Wrapper for Clustal Omega.
[jabaws.git] / binaries / src / clustalo / src / squid / aligneval.c
diff --git a/binaries/src/clustalo/src/squid/aligneval.c b/binaries/src/clustalo/src/squid/aligneval.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..52fef61
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,527 @@
+/*****************************************************************
+ * SQUID - a library of functions for biological sequence analysis
+ * Copyright (C) 1992-2002 Washington University School of Medicine
+ * 
+ *     This source code is freely distributed under the terms of the
+ *     GNU General Public License. See the files COPYRIGHT and LICENSE
+ *     for details.
+ *****************************************************************/
+
+/* aligneval.c
+ * 
+ * Comparison of multiple alignments. Three functions are
+ * provided, using subtly different scoring schemes:
+ *    CompareMultAlignments()    - basic scoring scheme
+ *    CompareRefMultAlignments() - only certain "canonical" columns 
+ *                                 are scored
+ *                                 
+ * The similarity measure is a fractional alignment identity averaged
+ * over all sequence pairs. The score for all pairs is:
+ *      (identically aligned symbols) / (total aligned columns in 
+ *      known alignment)
+ *      
+ * A column c is identically aligned for sequences i, j if:
+ *    1) both i,j have a symbol aligned in column c, and the
+ *       same pair of symbols is aligned somewhere in the test
+ *       alignment
+ *    2) S[i][c] is aligned to a gap in sequence j, and that symbol
+ *       is aligned to a gap in the test alignment
+ *    3) converse of 2)
+ *    
+ *    
+ * The algorithm is as follows:
+ *    1) For each known/test aligned pair of sequences (k1,k2 and t1,t2)
+ *        construct a list for each sequence, in which for every
+ *        counted symbol we record the raw index of the symbol in
+ *        the other sequence that it aligns to, or -1 if it aligns
+ *        to a gap or uncounted symbol.
+ *        
+ *    2)  Compare the list for k1 to the list for t1 and count an identity 
+ *        for each correct alignment.
+ *        
+ *    3) Repeat 2) for comparing k2 to t2. Note that this means correct sym/sym
+ *       alignments count for 2; correct sym/gap alignments count for 1.
+ *    
+ *    4) The score is (identities from 2 + identities from 3) / 
+ *       (totals from 2 + totals from 3).
+ *
+ * Written originally for koala's ss2 pairwise alignment package.
+ * 
+ * Sean Eddy, Sun Nov  1 12:45:11 1992
+ * SRE, Thu Jul 29 16:47:18 1993: major revision: all functions replaced by new algorithm
+ * CVS $Id: aligneval.c,v 1.7 2002/10/09 14:26:09 eddy Exp)
+ */
+
+
+#include <stdio.h>
+#include <string.h>
+#include <ctype.h>
+#include "squid.h"
+#include "sre_random.h"
+
+static int make_alilist(char *s1, char *s2, int **ret_s1_list, int *ret_listlen);
+static int make_ref_alilist(int *refcoords, char *k1, char *k2, char *s1, char *s2, 
+                           int **ret_s1_list, int *ret_listlen);
+static int compare_lists(int *k1, int *k2, int *t1, int *t2, int len1, int len2, float *ret_sc);
+
+
+/* Function: ComparePairAlignments
+ * 
+ * Purpose:  Calculate and return a number representing how well two different alignments
+ *           of a pair of sequences compare. The number is, roughly speaking,
+ *           the fraction of columns which are identically aligned.
+ * 
+ *           For all columns c in which either known1[c] or known2[c] 
+ *           is a non-gap, count an identity if those same symbols are
+ *           aligned somewhere in calc1/calc2. The score is identities/total
+ *           columns examined. (i.e. fully gapped columns don't count)
+ * 
+ *           more explicitly, identities come from:
+ *             both known and test aligned pairs have the same symbol in the first sequence aligned to
+ *               a gap in the second sequence;
+ *             both known and test aligned pairs have the same symbol in the second sequence
+ *               aligned to a gap in the first sequence;
+ *             the known alignment has symbols aligned at this column, and the test
+ *               alignment aligns the same two symbols.
+ * 
+ * Args:     known1, known2: trusted alignment of two sequences
+ *           calc1, calc2:   test alignment of two sequences
+ *  
+ * Return:   Returns -1.0 on internal failure.
+ */
+float
+ComparePairAlignments(char *known1, char *known2, char *calc1, char *calc2)
+{
+  int *klist1;
+  int *klist2;
+  int *tlist1;
+  int *tlist2;
+  int len1, len2;
+  float score;
+
+  if (! make_alilist(calc1,  calc2,  &tlist1, &len1)) return -1.0;
+  if (! make_alilist(calc2,  calc1,  &tlist2, &len2)) return -1.0;
+  if (! make_alilist(known1, known2, &klist1, &len1)) return -1.0;
+  if (! make_alilist(known2, known1, &klist2, &len2)) return -1.0;
+  if (! compare_lists(klist1, klist2, tlist1, tlist2, len1, len2, &score)) return -1.0;
+  
+  free(klist1);
+  free(klist2);
+  free(tlist1);
+  free(tlist2);
+  return score;
+}
+
+
+
+/* Function: CompareRefPairAlignments()
+ * 
+ * Same as above, but the only columns that count are the ones
+ * with indices in *refcoord. *refcoord and the known1, known2
+ * pair must be in sync with each other (come from the same
+ * multiple sequence alignment)
+ *
+ * Args:     ref           - 0..alen-1 array of 1 or 0 
+ *           known1,known2 - trusted alignment
+ *           calc1, calc2  - test alignment           
+ *
+ * Return:  the fractional alignment identity on success, -1.0 on failure.
+ */
+float
+CompareRefPairAlignments(int  *ref, char *known1, char *known2, char *calc1, char *calc2)
+{
+  int *klist1;
+  int *klist2;
+  int *tlist1;
+  int *tlist2;
+  int len1, len2;
+  float score;
+
+  if (! make_ref_alilist(ref, known1, known2, calc1,  calc2,  &tlist1, &len1)) return -1.0;
+  if (! make_ref_alilist(ref, known2, known1, calc2,  calc1,  &tlist2, &len2)) return -1.0;
+  if (! make_ref_alilist(ref, known1, known2, known1, known2, &klist1, &len1)) return -1.0;
+  if (! make_ref_alilist(ref, known2, known1, known2, known1, &klist2, &len2)) return -1.0;
+  if (! compare_lists(klist1, klist2, tlist1, tlist2, len1, len2, &score)) return -1.0;
+  
+  free(klist1);
+  free(klist2);
+  free(tlist1);
+  free(tlist2);
+  return score;
+}
+
+/* Function: make_alilist()
+ * 
+ * Purpose:  Construct a list (array) mapping the raw symbols of s1
+ *           onto the indexes of the aligned symbols in s2 (or -1
+ *           for gaps in s2). The list (s1_list) will be of the
+ *           length of s1's raw sequence.
+ *           
+ * Args:     s1          - sequence to construct the list for
+ *           s2          - sequence s1 is aligned to
+ *           ret_s1_list - RETURN: the constructed list (caller must free)
+ *           ret_listlen - RETURN: length of the list
+ *           
+ * Returns:  1 on success, 0 on failure
+ */
+static int
+make_alilist(char *s1, char *s2, int **ret_s1_list, int *ret_listlen)
+{
+  int *s1_list;
+  int  col;                    /* column position in alignment */
+  int  r1, r2;                 /* raw symbol index at current col in s1, s2 */
+  
+  /* Malloc for s1_list. It can't be longer than s1 itself; we just malloc
+   * for that (and waste a wee bit of space)
+   */
+  s1_list = (int *) MallocOrDie (sizeof(int) * strlen(s1));
+  r1 = r2 = 0;
+  for (col = 0; s1[col] != '\0'; col++)
+    {
+      /* symbol in s1? Record what it's aligned to, and bump
+       * the r1 counter.
+       */
+      if (! isgap(s1[col]))
+       {
+         s1_list[r1] = isgap(s2[col]) ? -1 : r2;
+         r1++;
+       }
+
+      /* symbol in s2? bump the r2 counter
+       */
+      if (! isgap(s2[col]))
+       r2++;
+    }
+
+  *ret_listlen = r1;
+  *ret_s1_list = s1_list;
+  return 1;
+}
+
+
+
+/* Function: make_ref_alilist()
+ * 
+ * Purpose:  Construct a list (array) mapping the raw symbols of s1
+ *           which are under canonical columns of the ref alignment
+ *           onto the indexes of the aligned symbols in s2 (or -1
+ *           for gaps in s2 or noncanonical symbols in s2). 
+ *           
+ * Args:     ref:        - array of indices of canonical coords (1 canonical, 0 non)
+ *           k1          - s1's known alignment (w/ respect to refcoords)
+ *           k2          - s2's known alignment (w/ respect to refcoords)
+ *           s1          - sequence to construct the list for
+ *           s2          - sequence s1 is aligned to
+ *           ret_s1_list - RETURN: the constructed list (caller must free)
+ *           ret_listlen - RETURN: length of the list
+ *           
+ * Returns:  1 on success, 0 on failure
+ */
+/*ARGSUSED*/
+static int
+make_ref_alilist(int *ref, char *k1, char *k2,
+                char *s1, char *s2, int **ret_s1_list, int *ret_listlen)
+{
+  int *s1_list;
+  int  col;                    /* column position in alignment */
+  int  r1, r2;                 /* raw symbol index at current col in s1, s2 */
+  int *canons1;                        /* flag array, 1 if position i in s1 raw seq is canonical */
+  int  lpos;                   /* position in list */
+  
+  /* Allocations. No arrays can exceed the length of their
+   * appropriate parent (s1 or s2)
+   */
+  s1_list = (int *) MallocOrDie (sizeof(int) * strlen(s1));
+  canons1 = (int *) MallocOrDie (sizeof(int) * strlen(s1));
+
+  /* First we use refcoords and k1,k2 to construct an array of 1's 
+   * and 0's, telling us whether s1's raw symbol number i is countable.
+   * It's countable simply if it's under a canonical column.
+   */
+  r1 =  0;
+  for (col = 0; k1[col] != '\0'; col++)
+    {
+      if (! isgap(k1[col]))
+       {
+         canons1[r1] = ref[col] ? 1 : 0;
+         r1++;
+       }
+    }
+
+  /* Now we can construct the list. We don't count pairs if the sym in s1
+   * is non-canonical.
+   * We have to keep separate track of our position in the list (lpos)
+   * from our positions in the raw sequences (r1,r2)
+   */
+  r1 = r2 = lpos = 0;
+  for (col = 0; s1[col] != '\0'; col++)
+    {
+      if (! isgap(s1[col]) && canons1[r1])
+       {
+         s1_list[lpos] = isgap(s2[col]) ? -1 : r2;
+         lpos++;
+       }
+      
+      if (! isgap(s1[col]))
+       r1++;
+      if (! isgap(s2[col]))
+       r2++;
+    }
+
+  free(canons1);
+  *ret_listlen = lpos;
+  *ret_s1_list = s1_list;
+  return 1;
+}
+
+/* Function: compare_lists()
+ * 
+ * Purpose:  Given four alignment lists (k1,k2, t1,t2), calculate the
+ *           alignment score.
+ *           
+ * Args:     k1   - list of k1's alignment to k2
+ *           k2   - list of k2's alignment to k1
+ *           t1   - list of t1's alignment to t2
+ *           t2   - list of t2's alignment to t2
+ *           len1 - length of k1, t1 lists (same by definition)
+ *           len2 - length of k2, t2 lists (same by definition)
+ *           ret_sc - RETURN: identity score of alignment
+ *
+ * Return:   1 on success, 0 on failure.
+ */           
+static int
+compare_lists(int *k1, int *k2, int *t1, int *t2, int len1, int len2, float *ret_sc)
+{
+  float id;
+  float tot;
+  int   i;
+
+  id = tot = 0.0;
+  for (i = 0; i < len1; i++)
+    {
+      tot += 1.0;
+      if (t1[i] == k1[i]) id += 1.0;
+    }
+
+  for ( i = 0; i < len2; i++)
+    {
+      tot += 1.0;
+      if (k2[i] == t2[i]) id += 1.0;
+    }
+
+  *ret_sc = id / tot;
+  return 1;
+}
+
+
+/* Function: CompareMultAlignments
+ * 
+ * Purpose:  Invokes pairwise alignment comparison for every possible pair,
+ *           and returns the average score over all N(N-1) of them or -1.0
+ *           on an internal failure.
+ * 
+ *           Can be slow for large N, since it's quadratic.
+ *
+ * Args:     kseqs  - trusted multiple alignment
+ *           tseqs  - test multiple alignment
+ *           N      - number of sequences
+ *           
+ * Return:   average identity score, or -1.0 on failure.          
+ */
+float
+CompareMultAlignments(char **kseqs, char **tseqs, int N)
+{
+  int    i, j;                 /* counters for sequences */
+  float  score;
+  float  tot_score = 0.0;
+                               /* do all pairwise comparisons */
+  for (i = 0; i < N; i++)
+    for (j = i+1; j < N; j++)
+      {
+       score = ComparePairAlignments(kseqs[i], kseqs[j], tseqs[i], tseqs[j]);
+       if (score < 0.0) return -1.0;
+       tot_score += score;
+      }
+  return ((tot_score * 2.0) / ((float) N * ((float) N - 1.0)));
+}
+
+
+
+/* Function: CompareRefMultAlignments()
+ * 
+ * Purpose:  Same as above, except an array of reference coords for
+ *           the canonical positions of the known alignment is also
+ *           provided.
+ *
+ * Args:     ref      : 0..alen-1 array of 1/0 flags, 1 if canon
+ *           kseqs    : trusted alignment
+ *           tseqs    : test alignment
+ *           N        : number of sequences
+ *
+ * Return:   average identity score, or -1.0 on failure
+ */
+float
+CompareRefMultAlignments(int   *ref, char **kseqs, char **tseqs, int N)
+{
+  int    i, j;                 /* counters for sequences */
+  float  score;
+  float  tot_score = 0.0;
+  
+                               /* do all pairwise comparisons */
+  for (i = 0; i < N; i++)
+    for (j = i+1; j < N; j++)
+      {
+       score = CompareRefPairAlignments(ref, kseqs[i], kseqs[j], tseqs[i], tseqs[j]);
+       if (score < 0.0) return -1.0;
+       tot_score += score;
+      }
+  return ((tot_score * 2.0)/ ((float) N * ((float) N - 1.0)));
+}
+
+/* Function: PairwiseIdentity()
+ * 
+ * Purpose:  Calculate the pairwise fractional identity between
+ *           two aligned sequences s1 and s2. This is simply
+ *           (idents / MIN(len1, len2)).
+ *
+ *           Note how many ways there are to calculate pairwise identity,
+ *           because of the variety of choices for the denominator:
+ *           idents/(idents+mismat) has the disadvantage that artifactual
+ *             gappy alignments would have high "identities".
+ *           idents/(AVG|MAX)(len1,len2) both have the disadvantage that 
+ *             alignments of fragments to longer sequences would have
+ *             artifactually low "identities".
+ *           
+ *  Original Case sensitive; also, watch out in nucleic acid alignments; 
+ *           U/T RNA/DNA alignments will be counted as mismatches!
+ *
+ *  Clustal Omega patch: Case insensitive and T and U are treated the same
+ */
+float
+PairwiseIdentity(char *s1, char *s2)
+{
+  int     idents;              /* total identical positions  */
+  int     len1, len2;          /* lengths of seqs            */
+  int     x;                   /* position in aligned seqs   */
+
+  idents = len1 = len2 = 0;
+  for (x = 0; s1[x] != '\0' && s2[x] != '\0'; x++) 
+    {
+#ifdef CLUSTALO
+      char c1 = toupper(s1[x]);
+      char c2 = toupper(s2[x]);
+      if (c1=='U')
+          c1 = 'T';
+      if (c2=='U')
+          c2 = 'T';
+      
+      if (!isgap(c1)) {
+          len1++;
+          if (c1 == c2)
+              idents++;
+      }
+      if (!isgap(c2))
+          len2++;        
+#else        
+      if (!isgap(s1[x])) {
+       len1++;
+       if (s1[x] == s2[x]) idents++; 
+      }
+      if (!isgap(s2[x])) len2++;
+#endif
+    }
+  if (len2 < len1) len1 = len2;
+  return (len1 == 0 ? 0.0 : (float) idents / (float) len1);
+}
+
+
+
+/* Function: AlignmentIdentityBySampling()
+ * Date:     SRE, Mon Oct 19 14:29:01 1998 [St. Louis]
+ *
+ * Purpose:  Estimate and return the average pairwise
+ *           fractional identity of an alignment,
+ *           using sampling.
+ *           
+ *           For use when there's so many sequences that
+ *           an all vs. all rigorous calculation will
+ *           take too long.
+ *           
+ *           Case sensitive!
+ *
+ * Args:     aseq       - aligned sequences
+ *           L          - length of alignment
+ *           N          - number of seqs in alignment
+ *           nsample    - number of samples                     
+ *
+ * Returns:  average fractional identity, 0..1.
+ */
+float
+AlignmentIdentityBySampling(char **aseq, int L, int N, int nsample)
+{
+  int x, i, j;                 /* counters */
+  float sum;
+
+  if (N < 2) return 1.0;
+
+  sum = 0.;
+  for (x = 0; x < nsample; x++)
+    {
+      i = CHOOSE(N);
+      do { j = CHOOSE(N); } while (j == i); /* make sure j != i */
+      sum += PairwiseIdentity(aseq[i], aseq[j]);
+    }
+  return sum / (float) nsample;
+}
+
+/* Function: MajorityRuleConsensus()
+ * Date:     SRE, Tue Mar  7 15:30:30 2000 [St. Louis]
+ *
+ * Purpose:  Given a set of aligned sequences, produce a
+ *           majority rule consensus sequence. If >50% nonalphabetic
+ *           (usually meaning gaps) in the column, ignore the column.
+ *
+ * Args:     aseq  - aligned sequences, [0..nseq-1][0..alen-1]
+ *           nseq  - number of sequences
+ *           alen  - length of alignment        
+ *
+ * Returns:  ptr to allocated consensus sequence.
+ *           Caller is responsible for free'ing this.
+ */
+char *
+MajorityRuleConsensus(char **aseq, int nseq, int alen)
+{
+  char *cs;                     /* RETURN: consensus sequence */
+  int count[27];               /* counts for a..z and gaps in a column */
+  int idx,apos;                        /* counters for seq, column */
+  int spos;                    /* position in cs */
+  int x;                       /* counter for characters */
+  int sym;
+  int max, bestx;
+  
+  cs = MallocOrDie(sizeof(char) * (alen+1));
+  
+  for (spos=0,apos=0; apos < alen; apos++)
+    {
+      for (x = 0; x < 27; x++) count[x] = 0;
+
+      for (idx = 0; idx < nseq; idx++)
+       {
+         if (isalpha(aseq[idx][apos])) {
+           sym = toupper(aseq[idx][apos]);
+           count[sym-'A']++;
+         } else {
+           count[26]++;
+         }
+       }
+
+      if ((float) count[26] / (float) nseq <= 0.5) {
+       max = bestx = -1;
+       for (x = 0; x < 26; x++) 
+         if (count[x] > max) { max = count[x]; bestx = x; }
+       cs[spos++] = (char) ('A' + bestx);
+      }
+    }
+  cs[spos] = '\0';
+  return cs;
+}