Wrapper for Clustal Omega.
[jabaws.git] / binaries / src / clustalo / src / squid / cluster.c
diff --git a/binaries/src/clustalo/src/squid/cluster.c b/binaries/src/clustalo/src/squid/cluster.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..94ad6b1
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,543 @@
+/*****************************************************************
+ * 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.
+ *****************************************************************/
+
+/* cluster.c
+ * SRE, Sun Jul 18 09:49:47 1993
+ * moved to squid Thu Mar  3 08:42:57 1994
+ * RCS $Id: cluster.c 217 2011-03-19 10:27:10Z andreas $ (Original squid RCS Id: cluster.c,v 1.3 1999/07/15 22:32:16 eddy Exp)
+ *
+ * almost identical to bord.c, from fd
+ * also now contains routines for constructing difference matrices
+ * from alignments
+ * 
+ * "branch ordering": Input a symmetric or upper-right-diagonal 
+ * NxN difference matrix (usually constructed by pairwise alignment 
+ * and similarity calculations for N sequences). Use the simple 
+ * cluster analysis part of the Fitch/Margoliash tree-building algorithm
+ * (as described by Fitch and Margoliash 1967 as well as Feng
+ * and Doolittle 1987) to calculate the topology of an "evolutionary
+ * tree" consistent with the difference matrix. Returns an array
+ * which represents the tree.
+ * 
+ * The input difference matrix is just an NxN matrix of floats.
+ * A good match is a small difference score (the algorithm is going
+ * to search for minima among the difference scores). The original difference
+ * matrix remains unchanged by the calculations.
+ * 
+ * The output requires some explanation. A phylogenetic
+ * tree is a binary tree, with N "leaves" and N-1 "nodes". The
+ * topology of the tree may be completely described by N-1 structures
+ * containing two pointers; each pointer points to either a leaf
+ * or another node. Here, this is implemented with integer indices
+ * rather than pointers. An array of N-1 pairs of ints is returned.
+ * If the index is in the range (0..N-1), it is a "leaf" -- the
+ * number of one of the sequences. If the index is in the range
+ * (N..2N-2), it is another "node" -- (index-N) is the index
+ * of the node in the returned array.
+ * 
+ * If both indices of a member of the returned array point to
+ * nodes, the tree is "compound": composed of more than one
+ * cluster of related sequences.
+ * 
+ * The higher-numbered elements of the returned array were the
+ * first constructed, and hence represent the distal tips
+ * of the tree -- the most similar sequences. The root
+ * is node 0.
+ ******************************************************************
+ *
+ * Algorithm
+ * 
+ * INITIALIZATIONS:
+ *  - copy the difference matrix (otherwise the caller's copy would
+ *       get destroyed by the operations of this algorithm). If
+ *       it's asymmetric, make it symmetric.
+ *  - make a (0..N-1) array of ints to keep track of the indices in
+ *       the difference matrix as they get swapped around. Initialize
+ *       this matrix to 0..N-1.
+ *  - make a (0..N-2) array of int[2] to store the results (the tree
+ *       topology). Doesn't need to be initialized.
+ *  - keep track of a "N'", the current size of the difference
+ *       matrix being operated on.
+ *
+ * PROCESSING THE DIFFERENCE MATRIX:
+ *  - for N' = N down to N' = 2  (N-1 steps):
+ *    - in the half-diagonal N'xN' matrix, find the indices i,j at which
+ *      there's the minimum difference score
+ *      
+ *     Store the results:
+ *    - at position N'-2 of the result array, store coords[i] and 
+ *         coords[j].
+ *    
+ *     Move i,j rows, cols to the outside edges of the matrix:
+ *    - swap row i and row N'-2
+ *    - swap row j and row N'-1   
+ *    - swap column i and column N'-2
+ *    - swap column j and column N'-1
+ *    - swap indices i, N'-2 in the index array
+ *    - swap indices j, N'-1 in the index array
+ *    
+ *     Build a average difference score for differences to i,j:
+ *    - for all columns, find avg difference between rows i and j and store in row i: 
+ *       row[i][col] = (row[i][col] + row[j][col]) / 2.0
+ *    - copy the contents of row i to column i (it's a symmetric
+ *       matrix, no need to recalculate)
+ *    - store an index N'+N-2 at position N'-2 of the index array: means
+ *       that this row/column is now a node rather than a leaf, and
+ *       contains minimum values
+ *       
+ *     Continue:
+ *    - go to the next N'
+ *    
+ * GARBAGE COLLECTION & RETURN.
+ * 
+ **********************************************************************
+ *
+ * References:
+ * 
+ * Feng D-F and R.F. Doolittle. "Progressive sequence alignment as a
+ *    prerequisite to correct phylogenetic trees." J. Mol. Evol. 
+ *    25:351-360, 1987.
+ *    
+ * Fitch W.M. and Margoliash E. "Construction of phylogenetic trees."
+ *    Science 155:279-284, 1967.
+ *    
+ **********************************************************************
+ *
+ * SRE, 18 March 1992 (bord.c)
+ * SRE, Sun Jul 18 09:52:14 1993 (cluster.c)
+ * added to squid Thu Mar  3 09:13:56 1994
+ **********************************************************************
+ * Mon May  4 09:47:02 1992: keep track of difference scores at each node
+ */
+
+
+#include <stdio.h>
+#include <string.h>
+#include <math.h>
+
+#include "squid.h"
+#include "sqfuncs.h"
+
+#ifdef MEMDEBUG
+#include "dbmalloc.h"
+#endif
+
+/* Function: Cluster()
+ * 
+ * Purpose:  Cluster analysis on a distance matrix. Constructs a
+ *           phylogenetic tree which contains the topology
+ *           and info for each node: branch lengths, how many
+ *           sequences are included under the node, and which
+ *           sequences are included under the node.
+ *           
+ * Args:     dmx     - the NxN distance matrix ( >= 0.0, larger means more diverged)
+ *           N       - size of mx (number of sequences)
+ *           mode    - CLUSTER_MEAN, CLUSTER_MAX, or CLUSTER_MIN
+ *           ret_tree- RETURN: the tree 
+ *
+ * Return:   1 on success, 0 on failure.          
+ *           The caller is responsible for freeing the tree's memory,
+ *           by calling FreePhylo(tree, N).
+ */
+int
+Cluster(float **dmx, int N, enum clust_strategy mode, struct phylo_s **ret_tree)
+{
+  struct phylo_s *tree;         /* (0..N-2) phylogenetic tree          */
+  float    **mx;                /* copy of difference matrix           */
+  int       *coord;             /* (0..N-1), indices for matrix coords */
+  int        i, j;             /* coords of minimum difference        */
+  int        idx;              /* counter over seqs                   */
+  int        Np;                /* N', a working copy of N             */
+  int        row, col;          /* loop variables                      */
+  float      min;              /* best minimum score found            */
+  float     *trow;              /* tmp pointer for swapping rows       */
+  float      tcol;              /* tmp storage for swapping cols       */
+  float     *diff;             /* (0..N-2) difference scores at nodes */
+  int        swapfoo;          /* for SWAP() macro                    */
+
+  /**************************
+   * Initializations.
+   **************************/
+  /* We destroy the matrix we work on, so make a copy of dmx.
+   */
+  mx = MallocOrDie (sizeof(float *) * N);
+  for (i = 0; i < N; i++)
+    {
+      mx[i] = MallocOrDie (sizeof(float) * N);
+      for (j = 0; j < N; j++)
+       mx[i][j] = dmx[i][j];
+    }
+                               /* coord array alloc, (0..N-1) */
+  coord = MallocOrDie (N     * sizeof(int));
+  diff  = MallocOrDie ((N-1) * sizeof(float));
+                               /* init the coord array to 0..N-1 */
+  for (col = 0; col < N; col++)  coord[col] = col;
+  for (i = 0; i < N-1; i++)      diff[i] = 0.0;
+
+                               /* tree array alloc, (0..N-2) */
+  if ((tree = AllocPhylo(N)) == NULL)  Die("AllocPhylo() failed");
+
+  /*********************************
+   * Process the difference matrix
+   *********************************/
+  
+                               /* N-prime, for an NxN down to a 2x2 diffmx */
+  j= 0;                                /* just to silence gcc uninit warnings */
+  for (Np = N; Np >= 2; Np--)
+    {
+                               /* find a minimum on the N'xN' matrix*/
+      min = 999999.;
+      for (row = 0; row < Np; row++)
+       for (col = row+1; col < Np; col++)
+         if (mx[row][col] < min)
+           {
+             min = mx[row][col];
+             i   = row;
+             j   = col;
+           }
+
+      /* We're clustering row i with col j. write necessary
+       * data into a node on the tree
+       */
+                               /* topology info */
+      tree[Np-2].left  = coord[i];
+      tree[Np-2].right = coord[j];
+      if (coord[i] >= N) tree[coord[i]-N].parent = N + Np - 2;
+      if (coord[j] >= N) tree[coord[j]-N].parent = N + Np - 2;
+
+                               /* keep score info */
+      diff[Np-2] = tree[Np-2].diff = min;
+
+                               /* way-simple branch length estimation */
+      tree[Np-2].lblen = tree[Np-2].rblen = min;
+      if (coord[i] >= N) tree[Np-2].lblen -= diff[coord[i]-N];
+      if (coord[j] >= N) tree[Np-2].rblen -= diff[coord[j]-N];
+
+                               /* number seqs included at node */
+      if (coord[i] < N) 
+       {
+         tree[Np-2].incnum ++;
+         tree[Np-2].is_in[coord[i]] = 1;
+       }
+      else 
+       {
+         tree[Np-2].incnum += tree[coord[i]-N].incnum;
+         for (idx = 0; idx < N; idx++)
+           tree[Np-2].is_in[idx] |= tree[coord[i]-N].is_in[idx];
+       }
+      
+      if (coord[j] < N) 
+       {
+         tree[Np-2].incnum ++;
+         tree[Np-2].is_in[coord[j]] = 1;
+       }
+      else 
+       {
+         tree[Np-2].incnum += tree[coord[j]-N].incnum;
+         for (idx = 0; idx < N; idx++)
+           tree[Np-2].is_in[idx] |= tree[coord[j]-N].is_in[idx];
+       }
+
+
+      /* Now build a new matrix, by merging row i with row j and
+       * column i with column j; see Fitch and Margoliash
+       */
+                               /* Row and column swapping. */
+                               /* watch out for swapping i, j away: */
+      if (i == Np-1 || j == Np-2)
+       SWAP(i,j);
+
+      if (i != Np-2)
+       {
+                               /* swap row i, row N'-2 */
+         trow = mx[Np-2]; mx[Np-2] = mx[i]; mx[i] = trow;
+                               /* swap col i, col N'-2 */
+         for (row = 0; row < Np; row++) 
+           {
+             tcol = mx[row][Np-2];
+             mx[row][Np-2] = mx[row][i];
+             mx[row][i] = tcol;
+           }
+                               /* swap coord i, coord N'-2 */
+         SWAP(coord[i], coord[Np-2]);
+       }
+
+      if (j != Np-1)
+       {
+                               /* swap row j, row N'-1 */
+         trow = mx[Np-1]; mx[Np-1] = mx[j]; mx[j] = trow;
+                               /* swap col j, col N'-1 */
+         for (row = 0; row < Np; row++) 
+           {
+             tcol = mx[row][Np-1];
+             mx[row][Np-1] = mx[row][j];
+             mx[row][j] = tcol;
+           }
+                               /* swap coord j, coord N'-1 */
+         SWAP(coord[j], coord[Np-1]);
+       }
+
+                               /* average i and j together; they're now
+                                  at Np-2 and Np-1 though */
+      i = Np-2;
+      j = Np-1;
+                               /* merge by saving avg of cols of row i and row j */
+      for (col = 0; col < Np; col++)
+       {
+         switch (mode) {
+         case CLUSTER_MEAN:  mx[i][col] =(mx[i][col]+ mx[j][col]) / 2.0; break;
+         case CLUSTER_MIN:   mx[i][col] = MIN(mx[i][col], mx[j][col]);   break;
+         case CLUSTER_MAX:   mx[i][col] = MAX(mx[i][col], mx[j][col]);   break;
+         default:            mx[i][col] =(mx[i][col]+ mx[j][col]) / 2.0; break; 
+         }
+       }
+                               /* copy those rows to columns */
+      for (col = 0; col < Np; col++)
+       mx[col][i] = mx[i][col];
+                               /* store the node index in coords */
+      coord[Np-2] = Np+N-2;
+    }
+
+  /**************************
+   * Garbage collection and return
+   **************************/
+  Free2DArray((void **) mx, N);
+  free(coord);
+  free(diff);
+  *ret_tree = tree;
+  return 1;
+}
+
+/* Function: AllocPhylo()
+ * 
+ * Purpose:  Allocate space for a phylo_s array. N-1 structures
+ *           are allocated, one for each node; in each node, a 0..N
+ *           is_in flag array is also allocated and initialized to
+ *           all zeros.
+ *           
+ * Args:     N  - size; number of sequences being clustered
+ *                
+ * Return:   pointer to the allocated array
+ *           
+ */
+struct phylo_s *
+AllocPhylo(int N)
+{
+  struct phylo_s *tree;
+  int             i;   
+
+  if ((tree = (struct phylo_s *) malloc ((N-1) * sizeof(struct phylo_s))) == NULL)
+    return NULL;
+
+  for (i = 0; i < N-1; i++)
+    {
+      tree[i].diff   = 0.0;
+      tree[i].lblen  = tree[i].rblen = 0.0;
+      tree[i].left   = tree[i].right = tree[i].parent = -1;
+      tree[i].incnum = 0;
+      if ((tree[i].is_in = (char *) calloc (N, sizeof(char))) == NULL)
+       return NULL;
+    }
+  return tree;
+}
+
+
+/* Function: FreePhylo()
+ * 
+ * Purpose:  Free a clustree array that was built to cluster N sequences.
+ * 
+ * Args:     tree - phylogenetic tree to free
+ *           N    - size of clustree; number of sequences it clustered
+ *
+ * Return:   (void)               
+ */
+void
+FreePhylo(struct phylo_s *tree, int N)
+{
+  int idx;
+
+  for (idx = 0; idx < N-1; idx++)
+    free(tree[idx].is_in);
+  free(tree);
+}
+
+
+/* Function: MakeDiffMx()
+ * 
+ * Purpose:  Given a set of aligned sequences, construct
+ *           an NxN fractional difference matrix. (i.e. 1.0 is
+ *           completely different, 0.0 is exactly identical).
+ *           
+ * Args:     aseqs        - flushed, aligned sequences
+ *           num          - number of aseqs
+ *           ret_dmx      - RETURN: difference matrix 
+ *           
+ * Return:   1 on success, 0 on failure.
+ *           Caller must free diff matrix with FMX2Free(dmx)
+ */
+void
+MakeDiffMx(char **aseqs, int num, float ***ret_dmx)
+{
+  float **dmx;                  /* RETURN: distance matrix           */
+  int      i,j;                        /* counters over sequences           */
+
+  /* Allocate 2D float matrix
+   */
+  dmx = FMX2Alloc(num, num);
+
+  /* Calculate distances; symmetric matrix
+   * record difference, not identity (1 - identity)
+   */
+  for (i = 0; i < num; i++)
+    for (j = i; j < num; j++)
+      dmx[i][j] = dmx[j][i] = 1.0 - PairwiseIdentity(aseqs[i], aseqs[j]);
+
+  *ret_dmx = dmx;
+  return;
+}
+
+/* Function: MakeIdentityMx()
+ * 
+ * Purpose:  Given a set of aligned sequences, construct
+ *           an NxN fractional identity matrix. (i.e. 1.0 is
+ *           completely identical, 0.0 is completely different).
+ *           Virtually identical to MakeDiffMx(). It's
+ *           less confusing to have two distinct functions, I find.
+ *           
+ * Args:     aseqs        - flushed, aligned sequences
+ *           num          - number of aseqs
+ *           ret_imx      - RETURN: identity matrix (caller must free)
+ *           
+ * Return:   1 on success, 0 on failure.
+ *           Caller must free imx using FMX2Free(imx)
+ */
+void
+MakeIdentityMx(char **aseqs, int num, float ***ret_imx)
+{
+  float **imx;          /* RETURN: identity matrix           */
+  int     i,j;         /* counters over sequences           */
+
+  /* Allocate 2D float matrix
+   */
+  imx = FMX2Alloc(num, num);
+
+  /* Calculate distances, symmetric matrix
+   */
+  for (i = 0; i < num; i++)
+    for (j = i; j < num; j++)
+      imx[i][j] = imx[j][i] = PairwiseIdentity(aseqs[i], aseqs[j]);
+
+  *ret_imx = imx;
+  return;
+}
+
+
+
+/* Function: PrintNewHampshireTree()
+ * 
+ * Purpose:  Print out a tree in the "New Hampshire" standard
+ *           format. See PHYLIP's draw.doc for a definition of
+ *           the New Hampshire format.
+ *
+ *           Like a CFG, we generate the format string left to
+ *           right by a preorder tree traversal.
+ *           
+ * Args:     fp   - file to print to
+ *           ainfo- alignment info, including sequence names 
+ *           tree - tree to print
+ *           N    - number of leaves
+ *           
+ */
+void
+PrintNewHampshireTree(FILE *fp, AINFO *ainfo, struct phylo_s *tree, int N)
+{                 
+  struct intstack_s *stack;
+  int    code;
+  float *blen;
+  int    docomma; 
+
+  blen  = (float *) MallocOrDie (sizeof(float) * (2*N-1));
+  stack = InitIntStack();
+  PushIntStack(stack, N);      /* push root on stack */
+  docomma = FALSE;
+  
+  /* node index code:
+   *     0..N-1   = leaves; indexes of sequences.
+   *     N..2N-2  = interior nodes; node-N = index of node in tree structure.
+   *                code N is the root. 
+   *     2N..3N-2 = special flags for closing interior nodes; node-2N = index in tree
+   */
+  while (PopIntStack(stack, &code))
+    {
+      if (code < N)            /* we're a leaf. */
+       {
+                               /* 1) print name:branchlength */
+         if (docomma) fputs(",", fp);
+         fprintf(fp, "%s:%.5f", ainfo->sqinfo[code].name, blen[code]);
+         docomma = TRUE;
+       }
+
+      else if (code < 2*N)      /* we're an interior node */
+       {
+                               /* 1) print a '(' */
+         if (docomma) fputs(",\n", fp);
+         fputs("(", fp);
+                               /* 2) push on stack: ), rchild, lchild */
+         PushIntStack(stack, code+N);
+         PushIntStack(stack, tree[code-N].right);
+         PushIntStack(stack, tree[code-N].left);
+                               /* 3) record branch lengths */
+         blen[tree[code-N].right] = tree[code-N].rblen;
+         blen[tree[code-N].left]  = tree[code-N].lblen;
+         docomma = FALSE;
+       }
+
+      else                     /* we're closing an interior node */
+       {
+                               /* print a ):branchlength */
+         if (code == 2*N) fprintf(fp, ");\n");
+         else             fprintf(fp, "):%.5f", blen[code-N]);
+         docomma = TRUE;
+       }
+    }
+
+  FreeIntStack(stack);
+  free(blen);
+  return;
+}
+
+
+/* Function: PrintPhylo()
+ * 
+ * Purpose:  Debugging output of a phylogenetic tree structure.
+ */
+void
+PrintPhylo(FILE *fp, AINFO *ainfo, struct phylo_s *tree, int N)
+{
+  int idx;
+
+  for (idx = 0; idx < N-1; idx++)
+    {
+      fprintf(fp, "Interior node %d (code %d)\n", idx, idx+N);
+      fprintf(fp, "\tParent: %d (code %d)\n", tree[idx].parent-N, tree[idx].parent);
+      fprintf(fp, "\tLeft:   %d (%s) %f\n", 
+             tree[idx].left < N ? tree[idx].left-N : tree[idx].left,
+             tree[idx].left < N ? ainfo->sqinfo[tree[idx].left].name : "interior",
+             tree[idx].lblen);
+      fprintf(fp, "\tRight:   %d (%s) %f\n", 
+             tree[idx].right < N ? tree[idx].right-N : tree[idx].right,
+             tree[idx].right < N ? ainfo->sqinfo[tree[idx].right].name : "interior",
+             tree[idx].rblen);
+      fprintf(fp, "\tHeight:  %f\n", tree[idx].diff);
+      fprintf(fp, "\tIncludes:%d seqs\n", tree[idx].incnum);
+    }
+}
+      
+
+