src/jalview/analysis/AAFrequency.java

   1 /*
   2  * Jalview - A Sequence Alignment Editor and Viewer ($$Version-Rel$$)
   3  * Copyright (C) $$Year-Rel$$ The Jalview Authors
   4  *
   5  * This file is part of Jalview.
   6  *
   7  * Jalview is free software: you can redistribute it and/or
   8  * modify it under the terms of the GNU General Public License
   9  * as published by the Free Software Foundation, either version 3
  10  * of the License, or (at your option) any later version.
  11  *
  12  * Jalview is distributed in the hope that it will be useful, but
  13  * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty
  14  * of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR
  15  * PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
  16  *
  17  * You should have received a copy of the GNU General Public License
  18  * along with Jalview.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
  19  * The Jalview Authors are detailed in the 'AUTHORS' file.
  20  */
  21 package jalview.analysis;
  22
  23 import jalview.analysis.ResidueCount.SymbolCounts;
  24 import jalview.datamodel.AlignedCodonFrame;
  25 import jalview.datamodel.AlignmentAnnotation;
  26 import jalview.datamodel.AlignmentI;
  27 import jalview.datamodel.Annotation;
  28 import jalview.datamodel.SequenceI;
  29 import jalview.ext.android.SparseIntArray;
  30 import jalview.util.Comparison;
  31 import jalview.util.Format;
  32 import jalview.util.MappingUtils;
  33 import jalview.util.QuickSort;
  34
  35 import java.util.Arrays;
  36 import java.util.Hashtable;
  37 import java.util.List;
  38
  39 /**
  40  * Takes in a vector or array of sequences and column start and column end and
  41  * returns a new Hashtable[] of size maxSeqLength, if Hashtable not supplied.
  42  * This class is used extensively in calculating alignment colourschemes that
  43  * depend on the amount of conservation in each alignment column.
  44  *
  45  * @author $author$
  46  * @version $Revision$
  47  */
  48 public class AAFrequency
  49 {
  50   public static final String MAXCOUNT = "C";
  51
  52   public static final String MAXRESIDUE = "R";
  53
  54   public static final String PID_GAPS = "G";
  55
  56   public static final String PID_NOGAPS = "N";
  57
  58   public static final String PROFILE = "P";
  59
  60   public static final String ENCODED_CHARS = "E";
  61
  62   /*
  63    * Quick look-up of String value of char 'A' to 'Z'
  64    */
  65   private static final String[] CHARS = new String['Z' - 'A' + 1];
  66
  67   static
  68   {
  69     for (char c = 'A'; c <= 'Z'; c++)
  70     {
  71       CHARS[c - 'A'] = String.valueOf(c);
  72     }
  73   }
  74
  75   public static final Profile[] calculate(List<SequenceI> list,
  76           int start, int end)
  77   {
  78     return calculate(list, start, end, false);
  79   }
  80
  81   public static final Profile[] calculate(List<SequenceI> sequences,
  82           int start, int end, boolean profile)
  83   {
  84     SequenceI[] seqs = new SequenceI[sequences.size()];
  85     int width = 0;
  86     synchronized (sequences)
  87     {
  88       for (int i = 0; i < sequences.size(); i++)
  89       {
  90         seqs[i] = sequences.get(i);
  91         if (seqs[i].getLength() > width)
  92         {
  93           width = seqs[i].getLength();
  94         }
  95       }
  96
  97       Profile[] reply = new Profile[width];
  98
  99       if (end >= width)
 100       {
 101         end = width;
 102       }
 103
 104       calculate(seqs, start, end, reply, profile);
 105       return reply;
 106     }
 107   }
 108
 109   /**
 110    * Calculate the consensus symbol(s) for each column in the given range.
 111    *
 112    * @param sequences
 113    * @param start
 114    * @param end
 115    * @param result
 116    *          array in which to store profile per column
 117    * @param saveFullProfile
 118    *          if true, store all symbol counts
 119    */
 120   public static final void calculate(final SequenceI[] sequences,
 121           int start, int end, Profile[] result, boolean saveFullProfile)
 122   {
 123     // long now = System.currentTimeMillis();
 124     int seqCount = sequences.length;
 125     boolean nucleotide = false;
 126     int nucleotideCount = 0;
 127     int peptideCount = 0;
 128
 129     for (int column = start; column < end; column++)
 130     {
 131       /*
 132        * Apply a heuristic to detect nucleotide data (which can
 133        * be counted in more compact arrays); here we test for
 134        * more than 90% nucleotide; recheck every 10 columns in case
 135        * of misleading data e.g. highly conserved Alanine in peptide!
 136        * Mistakenly guessing nucleotide has a small performance cost,
 137        * as it will result in counting in sparse arrays.
 138        * Mistakenly guessing peptide has a small space cost,
 139        * as it will use a larger than necessary array to hold counts.
 140        */
 141       if (nucleotideCount > 100 && column % 10 == 0)
 142       {
 143         nucleotide = (9 * peptideCount < nucleotideCount);
 144       }
 145       ResidueCount residueCounts = new ResidueCount(nucleotide);
 146
 147       for (int row = 0; row < seqCount; row++)
 148       {
 149         if (sequences[row] == null)
 150         {
 151           System.err
 152                   .println("WARNING: Consensus skipping null sequence - possible race condition.");
 153           continue;
 154         }
 155         char[] seq = sequences[row].getSequence();
 156         if (seq.length > column)
 157         {
 158           char c = seq[column];
 159           residueCounts.add(c);
 160           if (Comparison.isNucleotide(c))
 161           {
 162             nucleotideCount++;
 163           }
 164           else if (!Comparison.isGap(c))
 165           {
 166             peptideCount++;
 167           }
 168         }
 169         else
 170         {
 171           /*
 172            * here we count a gap if the sequence doesn't
 173            * reach this column (is that correct?)
 174            */
 175           residueCounts.addGap();
 176         }
 177       }
 178
 179       int maxCount = residueCounts.getModalCount();
 180       String maxResidue = residueCounts.getResiduesForCount(maxCount);
 181       int gapCount = residueCounts.getGapCount();
 182       Profile profile = new Profile(seqCount, gapCount, maxCount,
 183               maxResidue);
 184
 185       if (saveFullProfile)
 186       {
 187         profile.setCounts(residueCounts);
 188       }
 189
 190       result[column] = profile;
 191     }
 192     // long elapsed = System.currentTimeMillis() - now;
 193     // System.out.println(elapsed);
 194   }
 195
 196   /**
 197    * Make an estimate of the profile size we are going to compute i.e. how many
 198    * different characters may be present in it. Overestimating has a cost of
 199    * using more memory than necessary. Underestimating has a cost of needing to
 200    * extend the SparseIntArray holding the profile counts.
 201    *
 202    * @param profileSizes
 203    *          counts of sizes of profiles so far encountered
 204    * @return
 205    */
 206   static int estimateProfileSize(SparseIntArray profileSizes)
 207   {
 208     if (profileSizes.size() == 0)
 209     {
 210       return 4;
 211     }
 212
 213     /*
 214      * could do a statistical heuristic here e.g. 75%ile
 215      * for now just return the largest value
 216      */
 217     return profileSizes.keyAt(profileSizes.size() - 1);
 218   }
 219
 220   /**
 221    * Derive the consensus annotations to be added to the alignment for display.
 222    * This does not recompute the raw data, but may be called on a change in
 223    * display options, such as 'show logo', which may in turn result in a change
 224    * in the derived values.
 225    *
 226    * @param consensus
 227    *          the annotation row to add annotations to
 228    * @param profiles
 229    *          the source consensus data
 230    * @param iStart
 231    *          start column
 232    * @param width
 233    *          end column
 234    * @param ignoreGaps
 235    *          if true, normalise residue percentages ignoring gaps
 236    * @param showSequenceLogo
 237    *          if true include all consensus symbols, else just show modal
 238    *          residue
 239    * @param nseq
 240    *          number of sequences
 241    */
 242   public static void completeConsensus(AlignmentAnnotation consensus,
 243           Profile[] profiles, int iStart, int width, boolean ignoreGaps,
 244           boolean showSequenceLogo, long nseq)
 245   {
 246     // long now = System.currentTimeMillis();
 247     if (consensus == null || consensus.annotations == null
 248             || consensus.annotations.length < width)
 249     {
 250       /*
 251        * called with a bad alignment annotation row
 252        * wait for it to be initialised properly
 253        */
 254       return;
 255     }
 256
 257     final int dp = getPercentageDp(nseq);
 258
 259     for (int i = iStart; i < width; i++)
 260     {
 261       Profile profile;
 262       if (i >= profiles.length || ((profile = profiles[i]) == null))
 263       {
 264         /*
 265          * happens if sequences calculated over were
 266          * shorter than alignment width
 267          */
 268         consensus.annotations[i] = null;
 269         continue;
 270       }
 271
 272       float value = profile.getPercentageIdentity(ignoreGaps);
 273
 274       String description = getTooltip(profile, value, showSequenceLogo,
 275               ignoreGaps, dp);
 276
 277       consensus.annotations[i] = new Annotation(profile.getModalResidue(),
 278               description, ' ', value);
 279     }
 280     // long elapsed = System.currentTimeMillis() - now;
 281     // System.out.println(-elapsed);
 282   }
 283
 284   /**
 285    * Returns a tooltip showing either
 286    * <ul>
 287    * <li>the full profile (percentages of all residues present), if
 288    * showSequenceLogo is true, or</li>
 289    * <li>just the modal (most common) residue(s), if showSequenceLogo is false</li>
 290    * </ul>
 291    * Percentages are as a fraction of all sequence, or only ungapped sequences
 292    * if ignoreGaps is true.
 293    *
 294    * @param profile
 295    * @param pid
 296    * @param showSequenceLogo
 297    * @param ignoreGaps
 298    * @param dp
 299    *          the number of decimal places to format percentages to
 300    * @return
 301    */
 302   static String getTooltip(Profile profile, float pid,
 303           boolean showSequenceLogo, boolean ignoreGaps, int dp)
 304   {
 305     ResidueCount counts = profile.getCounts();
 306
 307     String description = null;
 308     if (counts != null && showSequenceLogo)
 309     {
 310       int normaliseBy = ignoreGaps ? profile.getNonGapped() : profile
 311               .getHeight();
 312       description = counts.getTooltip(normaliseBy, dp);
 313     }
 314     else
 315     {
 316       StringBuilder sb = new StringBuilder(64);
 317       String maxRes = profile.getModalResidue();
 318       if (maxRes.length() > 1)
 319       {
 320         sb.append("[").append(maxRes).append("] ");
 321         maxRes = "+";
 322       }
 323       else
 324       {
 325         sb.append(maxRes).append(" ");
 326       }
 327       Format.appendPercentage(sb, pid, dp);
 328       sb.append("%");
 329       description = sb.toString();
 330     }
 331     return description;
 332   }
 333
 334   /**
 335    * Returns the sorted profile for the given consensus data. The returned array
 336    * contains
 337    *
 338    * <pre>
 339    *    [profileType, numberOfValues, nonGapCount, charValue1, percentage1, charValue2, percentage2, ...]
 340    * in descending order of percentage value
 341    * </pre>
 342    *
 343    * @param profile
 344    *          the data object from which to extract and sort values
 345    * @param ignoreGaps
 346    *          if true, only non-gapped values are included in percentage
 347    *          calculations
 348    * @return
 349    */
 350   public static int[] extractProfile(Profile profile,
 351           boolean ignoreGaps)
 352   {
 353     int[] rtnval = new int[64];
 354     ResidueCount counts = profile.getCounts();
 355     if (counts == null)
 356     {
 357       return null;
 358     }
 359
 360     SymbolCounts symbolCounts = counts.getSymbolCounts();
 361     char[] symbols = symbolCounts.symbols;
 362     int[] values = symbolCounts.values;
 363     QuickSort.sort(values, symbols);
 364     int nextArrayPos = 2;
 365     int totalPercentage = 0;
 366     // FIXME what if all gapped (divisor is zero)?
 367     final int divisor = ignoreGaps ? profile.getNonGapped() : profile
 368             .getHeight();
 369
 370     /*
 371      * traverse the arrays in reverse order (highest counts first)
 372      */
 373     for (int i = symbols.length - 1; i >= 0; i--)
 374     {
 375       int theChar = symbols[i];
 376       int charCount = values[i];
 377
 378       rtnval[nextArrayPos++] = theChar;
 379       final int percentage = (charCount * 100) / divisor;
 380       rtnval[nextArrayPos++] = percentage;
 381       totalPercentage += percentage;
 382     }
 383     rtnval[0] = symbols.length;
 384     rtnval[1] = totalPercentage;
 385     int[] result = new int[rtnval.length + 1];
 386     result[0] = AlignmentAnnotation.SEQUENCE_PROFILE;
 387     System.arraycopy(rtnval, 0, result, 1, rtnval.length);
 388
 389     return result;
 390   }
 391
 392   /**
 393    * Extract a sorted extract of cDNA codon profile data. The returned array
 394    * contains
 395    *
 396    * <pre>
 397    *    [profileType, numberOfValues, totalCount, charValue1, percentage1, charValue2, percentage2, ...]
 398    * in descending order of percentage value, where the character values encode codon triplets
 399    * </pre>
 400    *
 401    * @param hashtable
 402    * @return
 403    */
 404   public static int[] extractCdnaProfile(Hashtable hashtable,
 405           boolean ignoreGaps)
 406   {
 407     // this holds #seqs, #ungapped, and then codon count, indexed by encoded
 408     // codon triplet
 409     int[] codonCounts = (int[]) hashtable.get(PROFILE);
 410     int[] sortedCounts = new int[codonCounts.length - 2];
 411     System.arraycopy(codonCounts, 2, sortedCounts, 0,
 412             codonCounts.length - 2);
 413
 414     int[] result = new int[3 + 2 * sortedCounts.length];
 415     // first value is just the type of profile data
 416     result[0] = AlignmentAnnotation.CDNA_PROFILE;
 417
 418     char[] codons = new char[sortedCounts.length];
 419     for (int i = 0; i < codons.length; i++)
 420     {
 421       codons[i] = (char) i;
 422     }
 423     QuickSort.sort(sortedCounts, codons);
 424     int totalPercentage = 0;
 425     int distinctValuesCount = 0;
 426     int j = 3;
 427     int divisor = ignoreGaps ? codonCounts[1] : codonCounts[0];
 428     for (int i = codons.length - 1; i >= 0; i--)
 429     {
 430       final int codonCount = sortedCounts[i];
 431       if (codonCount == 0)
 432       {
 433         break; // nothing else of interest here
 434       }
 435       distinctValuesCount++;
 436       result[j++] = codons[i];
 437       final int percentage = codonCount * 100 / divisor;
 438       result[j++] = percentage;
 439       totalPercentage += percentage;
 440     }
 441     result[2] = totalPercentage;
 442
 443     /*
 444      * Just return the non-zero values
 445      */
 446     // todo next value is redundant if we limit the array to non-zero counts
 447     result[1] = distinctValuesCount;
 448     return Arrays.copyOfRange(result, 0, j);
 449   }
 450
 451   /**
 452    * Compute a consensus for the cDNA coding for a protein alignment.
 453    *
 454    * @param alignment
 455    *          the protein alignment (which should hold mappings to cDNA
 456    *          sequences)
 457    * @param hconsensus
 458    *          the consensus data stores to be populated (one per column)
 459    */
 460   public static void calculateCdna(AlignmentI alignment,
 461           Hashtable[] hconsensus)
 462   {
 463     final char gapCharacter = alignment.getGapCharacter();
 464     List<AlignedCodonFrame> mappings = alignment.getCodonFrames();
 465     if (mappings == null || mappings.isEmpty())
 466     {
 467       return;
 468     }
 469
 470     int cols = alignment.getWidth();
 471     for (int col = 0; col < cols; col++)
 472     {
 473       // todo would prefer a Java bean for consensus data
 474       Hashtable<String, int[]> columnHash = new Hashtable<String, int[]>();
 475       // #seqs, #ungapped seqs, counts indexed by (codon encoded + 1)
 476       int[] codonCounts = new int[66];
 477       codonCounts[0] = alignment.getSequences().size();
 478       int ungappedCount = 0;
 479       for (SequenceI seq : alignment.getSequences())
 480       {
 481         if (seq.getCharAt(col) == gapCharacter)
 482         {
 483           continue;
 484         }
 485         List<char[]> codons = MappingUtils
 486                 .findCodonsFor(seq, col, mappings);
 487         for (char[] codon : codons)
 488         {
 489           int codonEncoded = CodingUtils.encodeCodon(codon);
 490           if (codonEncoded >= 0)
 491           {
 492             codonCounts[codonEncoded + 2]++;
 493             ungappedCount++;
 494           }
 495         }
 496       }
 497       codonCounts[1] = ungappedCount;
 498       // todo: sort values here, save counts and codons?
 499       columnHash.put(PROFILE, codonCounts);
 500       hconsensus[col] = columnHash;
 501     }
 502   }
 503
 504   /**
 505    * Derive displayable cDNA consensus annotation from computed consensus data.
 506    *
 507    * @param consensusAnnotation
 508    *          the annotation row to be populated for display
 509    * @param consensusData
 510    *          the computed consensus data
 511    * @param showProfileLogo
 512    *          if true show all symbols present at each position, else only the
 513    *          modal value
 514    * @param nseqs
 515    *          the number of sequences in the alignment
 516    */
 517   public static void completeCdnaConsensus(
 518           AlignmentAnnotation consensusAnnotation,
 519           Hashtable[] consensusData, boolean showProfileLogo, int nseqs)
 520   {
 521     if (consensusAnnotation == null
 522             || consensusAnnotation.annotations == null
 523             || consensusAnnotation.annotations.length < consensusData.length)
 524     {
 525       // called with a bad alignment annotation row - wait for it to be
 526       // initialised properly
 527       return;
 528     }
 529
 530     // ensure codon triplet scales with font size
 531     consensusAnnotation.scaleColLabel = true;
 532     for (int col = 0; col < consensusData.length; col++)
 533     {
 534       Hashtable hci = consensusData[col];
 535       if (hci == null)
 536       {
 537         // gapped protein column?
 538         continue;
 539       }
 540       // array holds #seqs, #ungapped, then codon counts indexed by codon
 541       final int[] codonCounts = (int[]) hci.get(PROFILE);
 542       int totalCount = 0;
 543
 544       /*
 545        * First pass - get total count and find the highest
 546        */
 547       final char[] codons = new char[codonCounts.length - 2];
 548       for (int j = 2; j < codonCounts.length; j++)
 549       {
 550         final int codonCount = codonCounts[j];
 551         codons[j - 2] = (char) (j - 2);
 552         totalCount += codonCount;
 553       }
 554
 555       /*
 556        * Sort array of encoded codons by count ascending - so the modal value
 557        * goes to the end; start by copying the count (dropping the first value)
 558        */
 559       int[] sortedCodonCounts = new int[codonCounts.length - 2];
 560       System.arraycopy(codonCounts, 2, sortedCodonCounts, 0,
 561               codonCounts.length - 2);
 562       QuickSort.sort(sortedCodonCounts, codons);
 563
 564       int modalCodonEncoded = codons[codons.length - 1];
 565       int modalCodonCount = sortedCodonCounts[codons.length - 1];
 566       String modalCodon = String.valueOf(CodingUtils
 567               .decodeCodon(modalCodonEncoded));
 568       if (sortedCodonCounts.length > 1
 569               && sortedCodonCounts[codons.length - 2] == sortedCodonCounts[codons.length - 1])
 570       {
 571         /*
 572          * two or more codons share the modal count
 573          */
 574         modalCodon = "+";
 575       }
 576       float pid = sortedCodonCounts[sortedCodonCounts.length - 1] * 100
 577               / (float) totalCount;
 578
 579       /*
 580        * todo ? Replace consensus hashtable with sorted arrays of codons and
 581        * counts (non-zero only). Include total count in count array [0].
 582        */
 583
 584       /*
 585        * Scan sorted array backwards for most frequent values first. Show
 586        * repeated values compactly.
 587        */
 588       StringBuilder mouseOver = new StringBuilder(32);
 589       StringBuilder samePercent = new StringBuilder();
 590       String percent = null;
 591       String lastPercent = null;
 592       int percentDecPl = getPercentageDp(nseqs);
 593
 594       for (int j = codons.length - 1; j >= 0; j--)
 595       {
 596         int codonCount = sortedCodonCounts[j];
 597         if (codonCount == 0)
 598         {
 599           /*
 600            * remaining codons are 0% - ignore, but finish off the last one if
 601            * necessary
 602            */
 603           if (samePercent.length() > 0)
 604           {
 605             mouseOver.append(samePercent).append(": ").append(percent)
 606                     .append("% ");
 607           }
 608           break;
 609         }
 610         int codonEncoded = codons[j];
 611         final int pct = codonCount * 100 / totalCount;
 612         String codon = String
 613                 .valueOf(CodingUtils.decodeCodon(codonEncoded));
 614         StringBuilder sb = new StringBuilder();
 615         Format.appendPercentage(sb, pct, percentDecPl);
 616         percent = sb.toString();
 617         if (showProfileLogo || codonCount == modalCodonCount)
 618         {
 619           if (percent.equals(lastPercent) && j > 0)
 620           {
 621             samePercent.append(samePercent.length() == 0 ? "" : ", ");
 622             samePercent.append(codon);
 623           }
 624           else
 625           {
 626             if (samePercent.length() > 0)
 627             {
 628               mouseOver.append(samePercent).append(": ")
 629                       .append(lastPercent).append("% ");
 630             }
 631             samePercent.setLength(0);
 632             samePercent.append(codon);
 633           }
 634           lastPercent = percent;
 635         }
 636       }
 637
 638       consensusAnnotation.annotations[col] = new Annotation(modalCodon,
 639               mouseOver.toString(), ' ', pid);
 640     }
 641   }
 642
 643   /**
 644    * Returns the number of decimal places to show for profile percentages. For
 645    * less than 100 sequences, returns zero (the integer percentage value will be
 646    * displayed). For 100-999 sequences, returns 1, for 1000-9999 returns 2, etc.
 647    *
 648    * @param nseq
 649    * @return
 650    */
 651   protected static int getPercentageDp(long nseq)
 652   {
 653     int scale = 0;
 654     while (nseq >= 100)
 655     {
 656       scale++;
 657       nseq /= 10;
 658     }
 659     return scale;
 660   }
 661 }