bcftools/prob1.c

   1 #include <math.h>
   2 #include <stdlib.h>
   3 #include <string.h>
   4 #include <stdio.h>
   5 #include <errno.h>
   6 #include "prob1.h"
   7
   8 #include "kseq.h"
   9 KSTREAM_INIT(gzFile, gzread, 16384)
  10
  11 #define MC_AVG_ERR 0.007
  12 #define MC_MAX_EM_ITER 16
  13 #define MC_EM_EPS 1e-4
  14
  15 //#define _BCF_QUAD
  16
  17 unsigned char seq_nt4_table[256] = {
  18         4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,
  19         4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,
  20         4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4 /*'-'*/, 4, 4,
  21         4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,
  22         4, 0, 4, 1,  4, 4, 4, 2,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,
  23         4, 4, 4, 4,  3, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,
  24         4, 0, 4, 1,  4, 4, 4, 2,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,
  25         4, 4, 4, 4,  3, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,
  26         4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,
  27         4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,
  28         4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,
  29         4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,
  30         4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,
  31         4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,
  32         4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,
  33         4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4,  4, 4, 4, 4
  34 };
  35
  36 struct __bcf_p1aux_t {
  37         int n, M, n1;
  38         double *q2p, *pdg; // pdg -> P(D|g)
  39         double *phi;
  40         double *z, *zswap; // aux for afs
  41         double *z1, *z2; // only calculated when n1 is set
  42         double t, t1, t2;
  43         double *afs, *afs1; // afs: accumulative AFS; afs1: site posterior distribution
  44         double *k1k2;
  45         const uint8_t *PL; // point to PL
  46         int PL_len;
  47 };
  48
  49 void bcf_p1_init_prior(bcf_p1aux_t *ma, int type, double theta)
  50 {
  51         int i;
  52         if (type == MC_PTYPE_COND2) {
  53                 for (i = 0; i <= ma->M; ++i)
  54                         ma->phi[i] = 2. * (i + 1) / (ma->M + 1) / (ma->M + 2);
  55         } else if (type == MC_PTYPE_FLAT) {
  56                 for (i = 0; i <= ma->M; ++i)
  57                         ma->phi[i] = 1. / (ma->M + 1);
  58         } else {
  59                 double sum;
  60                 for (i = 0, sum = 0.; i < ma->M; ++i)
  61                         sum += (ma->phi[i] = theta / (ma->M - i));
  62                 ma->phi[ma->M] = 1. - sum;
  63         }
  64 }
  65
  66 int bcf_p1_read_prior(bcf_p1aux_t *ma, const char *fn)
  67 {
  68         gzFile fp;
  69         kstring_t s;
  70         kstream_t *ks;
  71         long double sum;
  72         int dret, k;
  73         memset(&s, 0, sizeof(kstring_t));
  74         fp = strcmp(fn, "-")? gzopen(fn, "r") : gzdopen(fileno(stdin), "r");
  75         ks = ks_init(fp);
  76         memset(ma->phi, 0, sizeof(double) * (ma->M + 1));
  77         while (ks_getuntil(ks, '\n', &s, &dret) >= 0) {
  78                 if (strstr(s.s, "[afs] ") == s.s) {
  79                         char *p = s.s + 6;
  80                         for (k = 0; k <= ma->M; ++k) {
  81                                 int x;
  82                                 double y;
  83                                 x = strtol(p, &p, 10);
  84                                 if (x != k && (errno == EINVAL || errno == ERANGE)) return -1;
  85                                 ++p;
  86                                 y = strtod(p, &p);
  87                                 if (y == 0. && (errno == EINVAL || errno == ERANGE)) return -1;
  88                                 ma->phi[ma->M - k] += y;
  89                         }
  90                 }
  91         }
  92         ks_destroy(ks);
  93         gzclose(fp);
  94         free(s.s);
  95         for (sum = 0., k = 0; k <= ma->M; ++k) sum += ma->phi[k];
  96         fprintf(stderr, "[prior]");
  97         for (k = 0; k <= ma->M; ++k) ma->phi[k] /= sum;
  98         for (k = 0; k <= ma->M; ++k) fprintf(stderr, " %d:%.3lg", k, ma->phi[ma->M - k]);
  99         fputc('\n', stderr);
 100         for (sum = 0., k = 1; k <= ma->M; ++k) sum += k * ma->phi[ma->M - k];
 101         fprintf(stderr, "[heterozygosity] %lf\n", (double)sum / ma->M);
 102         return 0;
 103 }
 104
 105 bcf_p1aux_t *bcf_p1_init(int n)
 106 {
 107         bcf_p1aux_t *ma;
 108         int i;
 109         ma = calloc(1, sizeof(bcf_p1aux_t));
 110         ma->n1 = -1;
 111         ma->n = n; ma->M = 2 * n;
 112         ma->q2p = calloc(256, sizeof(double));
 113         ma->pdg = calloc(3 * ma->n, sizeof(double));
 114         ma->phi = calloc(ma->M + 1, sizeof(double));
 115         ma->z = calloc(2 * ma->n + 1, sizeof(double));
 116         ma->zswap = calloc(2 * ma->n + 1, sizeof(double));
 117         ma->z1 = calloc(ma->M + 1, sizeof(double)); // actually we do not need this large
 118         ma->z2 = calloc(ma->M + 1, sizeof(double));
 119         ma->afs = calloc(2 * ma->n + 1, sizeof(double));
 120         ma->afs1 = calloc(2 * ma->n + 1, sizeof(double));
 121         for (i = 0; i < 256; ++i)
 122                 ma->q2p[i] = pow(10., -i / 10.);
 123         bcf_p1_init_prior(ma, MC_PTYPE_FULL, 1e-3); // the simplest prior
 124         return ma;
 125 }
 126
 127 #ifdef _BCF_QUAD
 128 static double lbinom(int n, int k)
 129 {
 130         return lgamma(n+1) - lgamma(k+1) - lgamma(n-k+1);
 131 }
 132 #endif
 133
 134 int bcf_p1_set_n1(bcf_p1aux_t *b, int n1)
 135 {
 136         if (n1 == 0 || n1 >= b->n) return -1;
 137         b->n1 = n1;
 138 #ifdef _BCF_QUAD
 139         {
 140                 int k1, k2, n2 = b->n - b->n1;
 141                 b->k1k2 = calloc((2*n1+1) * (2*n2+1), sizeof(double));
 142                 for (k1 = 0; k1 <= 2*n1; ++k1)
 143                         for (k2 = 0; k2 <= 2*n2; ++k2)
 144                                 b->k1k2[k1*(2*n2+1)+k2] = exp(lbinom(2*n1,k1) + lbinom(2*n2,k2) - lbinom(b->M,k1+k2));
 145         }
 146 #endif
 147         return 0;
 148 }
 149
 150 void bcf_p1_destroy(bcf_p1aux_t *ma)
 151 {
 152         if (ma) {
 153                 free(ma->q2p); free(ma->pdg);
 154                 free(ma->phi);
 155                 free(ma->z); free(ma->zswap); free(ma->z1); free(ma->z2);
 156                 free(ma->afs); free(ma->afs1);
 157                 free(ma->k1k2);
 158                 free(ma);
 159         }
 160 }
 161
 162 #define char2int(s) (((int)s[0])<<8|s[1])
 163
 164 static int cal_pdg(const bcf1_t *b, bcf_p1aux_t *ma)
 165 {
 166         int i, j, k;
 167         long *p, tmp;
 168         p = alloca(b->n_alleles * sizeof(long));
 169         memset(p, 0, sizeof(long) * b->n_alleles);
 170         for (j = 0; j < ma->n; ++j) {
 171                 const uint8_t *pi = ma->PL + j * ma->PL_len;
 172                 double *pdg = ma->pdg + j * 3;
 173                 pdg[0] = ma->q2p[pi[b->n_alleles]]; pdg[1] = ma->q2p[pi[1]]; pdg[2] = ma->q2p[pi[0]];
 174                 for (i = k = 0; i < b->n_alleles; ++i) {
 175                         p[i] += (int)pi[k];
 176                         k += b->n_alleles - i;
 177                 }
 178         }
 179         for (i = 0; i < b->n_alleles; ++i) p[i] = p[i]<<4 | i;
 180         for (i = 1; i < b->n_alleles; ++i) // insertion sort
 181                 for (j = i; j > 0 && p[j] < p[j-1]; --j)
 182                         tmp = p[j], p[j] = p[j-1], p[j-1] = tmp;
 183         for (i = b->n_alleles - 1; i >= 0; --i)
 184                 if ((p[i]&0xf) == 0) break;
 185         return i;
 186 }
 187 // f0 is the reference allele frequency
 188 static double mc_freq_iter(double f0, const bcf_p1aux_t *ma)
 189 {
 190         double f, f3[3];
 191         int i;
 192         f3[0] = (1.-f0)*(1.-f0); f3[1] = 2.*f0*(1.-f0); f3[2] = f0*f0;
 193         for (i = 0, f = 0.; i < ma->n; ++i) {
 194                 double *pdg;
 195                 pdg = ma->pdg + i * 3;
 196                 f += (pdg[1] * f3[1] + 2. * pdg[2] * f3[2])
 197                         / (pdg[0] * f3[0] + pdg[1] * f3[1] + pdg[2] * f3[2]);
 198         }
 199         f /= ma->n * 2.;
 200         return f;
 201 }
 202
 203 int bcf_p1_call_gt(const bcf_p1aux_t *ma, double f0, int k)
 204 {
 205         double sum, g[3];
 206         double max, f3[3], *pdg = ma->pdg + k * 3;
 207         int q, i, max_i;
 208         f3[0] = (1.-f0)*(1.-f0); f3[1] = 2.*f0*(1.-f0); f3[2] = f0*f0;
 209         for (i = 0, sum = 0.; i < 3; ++i)
 210                 sum += (g[i] = pdg[i] * f3[i]);
 211         for (i = 0, max = -1., max_i = 0; i < 3; ++i) {
 212                 g[i] /= sum;
 213                 if (g[i] > max) max = g[i], max_i = i;
 214         }
 215         max = 1. - max;
 216         if (max < 1e-308) max = 1e-308;
 217         q = (int)(-4.343 * log(max) + .499);
 218         if (q > 99) q = 99;
 219         return q<<2|max_i;
 220 }
 221
 222 #define TINY 1e-20
 223
 224 static void mc_cal_y_core(bcf_p1aux_t *ma, int beg)
 225 {
 226         double *z[2], *tmp, *pdg;
 227         int _j, last_min, last_max;
 228         z[0] = ma->z;
 229         z[1] = ma->zswap;
 230         pdg = ma->pdg;
 231         memset(z[0], 0, sizeof(double) * (ma->M + 1));
 232         memset(z[1], 0, sizeof(double) * (ma->M + 1));
 233         z[0][0] = 1.;
 234         last_min = last_max = 0;
 235         ma->t = 0.;
 236         for (_j = beg; _j < ma->n; ++_j) {
 237                 int k, j = _j - beg, _min = last_min, _max = last_max;
 238                 double p[3], sum;
 239                 pdg = ma->pdg + _j * 3;
 240                 p[0] = pdg[0]; p[1] = 2. * pdg[1]; p[2] = pdg[2];
 241                 for (; _min < _max && z[0][_min] < TINY; ++_min) z[0][_min] = z[1][_min] = 0.;
 242                 for (; _max > _min && z[0][_max] < TINY; --_max) z[0][_max] = z[1][_max] = 0.;
 243                 _max += 2;
 244                 if (_min == 0)
 245                         k = 0, z[1][k] = (2*j+2-k)*(2*j-k+1) * p[0] * z[0][k];
 246                 if (_min <= 1)
 247                         k = 1, z[1][k] = (2*j+2-k)*(2*j-k+1) * p[0] * z[0][k] + k*(2*j+2-k) * p[1] * z[0][k-1];
 248                 for (k = _min < 2? 2 : _min; k <= _max; ++k)
 249                         z[1][k] = (2*j+2-k)*(2*j-k+1) * p[0] * z[0][k]
 250                                 + k*(2*j+2-k) * p[1] * z[0][k-1]
 251                                 + k*(k-1)* p[2] * z[0][k-2];
 252                 for (k = _min, sum = 0.; k <= _max; ++k) sum += z[1][k];
 253                 ma->t += log(sum / ((2. * j + 2) * (2. * j + 1)));
 254                 for (k = _min; k <= _max; ++k) z[1][k] /= sum;
 255                 if (_min >= 1) z[1][_min-1] = 0.;
 256                 if (_min >= 2) z[1][_min-2] = 0.;
 257                 if (j < ma->n - 1) z[1][_max+1] = z[1][_max+2] = 0.;
 258                 if (_j == ma->n1 - 1) { // set pop1
 259                         ma->t1 = ma->t;
 260                         memcpy(ma->z1, z[1], sizeof(double) * (ma->n1 * 2 + 1));
 261                 }
 262                 tmp = z[0]; z[0] = z[1]; z[1] = tmp;
 263                 last_min = _min; last_max = _max;
 264         }
 265         if (z[0] != ma->z) memcpy(ma->z, z[0], sizeof(double) * (ma->M + 1));
 266 }
 267
 268 static void mc_cal_y(bcf_p1aux_t *ma)
 269 {
 270         if (ma->n1 > 0 && ma->n1 < ma->n) {
 271                 int k;
 272                 long double x;
 273                 memset(ma->z1, 0, sizeof(double) * (2 * ma->n1 + 1));
 274                 memset(ma->z2, 0, sizeof(double) * (2 * (ma->n - ma->n1) + 1));
 275                 ma->t1 = ma->t2 = 0.;
 276                 mc_cal_y_core(ma, ma->n1);
 277                 ma->t2 = ma->t;
 278                 memcpy(ma->z2, ma->z, sizeof(double) * (2 * (ma->n - ma->n1) + 1));
 279                 mc_cal_y_core(ma, 0);
 280                 // rescale z
 281                 x = expl(ma->t - (ma->t1 + ma->t2));
 282                 for (k = 0; k <= ma->M; ++k) ma->z[k] *= x;
 283         } else mc_cal_y_core(ma, 0);
 284 #ifdef _BCF_QUAD
 285 /*
 286         if (ma->n1 > 0 && ma->n1 < ma->n) { // DEBUG: consistency check; z[i] should equal y[i]
 287                 int i, k1, k2, n1 = ma->n1, n2 = ma->n - n1;
 288                 double *y;
 289                 printf("*** ");
 290                 y = calloc(ma->M + 1, sizeof(double));
 291                 for (k1 = 0; k1 <= 2*n1; ++k1)
 292                         for (k2 = 0; k2 <= 2*n2; ++k2)
 293                                 y[k1+k2] += ma->k1k2[k1*(2*n2+1)+k2] * ma->z1[k1] * ma->z2[k2];
 294                 for (i = 0; i <= ma->M; ++i) printf("(%lf,%lf) ", ma->z[i], y[i]);
 295                 printf("\n");
 296                 free(y);
 297         }
 298 */
 299 #endif
 300 }
 301
 302 static void contrast(bcf_p1aux_t *ma, double pc[4]) // mc_cal_y() must be called before hand
 303 {
 304         int k, n1 = ma->n1, n2 = ma->n - ma->n1;
 305         long double sum = -1., x, sum_alt;
 306         double y;
 307         pc[0] = pc[1] = pc[2] = pc[3] = -1.;
 308         if (n1 <= 0 || n2 <= 0) return;
 309 #ifdef _BCF_QUAD
 310         { // FIXME: can be improved by skipping zero cells
 311                 int k1, k2;
 312                 long double z[3];
 313                 z[0] = z[1] = z[2] = 0.;
 314                 for (k1 = 0; k1 <= 2*n1; ++k1)
 315                         for (k2 = 0; k2 <= 2*n2; ++k2) {
 316                                 double zz = ma->phi[k1+k2] * ma->z1[k1] * ma->z2[k2] * ma->k1k2[k1*(2*n2+1)+k2];
 317                                 if ((double)k1/n1 < (double)k2/n2) z[0] += zz;
 318                                 else if ((double)k1/n1 > (double)k2/n2) z[1] += zz;
 319                                 else z[2] += zz;
 320                         }
 321                 sum = z[0] + z[1] + z[2];
 322                 pc[2] = z[0] / sum; pc[3] = z[1] / sum;
 323         }
 324 #else
 325         pc[2] = pc[3] = 0.;
 326 #endif
 327         for (k = 0, sum_alt = 0.; k <= ma->M; ++k)
 328                 sum_alt += (long double)ma->phi[k] * ma->z[k];
 329 //      printf("* %lg, %lg *\n", (double)sum, (double)sum_alt); // DEBUG: sum should equal sum_alt
 330         sum = sum_alt;
 331         // the variant is specific to group2
 332 //      printf("%lg %lg %lg %lg\n", ma->z[2*(n1+n2)]/exp(ma->t - (ma->t1 + ma->t2)), ma->z1[2*n1], ma->z2[2*n2], (double)sum);
 333         y = lgamma(2*n2 + 1) - lgamma(ma->M + 1);
 334         for (k = 0, x = 0.; k < 2 * n2; ++k)
 335                 x += ma->phi[2*n1+k] * ma->z2[k] * expl(lgamma(2*n1 + k + 1) - lgamma(k + 1) + y);
 336         pc[1] = ma->z1[2*n1] * x / sum;
 337         for (k = 1, x = 0.; k <= 2 * n2; ++k)
 338                 x += ma->phi[k] * ma->z2[k] * expl(lgamma(ma->M - k + 1) - lgamma(2*n2 - k + 1) + y);
 339         pc[1] += ma->z1[0] * x / sum;
 340         // the variant is specific to group1
 341         y = lgamma(2*n1 + 1) - lgamma(ma->M + 1);
 342         for (k = 0, x = 0.; k < 2 * n1; ++k)
 343                 x += ma->phi[2*n2+k] * ma->z1[k] * expl(lgamma(2*n2 + k + 1) - lgamma(k + 1) + y);
 344         pc[0] = ma->z2[2*n2] * x / sum;
 345         for (k = 1, x = 0.; k <= 2 * n1; ++k)
 346                 x += ma->phi[k] * ma->z1[k] * expl(lgamma(ma->M - k + 1) - lgamma(2*n1 - k + 1) + y);
 347         pc[0] += ma->z2[0] * x / sum;
 348         // rescale
 349         for (k = 2; k < 4; ++k) {
 350                 y = 1. - pc[k];
 351                 if (y <= 0.) y = 1e-100;
 352                 pc[k] = (int)(-4.343 * log(y) + .499);
 353                 if (pc[k] > 99.) pc[k] = 99.;
 354         }
 355 }
 356
 357 static double mc_cal_afs(bcf_p1aux_t *ma)
 358 {
 359         int k;
 360         long double sum = 0.;
 361         memset(ma->afs1, 0, sizeof(double) * (ma->M + 1));
 362         mc_cal_y(ma);
 363         for (k = 0, sum = 0.; k <= ma->M; ++k)
 364                 sum += (long double)ma->phi[k] * ma->z[k];
 365         for (k = 0; k <= ma->M; ++k) {
 366                 ma->afs1[k] = ma->phi[k] * ma->z[k] / sum;
 367                 if (isnan(ma->afs1[k]) || isinf(ma->afs1[k])) return -1.;
 368         }
 369         for (k = 0, sum = 0.; k <= ma->M; ++k) {
 370                 ma->afs[k] += ma->afs1[k];
 371                 sum += k * ma->afs1[k];
 372         }
 373         return sum / ma->M;
 374 }
 375
 376 long double bcf_p1_cal_g3(bcf_p1aux_t *p1a, double g[3])
 377 {
 378         long double pd = 0., g2[3];
 379         int i, k;
 380         memset(g2, 0, sizeof(long double) * 3);
 381         for (k = 0; k < p1a->M; ++k) {
 382                 double f = (double)k / p1a->M, f3[3], g1[3];
 383                 long double z = 1.;
 384                 g1[0] = g1[1] = g1[2] = 0.;
 385                 f3[0] = (1. - f) * (1. - f); f3[1] = 2. * f * (1. - f); f3[2] = f * f;
 386                 for (i = 0; i < p1a->n; ++i) {
 387                         double *pdg = p1a->pdg + i * 3;
 388                         double x = pdg[0] * f3[0] + pdg[1] * f3[1] + pdg[2] * f3[2];
 389                         z *= x;
 390                         g1[0] += pdg[0] * f3[0] / x;
 391                         g1[1] += pdg[1] * f3[1] / x;
 392                         g1[2] += pdg[2] * f3[2] / x;
 393                 }
 394                 pd += p1a->phi[k] * z;
 395                 for (i = 0; i < 3; ++i)
 396                         g2[i] += p1a->phi[k] * z * g1[i];
 397         }
 398         for (i = 0; i < 3; ++i) g[i] = g2[i] / pd;
 399         return pd;
 400 }
 401
 402 int bcf_p1_cal(bcf1_t *b, bcf_p1aux_t *ma, bcf_p1rst_t *rst)
 403 {
 404         int i, k;
 405         long double sum = 0.;
 406         // set PL and PL_len
 407         for (i = 0; i < b->n_gi; ++i) {
 408                 if (b->gi[i].fmt == char2int("PL")) {
 409                         ma->PL = (uint8_t*)b->gi[i].data;
 410                         ma->PL_len = b->gi[i].len;
 411                         break;
 412                 }
 413         }
 414         if (b->n_alleles < 2) return -1; // FIXME: find a better solution
 415         //
 416         rst->rank0 = cal_pdg(b, ma);
 417         rst->f_exp = mc_cal_afs(ma);
 418         rst->p_ref = ma->afs1[ma->M];
 419         // calculate f_flat and f_em
 420         for (k = 0, sum = 0.; k <= ma->M; ++k)
 421                 sum += (long double)ma->z[k];
 422         rst->f_flat = 0.;
 423         for (k = 0; k <= ma->M; ++k) {
 424                 double p = ma->z[k] / sum;
 425                 rst->f_flat += k * p;
 426         }
 427         rst->f_flat /= ma->M;
 428         { // calculate f_em
 429                 double flast = rst->f_flat;
 430                 for (i = 0; i < MC_MAX_EM_ITER; ++i) {
 431                         rst->f_em = mc_freq_iter(flast, ma);
 432                         if (fabs(rst->f_em - flast) < MC_EM_EPS) break;
 433                         flast = rst->f_em;
 434                 }
 435         }
 436         rst->g[0] = rst->g[1] = rst->g[2] = -1.;
 437         contrast(ma, rst->pc);
 438 //      bcf_p1_cal_g3(ma, rst->g);
 439         return 0;
 440 }
 441
 442 void bcf_p1_dump_afs(bcf_p1aux_t *ma)
 443 {
 444         int k;
 445         fprintf(stderr, "[afs]");
 446         for (k = 0; k <= ma->M; ++k)
 447                 fprintf(stderr, " %d:%.3lf", k, ma->afs[ma->M - k]);
 448         fprintf(stderr, "\n");
 449         memset(ma->afs, 0, sizeof(double) * (ma->M + 1));
 450 }