bcftools/call1.c

   1 #include <unistd.h>
   2 #include <stdlib.h>
   3 #include <math.h>
   4 #include <zlib.h>
   5 #include <errno.h>
   6 #include "bcf.h"
   7 #include "prob1.h"
   8 #include "kstring.h"
   9
  10 #include "khash.h"
  11 KHASH_SET_INIT_INT64(set64)
  12
  13 #include "kseq.h"
  14 KSTREAM_INIT(gzFile, gzread, 16384)
  15
  16 #define VC_NO_PL   1
  17 #define VC_NO_GENO 2
  18 #define VC_BCFOUT  4
  19 #define VC_CALL    8
  20 #define VC_VARONLY 16
  21 #define VC_VCFIN   32
  22 #define VC_UNCOMP  64
  23 #define VC_HWE     128
  24 #define VC_KEEPALT 256
  25 #define VC_ACGT_ONLY 512
  26
  27 typedef struct {
  28         int flag, prior_type, n1;
  29         char *fn_list, *prior_file;
  30         double theta, pref;
  31 } viewconf_t;
  32
  33 khash_t(set64) *bcf_load_pos(const char *fn, bcf_hdr_t *_h)
  34 {
  35         void *str2id;
  36         gzFile fp;
  37         kstream_t *ks;
  38         int ret, dret, lineno = 1;
  39         kstring_t *str;
  40         khash_t(set64) *hash = 0;
  41
  42         hash = kh_init(set64);
  43         str2id = bcf_build_refhash(_h);
  44         str = calloc(1, sizeof(kstring_t));
  45         fp = strcmp(fn, "-")? gzopen(fn, "r") : gzdopen(fileno(stdin), "r");
  46         ks = ks_init(fp);
  47         while (ks_getuntil(ks, 0, str, &dret) >= 0) {
  48                 int tid = bcf_str2id(str2id, str->s);
  49                 if (tid >= 0 && dret != '\n') {
  50                         if (ks_getuntil(ks, 0, str, &dret) >= 0) {
  51                                 uint64_t x = (uint64_t)tid<<32 | (atoi(str->s) - 1);
  52                                 kh_put(set64, hash, x, &ret);
  53                         } else break;
  54                 } else fprintf(stderr, "[%s] %s is not a reference name (line %d).\n", __func__, str->s, lineno);
  55                 if (dret != '\n') while ((dret = ks_getc(ks)) > 0 && dret != '\n');
  56                 if (dret < 0) break;
  57                 ++lineno;
  58         }
  59         bcf_str2id_destroy(str2id);
  60         ks_destroy(ks);
  61         gzclose(fp);
  62         free(str->s); free(str);
  63         return hash;
  64 }
  65
  66 static double test_hwe(const double g[3])
  67 {
  68         extern double kf_gammaq(double p, double x);
  69         double fexp, chi2, f[3], n;
  70         int i;
  71         n = g[0] + g[1] + g[2];
  72         fexp = (2. * g[2] + g[1]) / (2. * n);
  73         if (fexp > 1. - 1e-10) fexp = 1. - 1e-10;
  74         if (fexp < 1e-10) fexp = 1e-10;
  75         f[0] = n * (1. - fexp) * (1. - fexp);
  76         f[1] = n * 2. * fexp * (1. - fexp);
  77         f[2] = n * fexp * fexp;
  78         for (i = 0, chi2 = 0.; i < 3; ++i)
  79                 chi2 += (g[i] - f[i]) * (g[i] - f[i]) / f[i];
  80         return kf_gammaq(.5, chi2 / 2.);
  81 }
  82
  83 typedef struct {
  84         double p[4];
  85         int mq, depth, is_tested, d[4];
  86 } anno16_t;
  87
  88 static double ttest(int n1, int n2, int a[4])
  89 {
  90         extern double kf_betai(double a, double b, double x);
  91         double t, v, u1, u2;
  92         if (n1 == 0 || n2 == 0 || n1 + n2 < 3) return 1.0;
  93         u1 = (double)a[0] / n1; u2 = (double)a[2] / n2;
  94         if (u1 <= u2) return 1.;
  95         t = (u1 - u2) / sqrt(((a[1] - n1 * u1 * u1) + (a[3] - n2 * u2 * u2)) / (n1 + n2 - 2) * (1./n1 + 1./n2));
  96         v = n1 + n2 - 2;
  97 //      printf("%d,%d,%d,%d,%lf,%lf,%lf\n", a[0], a[1], a[2], a[3], t, u1, u2);
  98         return t < 0.? 1. : .5 * kf_betai(.5*v, .5, v/(v+t*t));
  99 }
 100
 101 static int test16_core(int anno[16], anno16_t *a)
 102 {
 103         extern double kt_fisher_exact(int n11, int n12, int n21, int n22, double *_left, double *_right, double *two);
 104         double left, right;
 105         int i;
 106         a->p[0] = a->p[1] = a->p[2] = a->p[3] = 1.;
 107         memcpy(a->d, anno, 4 * sizeof(int));
 108         a->depth = anno[0] + anno[1] + anno[2] + anno[3];
 109         a->is_tested = (anno[0] + anno[1] > 0 && anno[2] + anno[3] > 0);
 110         if (a->depth == 0) return -1;
 111         a->mq = (int)(sqrt((anno[9] + anno[11]) / a->depth) + .499);
 112         kt_fisher_exact(anno[0], anno[1], anno[2], anno[3], &left, &right, &a->p[0]);
 113         for (i = 1; i < 4; ++i)
 114                 a->p[i] = ttest(anno[0] + anno[1], anno[2] + anno[3], anno+4*i);
 115         return 0;
 116 }
 117
 118 static int test16(bcf1_t *b, anno16_t *a)
 119 {
 120         char *p;
 121         int i, anno[16];
 122         a->p[0] = a->p[1] = a->p[2] = a->p[3] = 1.;
 123         a->d[0] = a->d[1] = a->d[2] = a->d[3] = 0.;
 124         a->mq = a->depth = a->is_tested = 0;
 125         if ((p = strstr(b->info, "I16=")) == 0) return -1;
 126         p += 4;
 127         for (i = 0; i < 16; ++i) {
 128                 anno[i] = strtol(p, &p, 10);
 129                 if (anno[i] == 0 && (errno == EINVAL || errno == ERANGE)) return -2;
 130                 ++p;
 131         }
 132         return test16_core(anno, a);
 133 }
 134
 135 static void rm_info(int n_smpl, bcf1_t *b, const char *key)
 136 {
 137         char *p, *q;
 138         if ((p = strstr(b->info, key)) == 0) return;
 139         for (q = p; *q && *q != ';'; ++q);
 140         if (p > b->info && *(p-1) == ';') --p;
 141         memmove(p, q, b->l_str - (q - b->str));
 142         b->l_str -= q - p;
 143         bcf_sync(n_smpl, b);
 144 }
 145
 146 static int update_bcf1(int n_smpl, bcf1_t *b, const bcf_p1aux_t *pa, const bcf_p1rst_t *pr, double pref, int flag)
 147 {
 148         kstring_t s;
 149         int is_var = (pr->p_ref < pref);
 150         double p_hwe, r = is_var? pr->p_ref : 1. - pr->p_ref;
 151         anno16_t a;
 152
 153         p_hwe = pr->g[0] >= 0.? test_hwe(pr->g) : 1.0; // only do HWE g[] is calculated
 154         test16(b, &a);
 155         rm_info(n_smpl, b, "I16=");
 156
 157         memset(&s, 0, sizeof(kstring_t));
 158         kputc('\0', &s); kputs(b->ref, &s); kputc('\0', &s);
 159         kputs(b->alt, &s); kputc('\0', &s); kputc('\0', &s);
 160         kputs(b->info, &s);
 161         if (b->info[0]) kputc(';', &s);
 162         ksprintf(&s, "AF1=%.3lf;AFE=%.3lf", 1.-pr->f_em, 1.-pr->f_exp);
 163         ksprintf(&s, ";DP4=%d,%d,%d,%d;MQ=%d", a.d[0], a.d[1], a.d[2], a.d[3], a.mq);
 164         if (a.is_tested) {
 165                 if (pr->pc[0] >= 0.) ksprintf(&s, ";PC4=%lg,%lg,%lg,%lg", pr->pc[0], pr->pc[1], pr->pc[2], pr->pc[3]);
 166                 ksprintf(&s, ";PV4=%.2lg,%.2lg,%.2lg,%.2lg", a.p[0], a.p[1], a.p[2], a.p[3]);
 167         }
 168         if (pr->g[0] >= 0. && p_hwe <= .2)
 169                 ksprintf(&s, ";GC=%.2lf,%.2lf,%.2lf;HWE=%.3lf", pr->g[2], pr->g[1], pr->g[0], p_hwe);
 170         kputc('\0', &s);
 171         kputs(b->fmt, &s); kputc('\0', &s);
 172         free(b->str);
 173         b->m_str = s.m; b->l_str = s.l; b->str = s.s;
 174         b->qual = r < 1e-100? 99 : -4.343 * log(r);
 175         if (b->qual > 99) b->qual = 99;
 176         bcf_sync(n_smpl, b);
 177         if (!is_var) bcf_shrink_alt(n_smpl, b, 1);
 178         else if (!(flag&VC_KEEPALT))
 179                 bcf_shrink_alt(n_smpl, b, pr->rank0 < 2? 2 : pr->rank0+1);
 180         return is_var;
 181 }
 182
 183 int bcfview(int argc, char *argv[])
 184 {
 185         bcf_t *bp, *bout = 0;
 186         bcf1_t *b;
 187         int c;
 188         uint64_t n_processed = 0;
 189         viewconf_t vc;
 190         bcf_p1aux_t *p1 = 0;
 191         bcf_hdr_t *h;
 192         int tid, begin, end;
 193         char moder[4], modew[4];
 194         khash_t(set64) *hash = 0;
 195
 196         tid = begin = end = -1;
 197         memset(&vc, 0, sizeof(viewconf_t));
 198         vc.prior_type = vc.n1 = -1; vc.theta = 1e-3; vc.pref = 0.5;
 199         while ((c = getopt(argc, argv, "N1:l:cHAGvLbSuP:t:p:")) >= 0) {
 200                 switch (c) {
 201                 case '1': vc.n1 = atoi(optarg); break;
 202                 case 'l': vc.fn_list = strdup(optarg); break;
 203                 case 'N': vc.flag |= VC_ACGT_ONLY; break;
 204                 case 'G': vc.flag |= VC_NO_GENO; break;
 205                 case 'L': vc.flag |= VC_NO_PL; break;
 206                 case 'A': vc.flag |= VC_KEEPALT; break;
 207                 case 'b': vc.flag |= VC_BCFOUT; break;
 208                 case 'S': vc.flag |= VC_VCFIN; break;
 209                 case 'c': vc.flag |= VC_CALL; break;
 210                 case 'v': vc.flag |= VC_VARONLY; break;
 211                 case 'u': vc.flag |= VC_UNCOMP | VC_BCFOUT; break;
 212                 case 'H': vc.flag |= VC_HWE; break;
 213                 case 't': vc.theta = atof(optarg); break;
 214                 case 'p': vc.pref = atof(optarg); break;
 215                 case 'P':
 216                         if (strcmp(optarg, "full") == 0) vc.prior_type = MC_PTYPE_FULL;
 217                         else if (strcmp(optarg, "cond2") == 0) vc.prior_type = MC_PTYPE_COND2;
 218                         else if (strcmp(optarg, "flat") == 0) vc.prior_type = MC_PTYPE_FLAT;
 219                         else vc.prior_file = strdup(optarg);
 220                         break;
 221                 }
 222         }
 223         if (argc == optind) {
 224                 fprintf(stderr, "\n");
 225                 fprintf(stderr, "Usage:   bcftools view [options] <in.bcf> [reg]\n\n");
 226                 fprintf(stderr, "Options: -c        SNP calling\n");
 227                 fprintf(stderr, "         -b        output BCF instead of VCF\n");
 228                 fprintf(stderr, "         -u        uncompressed BCF output\n");
 229                 fprintf(stderr, "         -S        input is VCF\n");
 230                 fprintf(stderr, "         -A        keep all possible alternate alleles at variant sites\n");
 231                 fprintf(stderr, "         -G        suppress all individual genotype information\n");
 232                 fprintf(stderr, "         -L        discard the PL genotype field\n");
 233                 fprintf(stderr, "         -H        perform Hardy-Weinberg test (slower)\n");
 234                 fprintf(stderr, "         -v        output potential variant sites only\n");
 235                 fprintf(stderr, "         -N        skip sites where REF is not A/C/G/T\n");
 236                 fprintf(stderr, "         -1 INT    number of group-1 samples [0]\n");
 237                 fprintf(stderr, "         -l FILE   list of sites to output [all sites]\n");
 238                 fprintf(stderr, "         -t FLOAT  scaled mutation rate [%.4lg]\n", vc.theta);
 239                 fprintf(stderr, "         -p FLOAT  variant if P(ref|D)<FLOAT [%.3lg]\n", vc.pref);
 240                 fprintf(stderr, "         -P STR    type of prior: full, cond2, flat [full]\n");
 241                 fprintf(stderr, "\n");
 242                 return 1;
 243         }
 244
 245         b = calloc(1, sizeof(bcf1_t));
 246         strcpy(moder, "r");
 247         if (!(vc.flag & VC_VCFIN)) strcat(moder, "b");
 248         strcpy(modew, "w");
 249         if (vc.flag & VC_BCFOUT) strcat(modew, "b");
 250         if (vc.flag & VC_UNCOMP) strcat(modew, "u");
 251         bp = vcf_open(argv[optind], moder);
 252         h = vcf_hdr_read(bp);
 253         bout = vcf_open("-", modew);
 254         vcf_hdr_write(bout, h);
 255         if (vc.flag & VC_CALL) {
 256                 p1 = bcf_p1_init(h->n_smpl);
 257                 if (vc.prior_file) {
 258                         if (bcf_p1_read_prior(p1, vc.prior_file) < 0) {
 259                                 fprintf(stderr, "[%s] fail to read the prior AFS.\n", __func__);
 260                                 return 1;
 261                         }
 262                 } else bcf_p1_init_prior(p1, vc.prior_type, vc.theta);
 263                 if (vc.n1 > 0) {
 264                         bcf_p1_set_n1(p1, vc.n1);
 265                         bcf_p1_init_subprior(p1, vc.prior_type, vc.theta);
 266                 }
 267         }
 268         if (vc.fn_list) hash = bcf_load_pos(vc.fn_list, h);
 269         if (optind + 1 < argc && !(vc.flag&VC_VCFIN)) {
 270                 void *str2id = bcf_build_refhash(h);
 271                 if (bcf_parse_region(str2id, argv[optind+1], &tid, &begin, &end) >= 0) {
 272                         bcf_idx_t *idx;
 273                         idx = bcf_idx_load(argv[optind]);
 274                         if (idx) {
 275                                 uint64_t off;
 276                                 off = bcf_idx_query(idx, tid, begin, end);
 277                                 bgzf_seek(bp->fp, off, SEEK_SET);
 278                                 bcf_idx_destroy(idx);
 279                         }
 280                 }
 281         }
 282         while (vcf_read(bp, h, b) > 0) {
 283                 if (vc.flag & VC_ACGT_ONLY) {
 284                         int x;
 285                         if (b->ref[0] == 0 || b->ref[1] != 0) continue;
 286                         x = toupper(b->ref[0]);
 287                         if (x != 'A' && x != 'C' && x != 'G' && x != 'T') continue;
 288                 }
 289                 if (hash) {
 290                         uint64_t x = (uint64_t)b->tid<<32 | b->pos;
 291                         khint_t k = kh_get(set64, hash, x);
 292                         if (kh_size(hash) == 0) break;
 293                         if (k == kh_end(hash)) continue;
 294                         kh_del(set64, hash, k);
 295                 }
 296                 if (tid >= 0) {
 297                         int l = strlen(b->ref);
 298                         l = b->pos + (l > 0? l : 1);
 299                         if (b->tid != tid || b->pos >= end) break;
 300                         if (!(l > begin && end > b->pos)) continue;
 301                 }
 302                 ++n_processed;
 303                 if (vc.flag & VC_CALL) {
 304                         bcf_p1rst_t pr;
 305                         bcf_gl2pl(h->n_smpl, b);
 306                         bcf_p1_cal(b, p1, &pr); // pr.g[3] is not calculated here
 307                         if (vc.flag&VC_HWE) bcf_p1_cal_g3(p1, pr.g);
 308                         if (n_processed % 100000 == 0) {
 309                                 fprintf(stderr, "[%s] %ld sites processed.\n", __func__, (long)n_processed);
 310                                 bcf_p1_dump_afs(p1);
 311                         }
 312                         if (pr.p_ref >= vc.pref && (vc.flag & VC_VARONLY)) continue;
 313                         update_bcf1(h->n_smpl, b, p1, &pr, vc.pref, vc.flag);
 314                 }
 315                 if (vc.flag & VC_NO_GENO) {
 316                         b->n_gi = 0;
 317                         b->fmt[0] = '\0';
 318                 }
 319                 vcf_write(bout, h, b);
 320         }
 321         if (vc.prior_file) free(vc.prior_file);
 322         if (vc.flag & VC_CALL) bcf_p1_dump_afs(p1);
 323         bcf_hdr_destroy(h);
 324         bcf_destroy(b);
 325         vcf_close(bp); vcf_close(bout);
 326         if (hash) kh_destroy(set64, hash);
 327         if (vc.fn_list) free(vc.fn_list);
 328         if (p1) bcf_p1_destroy(p1);
 329         return 0;
 330 }
 331