JAL-2738 ensure variant feature is in forward sense
[jalview.git] / src / jalview / io / vcf / VCFLoader.java
index 0acf49e..3d269d8 100644 (file)
@@ -6,6 +6,7 @@ import htsjdk.variant.variantcontext.VariantContext;
 import htsjdk.variant.vcf.VCFHeader;
 import htsjdk.variant.vcf.VCFHeaderLine;
 import htsjdk.variant.vcf.VCFHeaderLineCount;
+import htsjdk.variant.vcf.VCFInfoHeaderLine;
 
 import jalview.analysis.AlignmentUtils;
 import jalview.analysis.Dna;
@@ -39,18 +40,58 @@ import java.util.Map.Entry;
  */
 public class VCFLoader
 {
+  /*
+   * keys to fields of VEP CSQ consequence data
+   * see https://www.ensembl.org/info/docs/tools/vep/vep_formats.html
+   */
+  private static final String ALLELE_KEY = "Allele";
+
+  private static final String ALLELE_NUM_KEY = "ALLELE_NUM"; // 0 (ref), 1...
+  private static final String FEATURE_KEY = "Feature"; // Ensembl stable id
+
+  /*
+   * what comes before column headings in CSQ Description field
+   */
+  private static final String FORMAT = "Format: ";
+
+  /*
+   * default VCF INFO key for VEP consequence data
+   * NB this can be overridden running VEP with --vcf_info_field
+   * - we don't handle this case (require CSQ identifier)
+   */
+  private static final String CSQ = "CSQ";
+
+  /*
+   * separator for fields in consequence data
+   */
+  private static final String PIPE = "|";
+
+  private static final String PIPE_REGEX = "\\" + PIPE;
+
+  /*
+   * key for Allele Frequency output by VEP
+   * see http://www.ensembl.org/info/docs/tools/vep/vep_formats.html
+   */
   private static final String ALLELE_FREQUENCY_KEY = "AF";
 
+  /*
+   * delimiter that separates multiple consequence data blocks
+   */
   private static final String COMMA = ",";
 
-  private static final boolean FEATURE_PER_ALLELE = true;
-
+  /*
+   * the feature group assigned to a VCF variant in Jalview
+   */
   private static final String FEATURE_GROUP_VCF = "VCF";
 
+  /*
+   * internal delimiter used to build keys for assemblyMappings
+   * 
+   */
   private static final String EXCL = "!";
 
   /*
-   * the alignment we are associated VCF data with
+   * the alignment we are associating VCF data with
    */
   private AlignmentI al;
 
@@ -66,6 +107,15 @@ public class VCFLoader
    */
   private VCFHeader header;
 
+  /*
+   * the position (0...) of field in each block of
+   * CSQ (consequence) data (if declared in the VCF INFO header for CSQ)
+   * see http://www.ensembl.org/info/docs/tools/vep/vep_formats.html
+   */
+  private int csqAlleleFieldIndex = -1;
+  private int csqAlleleNumberFieldIndex = -1;
+  private int csqFeatureFieldIndex = -1;
+
   /**
    * Constructor given an alignment context
    * 
@@ -127,6 +177,12 @@ public class VCFLoader
       header = reader.getFileHeader();
       VCFHeaderLine ref = header
               .getOtherHeaderLine(VCFHeader.REFERENCE_KEY);
+
+      /*
+       * get offset of CSQ ALLELE_NUM and Feature if declared
+       */
+      locateCsqFields();
+
       // check if reference is wrt assembly19 (GRCh37)
       // todo may need to allow user to specify reference assembly?
       boolean isRefGrch37 = (ref != null && ref.getValue().contains(
@@ -140,7 +196,7 @@ public class VCFLoader
        */
       for (SequenceI seq : al.getSequences())
       {
-        int added = loadVCF(seq, reader, isRefGrch37);
+        int added = loadSequenceVCF(seq, reader, isRefGrch37);
         if (added > 0)
         {
           seqCount++;
@@ -183,6 +239,53 @@ public class VCFLoader
   }
 
   /**
+   * Records the position of selected fields defined in the CSQ INFO header (if
+   * there is one). CSQ fields are declared in the CSQ INFO Description e.g.
+   * <p>
+   * Description="Consequence ...from ... VEP. Format: Allele|Consequence|...
+   */
+  protected void locateCsqFields()
+  {
+    VCFInfoHeaderLine csqInfo = header.getInfoHeaderLine(CSQ);
+    if (csqInfo == null)
+    {
+      return;
+    }
+
+    String desc = csqInfo.getDescription();
+    int formatPos = desc.indexOf(FORMAT);
+    if (formatPos == -1)
+    {
+      System.err.println("Parse error, failed to find " + FORMAT
+              + " in " + desc);
+      return;
+    }
+    desc = desc.substring(formatPos + FORMAT.length());
+
+    if (desc != null)
+    {
+      String[] format = desc.split(PIPE_REGEX);
+      int index = 0;
+      for (String field : format)
+      {
+        if (ALLELE_NUM_KEY.equals(field))
+        {
+          csqAlleleNumberFieldIndex = index;
+        }
+        if (ALLELE_KEY.equals(field))
+        {
+          csqAlleleFieldIndex = index;
+        }
+        if (FEATURE_KEY.equals(field))
+        {
+          csqFeatureFieldIndex = index;
+        }
+        index++;
+      }
+    }
+  }
+
+  /**
    * Transfers VCF features to sequences to which this sequence has a mapping.
    * If the mapping is 1:3, computes peptide variants from nucleotide variants.
    * 
@@ -217,7 +320,6 @@ public class VCFLoader
         /*
          * nucleotide-to-nucleotide mapping e.g. transcript to CDS
          */
-        // TODO no DBRef to CDS is added to transcripts
         List<SequenceFeature> features = seq.getFeatures()
                 .getPositionalFeatures(SequenceOntologyI.SEQUENCE_VARIANT);
         for (SequenceFeature sf : features)
@@ -242,13 +344,16 @@ public class VCFLoader
    * @param isVcfRefGrch37
    * @return
    */
-  protected int loadVCF(SequenceI seq, VCFReader reader,
+  protected int loadSequenceVCF(SequenceI seq, VCFReader reader,
           boolean isVcfRefGrch37)
   {
     int count = 0;
     GeneLociI seqCoords = seq.getGeneLoci();
     if (seqCoords == null)
     {
+      System.out.println(String.format(
+              "Can't query VCF for %s as chromosome coordinates not known",
+              seq.getName()));
       return 0;
     }
 
@@ -327,27 +432,21 @@ public class VCFLoader
        */
       VariantContext variant = variants.next();
 
-      /*
-       * we can only process SNP variants (which can be reported
-       * as part of a MIXED variant record
-       */
-      if (!variant.isSNP() && !variant.isMixed())
-      {
-        continue;
-      }
-
       int start = variant.getStart() - offset;
       int end = variant.getEnd() - offset;
 
       /*
        * convert chromosomal location to sequence coordinates
+       * - may be reverse strand (convert to forward for sequence feature)
        * - null if a partially overlapping feature
        */
       int[] seqLocation = mapping.locateInFrom(start, end);
       if (seqLocation != null)
       {
-        count += addVariantFeature(seq, variant, seqLocation[0],
-                seqLocation[1], forwardStrand);
+        int featureStart = Math.min(seqLocation[0], seqLocation[1]);
+        int featureEnd = Math.max(seqLocation[0], seqLocation[1]);
+        count += addAlleleFeatures(seq, variant, featureStart, featureEnd,
+                forwardStrand);
       }
     }
 
@@ -357,86 +456,6 @@ public class VCFLoader
   }
 
   /**
-   * Inspects the VCF variant record, and adds variant features to the sequence.
-   * Only SNP variants are added, not INDELs. Returns the number of features
-   * added.
-   * <p>
-   * If the sequence maps to the reverse strand of the chromosome, reference and
-   * variant bases are recorded as their complements (C/G, A/T).
-   * 
-   * @param seq
-   * @param variant
-   * @param featureStart
-   * @param featureEnd
-   * @param forwardStrand
-   */
-  protected int addVariantFeature(SequenceI seq, VariantContext variant,
-          int featureStart, int featureEnd, boolean forwardStrand)
-  {
-    byte[] reference = variant.getReference().getBases();
-    if (reference.length != 1)
-    {
-      /*
-       * sorry, we don't handle INDEL variants
-       */
-      return 0;
-    }
-
-    if (FEATURE_PER_ALLELE)
-    {
-      return addAlleleFeatures(seq, variant, featureStart, featureEnd,
-              forwardStrand);
-    }
-
-    /*
-     * for now we extract allele frequency as feature score; note
-     * this attribute is String for a simple SNP, but List<String> if
-     * multiple alleles at the locus; we extract for the simple case only
-     */
-    float score = getAlleleFrequency(variant, 0);
-
-    StringBuilder sb = new StringBuilder();
-    sb.append(forwardStrand ? (char) reference[0] : complement(reference));
-
-    /*
-     * inspect alleles and record SNP variants (as the variant
-     * record could be MIXED and include INDEL and SNP alleles)
-     * warning: getAlleles gives no guarantee as to the order 
-     * in which they are returned
-     */
-    for (Allele allele : variant.getAlleles())
-    {
-      if (!allele.isReference())
-      {
-        byte[] alleleBase = allele.getBases();
-        if (alleleBase.length == 1)
-        {
-          sb.append(COMMA).append(
-                  forwardStrand ? (char) alleleBase[0]
-                          : complement(alleleBase));
-        }
-      }
-    }
-    String alleles = sb.toString(); // e.g. G,A,C
-
-    String type = SequenceOntologyI.SEQUENCE_VARIANT;
-
-    SequenceFeature sf = new SequenceFeature(type, alleles, featureStart,
-            featureEnd, score, FEATURE_GROUP_VCF);
-
-    sf.setValue(Gff3Helper.ALLELES, alleles);
-
-    Map<String, Object> atts = variant.getAttributes();
-    for (Entry<String, Object> att : atts.entrySet())
-    {
-      sf.setValue(att.getKey(), att.getValue());
-    }
-    seq.addSequenceFeature(sf);
-
-    return 1;
-  }
-
-  /**
    * A convenience method to get the AF value for the given alternate allele
    * index
    * 
@@ -489,7 +508,7 @@ public class VCFLoader
   }
 
   /**
-   * Adds one variant feature for each SNP allele in the VCF variant record, and
+   * Adds one variant feature for each allele in the VCF variant record, and
    * returns the number of features added.
    * 
    * @param seq
@@ -519,13 +538,14 @@ public class VCFLoader
 
   /**
    * Inspects one allele and attempts to add a variant feature for it to the
-   * sequence. Only SNP variants are added as features. We extract as much as
-   * possible of the additional data associated with this allele to store in the
-   * feature's key-value map. Answers the number of features added (0 or 1).
+   * sequence. We extract as much as possible of the additional data associated
+   * with this allele to store in the feature's key-value map. Answers the
+   * number of features added (0 or 1).
    * 
    * @param seq
    * @param variant
    * @param altAlleleIndex
+   *          (0, 1..)
    * @param featureStart
    * @param featureEnd
    * @param forwardStrand
@@ -535,24 +555,19 @@ public class VCFLoader
           int altAlleleIndex, int featureStart, int featureEnd,
           boolean forwardStrand)
   {
-    byte[] reference = variant.getReference().getBases();
+    String reference = variant.getReference().getBaseString();
     Allele alt = variant.getAlternateAllele(altAlleleIndex);
-    byte[] allele = alt.getBases();
-    if (allele.length != 1)
-    {
-      /*
-       * not a SNP variant
-       */
-      return 0;
-    }
+    String allele = alt.getBaseString();
 
     /*
-     * build the ref,alt allele description e.g. "G,A"
+     * build the ref,alt allele description e.g. "G,A", using the base
+     * complement if the sequence is on the reverse strand
      */
+    // TODO check how structural variants are shown on reverse strand
     StringBuilder sb = new StringBuilder();
-    sb.append(forwardStrand ? (char) reference[0] : complement(reference));
+    sb.append(forwardStrand ? reference : Dna.reverseComplement(reference));
     sb.append(COMMA);
-    sb.append(forwardStrand ? (char) allele[0] : complement(allele));
+    sb.append(forwardStrand ? allele : Dna.reverseComplement(allele));
     String alleles = sb.toString(); // e.g. G,A
 
     String type = SequenceOntologyI.SEQUENCE_VARIANT;
@@ -563,7 +578,7 @@ public class VCFLoader
 
     sf.setValue(Gff3Helper.ALLELES, alleles);
 
-    addAlleleProperties(variant, sf, altAlleleIndex);
+    addAlleleProperties(variant, seq, sf, altAlleleIndex);
 
     seq.addSequenceFeature(sf);
 
@@ -574,24 +589,46 @@ public class VCFLoader
    * Add any allele-specific VCF key-value data to the sequence feature
    * 
    * @param variant
+   * @param seq
    * @param sf
    * @param altAlelleIndex
+   *          (0, 1..)
    */
-  protected void addAlleleProperties(VariantContext variant,
+  protected void addAlleleProperties(VariantContext variant, SequenceI seq,
           SequenceFeature sf, final int altAlelleIndex)
   {
     Map<String, Object> atts = variant.getAttributes();
 
-    /*
-     * process variant data, extracting values which are allele-specific 
-     * these may be per alternate allele (INFO[key].Number = 'A') 
-     * or per allele including reference (INFO[key].Number = 'R') 
-     */
     for (Entry<String, Object> att : atts.entrySet())
     {
       String key = att.getKey();
-      VCFHeaderLineCount number = header.getInfoHeaderLine(key)
-              .getCountType();
+
+      /*
+       * extract Consequence data (if present) that we are able to
+       * associated with the allele for this variant feature
+       */
+      if (CSQ.equals(key))
+      {
+        addConsequences(variant, seq, sf, altAlelleIndex);
+        continue;
+      }
+
+      /*
+       * we extract values for other data which are allele-specific; 
+       * these may be per alternate allele (INFO[key].Number = 'A') 
+       * or per allele including reference (INFO[key].Number = 'R') 
+       */
+      VCFInfoHeaderLine infoHeader = header.getInfoHeaderLine(key);
+      if (infoHeader == null)
+      {
+        /*
+         * can't be sure what data belongs to this allele, so
+         * play safe and don't take any
+         */
+        continue;
+      }
+
+      VCFHeaderLineCount number = infoHeader.getCountType();
       int index = altAlelleIndex;
       if (number == VCFHeaderLineCount.R)
       {
@@ -601,11 +638,7 @@ public class VCFLoader
          */
         index++;
       }
-      /*
-       * CSQ behaves as if Number=A but declares as Number=.
-       * so give it special treatment
-       */
-      else if (!"CSQ".equals(key) && number != VCFHeaderLineCount.A)
+      else if (number != VCFHeaderLineCount.A)
       {
         /*
          * don't save other values as not allele-related
@@ -625,6 +658,153 @@ public class VCFLoader
   }
 
   /**
+   * Inspects CSQ data blocks (consequences) and adds attributes on the sequence
+   * feature for the current allele (and transcript if applicable)
+   * <p>
+   * Allele matching: if field ALLELE_NUM is present, it must match
+   * altAlleleIndex. If not present, then field Allele value must match the VCF
+   * Allele.
+   * <p>
+   * Transcript matching: if sequence name can be identified to at least one of
+   * the consequences' Feature values, then select only consequences that match
+   * the value (i.e. consequences for the current transcript sequence). If not,
+   * take all consequences (this is the case when adding features to the gene
+   * sequence).
+   * 
+   * @param variant
+   * @param seq
+   * @param sf
+   * @param altAlelleIndex
+   *          (0, 1..)
+   */
+  protected void addConsequences(VariantContext variant, SequenceI seq,
+          SequenceFeature sf, int altAlelleIndex)
+  {
+    Object value = variant.getAttribute(CSQ);
+
+    if (value == null || !(value instanceof ArrayList<?>))
+    {
+      return;
+    }
+
+    List<String> consequences = (List<String>) value;
+
+    /*
+     * if CSQ data includes 'Feature', and any value matches the sequence name,
+     * then restrict consequence data to only the matching value (transcript)
+     * i.e. just pick out consequences for the transcript the variant feature is on
+     */
+    String seqName = seq.getName()== null ? "" : seq.getName().toLowerCase();
+    String matchFeature = null;
+    if (csqFeatureFieldIndex > -1)
+    {
+      for (String consequence : consequences)
+      {
+        String[] csqFields = consequence.split(PIPE_REGEX);
+        if (csqFields.length > csqFeatureFieldIndex)
+        {
+          String featureIdentifier = csqFields[csqFeatureFieldIndex];
+          if (featureIdentifier.length() > 4
+                  && seqName.indexOf(featureIdentifier.toLowerCase()) > -1)
+          {
+            matchFeature = featureIdentifier;
+          }
+        }
+      }
+    }
+
+    StringBuilder sb = new StringBuilder(128);
+    boolean found = false;
+
+    for (String consequence : consequences)
+    {
+      String[] csqFields = consequence.split(PIPE_REGEX);
+
+      if (includeConsequence(csqFields, matchFeature, variant,
+              altAlelleIndex))
+      {
+        if (found)
+        {
+          sb.append(COMMA);
+        }
+        found = true;
+        sb.append(consequence);
+      }
+    }
+
+    if (found)
+    {
+      sf.setValue(CSQ, sb.toString());
+    }
+  }
+
+  /**
+   * Answers true if we want to associate this block of consequence data with
+   * the specified alternate allele of the VCF variant.
+   * <p>
+   * If consequence data includes the ALLELE_NUM field, then this has to match
+   * altAlleleIndex. Otherwise the Allele field of the consequence data has to
+   * match the allele value.
+   * <p>
+   * Optionally (if matchFeature is not null), restrict to only include
+   * consequences whose Feature value matches. This allows us to attach
+   * consequences to their respective transcripts.
+   * 
+   * @param csqFields
+   * @param matchFeature
+   * @param variant
+   * @param altAlelleIndex
+   *          (0, 1..)
+   * @return
+   */
+  protected boolean includeConsequence(String[] csqFields,
+          String matchFeature, VariantContext variant, int altAlelleIndex)
+  {
+    /*
+     * check consequence is for the current transcript
+     */
+    if (matchFeature != null)
+    {
+      if (csqFields.length <= csqFeatureFieldIndex)
+      {
+        return false;
+      }
+      String featureIdentifier = csqFields[csqFeatureFieldIndex];
+      if (!featureIdentifier.equals(matchFeature))
+      {
+        return false; // consequence is for a different transcript
+      }
+    }
+
+    /*
+     * if ALLELE_NUM is present, it must match altAlleleIndex
+     * NB first alternate allele is 1 for ALLELE_NUM, 0 for altAlleleIndex
+     */
+    if (csqAlleleNumberFieldIndex > -1)
+    {
+      if (csqFields.length <= csqAlleleNumberFieldIndex)
+      {
+        return false;
+      }
+      String alleleNum = csqFields[csqAlleleNumberFieldIndex];
+      return String.valueOf(altAlelleIndex + 1).equals(alleleNum);
+    }
+
+    /*
+     * else consequence allele must match variant allele
+     */
+    if (csqAlleleFieldIndex > -1 && csqFields.length > csqAlleleFieldIndex)
+    {
+      String csqAllele = csqFields[csqAlleleFieldIndex];
+      String vcfAllele = variant.getAlternateAllele(altAlelleIndex)
+              .getBaseString();
+      return csqAllele.equals(vcfAllele);
+    }
+
+    return false;
+  }
+
+  /**
    * A convenience method to complement a dna base and return the string value
    * of its complement
    *