
472     else
473       start = rand(self.length - length + 1)
474     end
475
476     self.subseq(start, length)
477   end
478
479   # Method that returns the residue compositions of a sequence in
480   # a hash where the key is the residue and the value is the residue
481   # count.
482   def composition
483     comp = Hash.new(0);
484
485     self.seq.upcase.each_char do |char|
486       comp[char] += 1
487     end
488
489     comp
490   end
491
492   # Method that returns the length of the longest homopolymeric stretch
493   # found in a sequence.
494   def homopol_max(min = 1)
495     return 0 if self.seq.nil? or self.seq.empty?
496
497     found = false
498
499     self.seq.upcase.scan(/A{#{min},}|T{#{min},}|G{#{min},}|C{#{min},}|N{#{min},}/) do |match|
500       found = true
501       min   = match.size > min ? match.size : min
502     end
503
504     return 0 unless found
505  
506     min
507   end
508
509   # Method that returns the percentage of hard masked residues
510   # or N's in a sequence.
511   def hard_mask
512     ((self.seq.upcase.scan("N").size.to_f / (self.len - self.indels).to_f) * 100).round(2)
513   end
514
515   # Method that returns the percentage of soft masked residues
516   # or lower cased residues in a sequence.
517   def soft_mask
518     ((self.seq.scan(/[a-z]/).size.to_f / (self.len - self.indels).to_f) * 100).round(2)
519   end
520
521   # Hard masks sequence residues where the corresponding quality score
522   # is below a given cutoff.
523   def mask_seq_hard!(cutoff)
524     raise SeqError, "seq is nil"  if self.seq.nil?
525     raise SeqError, "qual is nil" if self.qual.nil?
526     raise SeqError, "cufoff value: #{cutoff} out of range #{SCORE_MIN} .. #{SCORE_MAX}" unless (SCORE_MIN .. SCORE_MAX).include? cutoff
527
528     na_seq  = NArray.to_na(self.seq, "byte")
529     na_qual = NArray.to_na(self.qual, "byte")
530     mask    = (na_qual - SCORE_BASE) < cutoff
531     mask   *= na_seq.ne("-".ord)
532
533     na_seq[mask] = 'N'.ord
534
535     self.seq = na_seq.to_s
536
537     self
538   end
539
540   # Soft masks sequence residues where the corresponding quality score
541   # is below a given cutoff.
542   def mask_seq_soft!(cutoff)
543     raise SeqError, "seq is nil"  if self.seq.nil?
544     raise SeqError, "qual is nil" if self.qual.nil?
545     raise SeqError, "cufoff value: #{cutoff} out of range #{SCORE_MIN} .. #{SCORE_MAX}" unless (SCORE_MIN .. SCORE_MAX).include? cutoff
546
547     na_seq  = NArray.to_na(self.seq, "byte")
548     na_qual = NArray.to_na(self.qual, "byte")
549     mask    = (na_qual - SCORE_BASE) < cutoff
550     mask   *= na_seq.ne("-".ord)
551
552     na_seq[mask] ^= ' '.ord
553
554     self.seq = na_seq.to_s
555
556     self
557   end
558
559   # Method that determines if a quality score string can be
560   # absolutely identified as base 33.
561   def qual_base33?
562     self.qual.match(/[!-:]/) ? true : false
563   end
564  
565   # Method that determines if a quality score string may be base 64.
566   def qual_base64?
567     self.qual.match(/[K-h]/) ? true : false
568   end
569
570   # Method to determine if a quality score is valid accepting only 0-40 range.
571   def qual_valid?(encoding)
572     raise SeqError, "Missing qual" if self.qual.nil?
573
574     case encoding
575     when :base_33 then return true if self.qual.match(/^[!-I]*$/)
576     when :base_64 then return true if self.qual.match(/^[@-h]*$/)
577     else raise SeqError, "unknown quality score encoding: #{encoding}"
578     end
579
580     false
581   end
582
583   # Method to coerce quality scores to be within the 0-40 range.
584   def qual_coerce!(encoding)
585     raise SeqError, "Missing qual" if self.qual.nil?
586
587     case encoding
588     when :base_33 then self.qual.tr!("[J-~]", "I")
589     when :base_64 then self.qual.tr!("[i-~]", "h")
590     else raise SeqError, "unknown quality score encoding: #{encoding}"
591     end 
592
593     self
594   end
595
596   # Method to convert quality scores.
597   def qual_convert!(from, to)
598     raise SeqError, "unknown quality score encoding: #{from}" unless from == :base_33 or from == :base_64
599     raise SeqError, "unknown quality score encoding: #{to}"   unless to   == :base_33 or to   == :base_64
600
601     if from == :base_33 and to == :base_64
602       na_qual   = NArray.to_na(self.qual, "byte")
603       na_qual  += 64 - 33
604       self.qual = na_qual.to_s
605     elsif from == :base_64 and to == :base_33
606       self.qual.tr!("[;-?]", "@")  # Handle negative Solexa values from -5 to -1 (set these to 0).
607       na_qual   = NArray.to_na(self.qual, "byte")
608       na_qual  -= 64 - 33
609       self.qual = na_qual.to_s
610     end
611
612     self
613   end
614
615   # Method to calculate and return the mean quality score.
616   def scores_mean
617     raise SeqError, "Missing qual in entry" if self.qual.nil?
618
619     na_qual = NArray.to_na(self.qual, "byte")
620     na_qual -= SCORE_BASE
621
622     na_qual.mean
623   end
624
625   # Method to find open reading frames (ORFs).
626   def each_orf(size_min, size_max, start_codons, stop_codons, pick_longest = false)
627     orfs    = []
628     pos_beg = 0
629
630     regex_start = Regexp.new(start_codons.join('|'), true)
631     regex_stop  = Regexp.new(stop_codons.join('|'), true)
632
633     while pos_beg and pos_beg < self.length - size_min
634       if pos_beg = self.seq.index(regex_start, pos_beg)
635         if pos_end = self.seq.index(regex_stop, pos_beg)
636           length = (pos_end - pos_beg) + 3
637
638           if (length % 3) == 0
639             if size_min <= length and length <= size_max
640               subseq = self.subseq(pos_beg, length)
641
642               orfs << [subseq, pos_beg, pos_end + 3]
643             end
644           end
645         end
646
647         pos_beg += 1
648       end
649     end
650
651     if pick_longest
652       orf_hash = {}
653
654       orfs.each { |orf| orf_hash[orf.last] = orf unless orf_hash[orf.last] }
655
656       orfs = orf_hash.values
657     end
658
659     if block_given?
660       orfs.each { |orf| yield orf }
661     else
662       return orfs
663     end
664   end
665 end
666
667 __END__