JAL-1551 spotlessApply
[jalview.git] / src / jalview / analysis / AlignmentUtils.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 java.util.ArrayList;
24 import java.util.Arrays;
25 import java.util.Collection;
26 import java.util.Collections;
27 import java.util.HashMap;
28 import java.util.HashSet;
29 import java.util.Iterator;
30 import java.util.LinkedHashMap;
31 import java.util.List;
32 import java.util.Locale;
33 import java.util.Map;
34 import java.util.Map.Entry;
35 import java.util.NoSuchElementException;
36 import java.util.Set;
37 import java.util.SortedMap;
38 import java.util.TreeMap;
39
40 import jalview.bin.Console;
41 import jalview.commands.RemoveGapColCommand;
42 import jalview.datamodel.AlignedCodon;
43 import jalview.datamodel.AlignedCodonFrame;
44 import jalview.datamodel.AlignedCodonFrame.SequenceToSequenceMapping;
45 import jalview.datamodel.Alignment;
46 import jalview.datamodel.AlignmentAnnotation;
47 import jalview.datamodel.AlignmentI;
48 import jalview.datamodel.ContactMatrixI;
49 import jalview.datamodel.DBRefEntry;
50 import jalview.datamodel.GeneLociI;
51 import jalview.datamodel.IncompleteCodonException;
52 import jalview.datamodel.Mapping;
53 import jalview.datamodel.Sequence;
54 import jalview.datamodel.SequenceFeature;
55 import jalview.datamodel.SequenceGroup;
56 import jalview.datamodel.SequenceI;
57 import jalview.datamodel.features.SequenceFeatures;
58 import jalview.io.gff.SequenceOntologyI;
59 import jalview.schemes.ResidueProperties;
60 import jalview.util.Comparison;
61 import jalview.util.DBRefUtils;
62 import jalview.util.IntRangeComparator;
63 import jalview.util.MapList;
64 import jalview.util.MappingUtils;
65
66 /**
67  * grab bag of useful alignment manipulation operations Expect these to be
68  * refactored elsewhere at some point.
69  * 
70  * @author jimp
71  * 
72  */
73 public class AlignmentUtils
74 {
75   private static final int CODON_LENGTH = 3;
76
77   private static final String SEQUENCE_VARIANT = "sequence_variant:";
78
79   /*
80    * the 'id' attribute is provided for variant features fetched from
81    * Ensembl using its REST service with JSON format 
82    */
83   public static final String VARIANT_ID = "id";
84
85   /**
86    * A data model to hold the 'normal' base value at a position, and an optional
87    * sequence variant feature
88    */
89   static final class DnaVariant
90   {
91     final String base;
92
93     SequenceFeature variant;
94
95     DnaVariant(String nuc)
96     {
97       base = nuc;
98       variant = null;
99     }
100
101     DnaVariant(String nuc, SequenceFeature var)
102     {
103       base = nuc;
104       variant = var;
105     }
106
107     public String getSource()
108     {
109       return variant == null ? null : variant.getFeatureGroup();
110     }
111
112     /**
113      * toString for aid in the debugger only
114      */
115     @Override
116     public String toString()
117     {
118       return base + ":" + (variant == null ? "" : variant.getDescription());
119     }
120   }
121
122   /**
123    * given an existing alignment, create a new alignment including all, or up to
124    * flankSize additional symbols from each sequence's dataset sequence
125    * 
126    * @param core
127    * @param flankSize
128    * @return AlignmentI
129    */
130   public static AlignmentI expandContext(AlignmentI core, int flankSize)
131   {
132     List<SequenceI> sq = new ArrayList<>();
133     int maxoffset = 0;
134     for (SequenceI s : core.getSequences())
135     {
136       SequenceI newSeq = s.deriveSequence();
137       final int newSeqStart = newSeq.getStart() - 1;
138       if (newSeqStart > maxoffset
139               && newSeq.getDatasetSequence().getStart() < s.getStart())
140       {
141         maxoffset = newSeqStart;
142       }
143       sq.add(newSeq);
144     }
145     if (flankSize > -1)
146     {
147       maxoffset = Math.min(maxoffset, flankSize);
148     }
149
150     /*
151      * now add offset left and right to create an expanded alignment
152      */
153     for (SequenceI s : sq)
154     {
155       SequenceI ds = s;
156       while (ds.getDatasetSequence() != null)
157       {
158         ds = ds.getDatasetSequence();
159       }
160       int s_end = s.findPosition(s.getStart() + s.getLength());
161       // find available flanking residues for sequence
162       int ustream_ds = s.getStart() - ds.getStart();
163       int dstream_ds = ds.getEnd() - s_end;
164
165       // build new flanked sequence
166
167       // compute gap padding to start of flanking sequence
168       int offset = maxoffset - ustream_ds;
169
170       // padding is gapChar x ( maxoffset - min(ustream_ds, flank)
171       if (flankSize >= 0)
172       {
173         if (flankSize < ustream_ds)
174         {
175           // take up to flankSize residues
176           offset = maxoffset - flankSize;
177           ustream_ds = flankSize;
178         }
179         if (flankSize <= dstream_ds)
180         {
181           dstream_ds = flankSize - 1;
182         }
183       }
184       // TODO use Character.toLowerCase to avoid creating String objects?
185       char[] upstream = new String(ds
186               .getSequence(s.getStart() - 1 - ustream_ds, s.getStart() - 1))
187                       .toLowerCase(Locale.ROOT).toCharArray();
188       char[] downstream = new String(
189               ds.getSequence(s_end - 1, s_end + dstream_ds))
190                       .toLowerCase(Locale.ROOT).toCharArray();
191       char[] coreseq = s.getSequence();
192       char[] nseq = new char[offset + upstream.length + downstream.length
193               + coreseq.length];
194       char c = core.getGapCharacter();
195
196       int p = 0;
197       for (; p < offset; p++)
198       {
199         nseq[p] = c;
200       }
201
202       System.arraycopy(upstream, 0, nseq, p, upstream.length);
203       System.arraycopy(coreseq, 0, nseq, p + upstream.length,
204               coreseq.length);
205       System.arraycopy(downstream, 0, nseq,
206               p + coreseq.length + upstream.length, downstream.length);
207       s.setSequence(new String(nseq));
208       s.setStart(s.getStart() - ustream_ds);
209       s.setEnd(s_end + downstream.length);
210     }
211     AlignmentI newAl = new jalview.datamodel.Alignment(
212             sq.toArray(new SequenceI[0]));
213     for (SequenceI s : sq)
214     {
215       if (s.getAnnotation() != null)
216       {
217         for (AlignmentAnnotation aa : s.getAnnotation())
218         {
219           aa.adjustForAlignment(); // JAL-1712 fix
220           newAl.addAnnotation(aa);
221         }
222       }
223     }
224     newAl.setDataset(core.getDataset());
225     return newAl;
226   }
227
228   /**
229    * Returns the index (zero-based position) of a sequence in an alignment, or
230    * -1 if not found.
231    * 
232    * @param al
233    * @param seq
234    * @return
235    */
236   public static int getSequenceIndex(AlignmentI al, SequenceI seq)
237   {
238     int result = -1;
239     int pos = 0;
240     for (SequenceI alSeq : al.getSequences())
241     {
242       if (alSeq == seq)
243       {
244         result = pos;
245         break;
246       }
247       pos++;
248     }
249     return result;
250   }
251
252   /**
253    * Returns a map of lists of sequences in the alignment, keyed by sequence
254    * name. For use in mapping between different alignment views of the same
255    * sequences.
256    * 
257    * @see jalview.datamodel.AlignmentI#getSequencesByName()
258    */
259   public static Map<String, List<SequenceI>> getSequencesByName(
260           AlignmentI al)
261   {
262     Map<String, List<SequenceI>> theMap = new LinkedHashMap<>();
263     for (SequenceI seq : al.getSequences())
264     {
265       String name = seq.getName();
266       if (name != null)
267       {
268         List<SequenceI> seqs = theMap.get(name);
269         if (seqs == null)
270         {
271           seqs = new ArrayList<>();
272           theMap.put(name, seqs);
273         }
274         seqs.add(seq);
275       }
276     }
277     return theMap;
278   }
279
280   /**
281    * Build mapping of protein to cDNA alignment. Mappings are made between
282    * sequences where the cDNA translates to the protein sequence. Any new
283    * mappings are added to the protein alignment. Returns true if any mappings
284    * either already exist or were added, else false.
285    * 
286    * @param proteinAlignment
287    * @param cdnaAlignment
288    * @return
289    */
290   public static boolean mapProteinAlignmentToCdna(
291           final AlignmentI proteinAlignment, final AlignmentI cdnaAlignment)
292   {
293     if (proteinAlignment == null || cdnaAlignment == null)
294     {
295       return false;
296     }
297
298     Set<SequenceI> mappedDna = new HashSet<>();
299     Set<SequenceI> mappedProtein = new HashSet<>();
300
301     /*
302      * First pass - map sequences where cross-references exist. This include
303      * 1-to-many mappings to support, for example, variant cDNA.
304      */
305     boolean mappingPerformed = mapProteinToCdna(proteinAlignment,
306             cdnaAlignment, mappedDna, mappedProtein, true);
307
308     /*
309      * Second pass - map sequences where no cross-references exist. This only
310      * does 1-to-1 mappings and assumes corresponding sequences are in the same
311      * order in the alignments.
312      */
313     mappingPerformed |= mapProteinToCdna(proteinAlignment, cdnaAlignment,
314             mappedDna, mappedProtein, false);
315     return mappingPerformed;
316   }
317
318   /**
319    * Make mappings between compatible sequences (where the cDNA translation
320    * matches the protein).
321    * 
322    * @param proteinAlignment
323    * @param cdnaAlignment
324    * @param mappedDna
325    *          a set of mapped DNA sequences (to add to)
326    * @param mappedProtein
327    *          a set of mapped Protein sequences (to add to)
328    * @param xrefsOnly
329    *          if true, only map sequences where xrefs exist
330    * @return
331    */
332   protected static boolean mapProteinToCdna(
333           final AlignmentI proteinAlignment, final AlignmentI cdnaAlignment,
334           Set<SequenceI> mappedDna, Set<SequenceI> mappedProtein,
335           boolean xrefsOnly)
336   {
337     boolean mappingExistsOrAdded = false;
338     List<SequenceI> thisSeqs = proteinAlignment.getSequences();
339     for (SequenceI aaSeq : thisSeqs)
340     {
341       boolean proteinMapped = false;
342       AlignedCodonFrame acf = new AlignedCodonFrame();
343
344       for (SequenceI cdnaSeq : cdnaAlignment.getSequences())
345       {
346         /*
347          * Always try to map if sequences have xref to each other; this supports
348          * variant cDNA or alternative splicing for a protein sequence.
349          * 
350          * If no xrefs, try to map progressively, assuming that alignments have
351          * mappable sequences in corresponding order. These are not
352          * many-to-many, as that would risk mixing species with similar cDNA
353          * sequences.
354          */
355         if (xrefsOnly && !AlignmentUtils.haveCrossRef(aaSeq, cdnaSeq))
356         {
357           continue;
358         }
359
360         /*
361          * Don't map non-xrefd sequences more than once each. This heuristic
362          * allows us to pair up similar sequences in ordered alignments.
363          */
364         if (!xrefsOnly && (mappedProtein.contains(aaSeq)
365                 || mappedDna.contains(cdnaSeq)))
366         {
367           continue;
368         }
369         if (mappingExists(proteinAlignment.getCodonFrames(),
370                 aaSeq.getDatasetSequence(), cdnaSeq.getDatasetSequence()))
371         {
372           mappingExistsOrAdded = true;
373         }
374         else
375         {
376           MapList map = mapCdnaToProtein(aaSeq, cdnaSeq);
377           if (map != null)
378           {
379             acf.addMap(cdnaSeq, aaSeq, map);
380             mappingExistsOrAdded = true;
381             proteinMapped = true;
382             mappedDna.add(cdnaSeq);
383             mappedProtein.add(aaSeq);
384           }
385         }
386       }
387       if (proteinMapped)
388       {
389         proteinAlignment.addCodonFrame(acf);
390       }
391     }
392     return mappingExistsOrAdded;
393   }
394
395   /**
396    * Answers true if the mappings include one between the given (dataset)
397    * sequences.
398    */
399   protected static boolean mappingExists(List<AlignedCodonFrame> mappings,
400           SequenceI aaSeq, SequenceI cdnaSeq)
401   {
402     if (mappings != null)
403     {
404       for (AlignedCodonFrame acf : mappings)
405       {
406         if (cdnaSeq == acf.getDnaForAaSeq(aaSeq))
407         {
408           return true;
409         }
410       }
411     }
412     return false;
413   }
414
415   /**
416    * Builds a mapping (if possible) of a cDNA to a protein sequence.
417    * <ul>
418    * <li>first checks if the cdna translates exactly to the protein
419    * sequence</li>
420    * <li>else checks for translation after removing a STOP codon</li>
421    * <li>else checks for translation after removing a START codon</li>
422    * <li>if that fails, inspect CDS features on the cDNA sequence</li>
423    * </ul>
424    * Returns null if no mapping is determined.
425    * 
426    * @param proteinSeq
427    *          the aligned protein sequence
428    * @param cdnaSeq
429    *          the aligned cdna sequence
430    * @return
431    */
432   public static MapList mapCdnaToProtein(SequenceI proteinSeq,
433           SequenceI cdnaSeq)
434   {
435     /*
436      * Here we handle either dataset sequence set (desktop) or absent (applet).
437      * Use only the char[] form of the sequence to avoid creating possibly large
438      * String objects.
439      */
440     final SequenceI proteinDataset = proteinSeq.getDatasetSequence();
441     char[] aaSeqChars = proteinDataset != null
442             ? proteinDataset.getSequence()
443             : proteinSeq.getSequence();
444     final SequenceI cdnaDataset = cdnaSeq.getDatasetSequence();
445     char[] cdnaSeqChars = cdnaDataset != null ? cdnaDataset.getSequence()
446             : cdnaSeq.getSequence();
447     if (aaSeqChars == null || cdnaSeqChars == null)
448     {
449       return null;
450     }
451
452     /*
453      * cdnaStart/End, proteinStartEnd are base 1 (for dataset sequence mapping)
454      */
455     final int mappedLength = CODON_LENGTH * aaSeqChars.length;
456     int cdnaLength = cdnaSeqChars.length;
457     int cdnaStart = cdnaSeq.getStart();
458     int cdnaEnd = cdnaSeq.getEnd();
459     final int proteinStart = proteinSeq.getStart();
460     final int proteinEnd = proteinSeq.getEnd();
461
462     /*
463      * If lengths don't match, try ignoring stop codon (if present)
464      */
465     if (cdnaLength != mappedLength && cdnaLength > 2)
466     {
467       String lastCodon = String.valueOf(cdnaSeqChars,
468               cdnaLength - CODON_LENGTH, CODON_LENGTH)
469               .toUpperCase(Locale.ROOT);
470       for (String stop : ResidueProperties.STOP_CODONS)
471       {
472         if (lastCodon.equals(stop))
473         {
474           cdnaEnd -= CODON_LENGTH;
475           cdnaLength -= CODON_LENGTH;
476           break;
477         }
478       }
479     }
480
481     /*
482      * If lengths still don't match, try ignoring start codon.
483      */
484     int startOffset = 0;
485     if (cdnaLength != mappedLength && cdnaLength > 2
486             && String.valueOf(cdnaSeqChars, 0, CODON_LENGTH)
487                     .toUpperCase(Locale.ROOT)
488                     .equals(ResidueProperties.START))
489     {
490       startOffset += CODON_LENGTH;
491       cdnaStart += CODON_LENGTH;
492       cdnaLength -= CODON_LENGTH;
493     }
494
495     if (translatesAs(cdnaSeqChars, startOffset, aaSeqChars))
496     {
497       /*
498        * protein is translation of dna (+/- start/stop codons)
499        */
500       MapList map = new MapList(new int[] { cdnaStart, cdnaEnd },
501               new int[]
502               { proteinStart, proteinEnd }, CODON_LENGTH, 1);
503       return map;
504     }
505
506     /*
507      * translation failed - try mapping CDS annotated regions of dna
508      */
509     return mapCdsToProtein(cdnaSeq, proteinSeq);
510   }
511
512   /**
513    * Test whether the given cdna sequence, starting at the given offset,
514    * translates to the given amino acid sequence, using the standard translation
515    * table. Designed to fail fast i.e. as soon as a mismatch position is found.
516    * 
517    * @param cdnaSeqChars
518    * @param cdnaStart
519    * @param aaSeqChars
520    * @return
521    */
522   protected static boolean translatesAs(char[] cdnaSeqChars, int cdnaStart,
523           char[] aaSeqChars)
524   {
525     if (cdnaSeqChars == null || aaSeqChars == null)
526     {
527       return false;
528     }
529
530     int aaPos = 0;
531     int dnaPos = cdnaStart;
532     for (; dnaPos < cdnaSeqChars.length - 2
533             && aaPos < aaSeqChars.length; dnaPos += CODON_LENGTH, aaPos++)
534     {
535       String codon = String.valueOf(cdnaSeqChars, dnaPos, CODON_LENGTH);
536       final String translated = ResidueProperties.codonTranslate(codon);
537
538       /*
539        * allow * in protein to match untranslatable in dna
540        */
541       final char aaRes = aaSeqChars[aaPos];
542       if ((translated == null || ResidueProperties.STOP.equals(translated))
543               && aaRes == '*')
544       {
545         continue;
546       }
547       if (translated == null || !(aaRes == translated.charAt(0)))
548       {
549         // debug
550         // System.out.println(("Mismatch at " + i + "/" + aaResidue + ": "
551         // + codon + "(" + translated + ") != " + aaRes));
552         return false;
553       }
554     }
555
556     /*
557      * check we matched all of the protein sequence
558      */
559     if (aaPos != aaSeqChars.length)
560     {
561       return false;
562     }
563
564     /*
565      * check we matched all of the dna except
566      * for optional trailing STOP codon
567      */
568     if (dnaPos == cdnaSeqChars.length)
569     {
570       return true;
571     }
572     if (dnaPos == cdnaSeqChars.length - CODON_LENGTH)
573     {
574       String codon = String.valueOf(cdnaSeqChars, dnaPos, CODON_LENGTH);
575       if (ResidueProperties.STOP
576               .equals(ResidueProperties.codonTranslate(codon)))
577       {
578         return true;
579       }
580     }
581     return false;
582   }
583
584   /**
585    * Align sequence 'seq' to match the alignment of a mapped sequence. Note this
586    * currently assumes that we are aligning cDNA to match protein.
587    * 
588    * @param seq
589    *          the sequence to be realigned
590    * @param al
591    *          the alignment whose sequence alignment is to be 'copied'
592    * @param gap
593    *          character string represent a gap in the realigned sequence
594    * @param preserveUnmappedGaps
595    * @param preserveMappedGaps
596    * @return true if the sequence was realigned, false if it could not be
597    */
598   public static boolean alignSequenceAs(SequenceI seq, AlignmentI al,
599           String gap, boolean preserveMappedGaps,
600           boolean preserveUnmappedGaps)
601   {
602     /*
603      * Get any mappings from the source alignment to the target (dataset)
604      * sequence.
605      */
606     // TODO there may be one AlignedCodonFrame per dataset sequence, or one with
607     // all mappings. Would it help to constrain this?
608     List<AlignedCodonFrame> mappings = al.getCodonFrame(seq);
609     if (mappings == null || mappings.isEmpty())
610     {
611       return false;
612     }
613
614     /*
615      * Locate the aligned source sequence whose dataset sequence is mapped. We
616      * just take the first match here (as we can't align like more than one
617      * sequence).
618      */
619     SequenceI alignFrom = null;
620     AlignedCodonFrame mapping = null;
621     for (AlignedCodonFrame mp : mappings)
622     {
623       alignFrom = mp.findAlignedSequence(seq, al);
624       if (alignFrom != null)
625       {
626         mapping = mp;
627         break;
628       }
629     }
630
631     if (alignFrom == null)
632     {
633       return false;
634     }
635     alignSequenceAs(seq, alignFrom, mapping, gap, al.getGapCharacter(),
636             preserveMappedGaps, preserveUnmappedGaps);
637     return true;
638   }
639
640   /**
641    * Align sequence 'alignTo' the same way as 'alignFrom', using the mapping to
642    * match residues and codons. Flags control whether existing gaps in unmapped
643    * (intron) and mapped (exon) regions are preserved or not. Gaps between
644    * intron and exon are only retained if both flags are set.
645    * 
646    * @param alignTo
647    * @param alignFrom
648    * @param mapping
649    * @param myGap
650    * @param sourceGap
651    * @param preserveUnmappedGaps
652    * @param preserveMappedGaps
653    */
654   public static void alignSequenceAs(SequenceI alignTo, SequenceI alignFrom,
655           AlignedCodonFrame mapping, String myGap, char sourceGap,
656           boolean preserveMappedGaps, boolean preserveUnmappedGaps)
657   {
658     // TODO generalise to work for Protein-Protein, dna-dna, dna-protein
659
660     // aligned and dataset sequence positions, all base zero
661     int thisSeqPos = 0;
662     int sourceDsPos = 0;
663
664     int basesWritten = 0;
665     char myGapChar = myGap.charAt(0);
666     int ratio = myGap.length();
667
668     int fromOffset = alignFrom.getStart() - 1;
669     int toOffset = alignTo.getStart() - 1;
670     int sourceGapMappedLength = 0;
671     boolean inExon = false;
672     final int toLength = alignTo.getLength();
673     final int fromLength = alignFrom.getLength();
674     StringBuilder thisAligned = new StringBuilder(2 * toLength);
675
676     /*
677      * Traverse the 'model' aligned sequence
678      */
679     for (int i = 0; i < fromLength; i++)
680     {
681       char sourceChar = alignFrom.getCharAt(i);
682       if (sourceChar == sourceGap)
683       {
684         sourceGapMappedLength += ratio;
685         continue;
686       }
687
688       /*
689        * Found a non-gap character. Locate its mapped region if any.
690        */
691       sourceDsPos++;
692       // Note mapping positions are base 1, our sequence positions base 0
693       int[] mappedPos = mapping.getMappedRegion(alignTo, alignFrom,
694               sourceDsPos + fromOffset);
695       if (mappedPos == null)
696       {
697         /*
698          * unmapped position; treat like a gap
699          */
700         sourceGapMappedLength += ratio;
701         // System.err.println("Can't align: no codon mapping to residue "
702         // + sourceDsPos + "(" + sourceChar + ")");
703         // return;
704         continue;
705       }
706
707       int mappedCodonStart = mappedPos[0]; // position (1...) of codon start
708       int mappedCodonEnd = mappedPos[mappedPos.length - 1]; // codon end pos
709       StringBuilder trailingCopiedGap = new StringBuilder();
710
711       /*
712        * Copy dna sequence up to and including this codon. Optionally, include
713        * gaps before the codon starts (in introns) and/or after the codon starts
714        * (in exons).
715        * 
716        * Note this only works for 'linear' splicing, not reverse or interleaved.
717        * But then 'align dna as protein' doesn't make much sense otherwise.
718        */
719       int intronLength = 0;
720       while (basesWritten + toOffset < mappedCodonEnd
721               && thisSeqPos < toLength)
722       {
723         final char c = alignTo.getCharAt(thisSeqPos++);
724         if (c != myGapChar)
725         {
726           basesWritten++;
727           int sourcePosition = basesWritten + toOffset;
728           if (sourcePosition < mappedCodonStart)
729           {
730             /*
731              * Found an unmapped (intron) base. First add in any preceding gaps
732              * (if wanted).
733              */
734             if (preserveUnmappedGaps && trailingCopiedGap.length() > 0)
735             {
736               thisAligned.append(trailingCopiedGap.toString());
737               intronLength += trailingCopiedGap.length();
738               trailingCopiedGap = new StringBuilder();
739             }
740             intronLength++;
741             inExon = false;
742           }
743           else
744           {
745             final boolean startOfCodon = sourcePosition == mappedCodonStart;
746             int gapsToAdd = calculateGapsToInsert(preserveMappedGaps,
747                     preserveUnmappedGaps, sourceGapMappedLength, inExon,
748                     trailingCopiedGap.length(), intronLength, startOfCodon);
749             for (int k = 0; k < gapsToAdd; k++)
750             {
751               thisAligned.append(myGapChar);
752             }
753             sourceGapMappedLength = 0;
754             inExon = true;
755           }
756           thisAligned.append(c);
757           trailingCopiedGap = new StringBuilder();
758         }
759         else
760         {
761           if (inExon && preserveMappedGaps)
762           {
763             trailingCopiedGap.append(myGapChar);
764           }
765           else if (!inExon && preserveUnmappedGaps)
766           {
767             trailingCopiedGap.append(myGapChar);
768           }
769         }
770       }
771     }
772
773     /*
774      * At end of model aligned sequence. Copy any remaining target sequence, optionally
775      * including (intron) gaps.
776      */
777     while (thisSeqPos < toLength)
778     {
779       final char c = alignTo.getCharAt(thisSeqPos++);
780       if (c != myGapChar || preserveUnmappedGaps)
781       {
782         thisAligned.append(c);
783       }
784       sourceGapMappedLength--;
785     }
786
787     /*
788      * finally add gaps to pad for any trailing source gaps or
789      * unmapped characters
790      */
791     if (preserveUnmappedGaps)
792     {
793       while (sourceGapMappedLength > 0)
794       {
795         thisAligned.append(myGapChar);
796         sourceGapMappedLength--;
797       }
798     }
799
800     /*
801      * All done aligning, set the aligned sequence.
802      */
803     alignTo.setSequence(new String(thisAligned));
804   }
805
806   /**
807    * Helper method to work out how many gaps to insert when realigning.
808    * 
809    * @param preserveMappedGaps
810    * @param preserveUnmappedGaps
811    * @param sourceGapMappedLength
812    * @param inExon
813    * @param trailingCopiedGap
814    * @param intronLength
815    * @param startOfCodon
816    * @return
817    */
818   protected static int calculateGapsToInsert(boolean preserveMappedGaps,
819           boolean preserveUnmappedGaps, int sourceGapMappedLength,
820           boolean inExon, int trailingGapLength, int intronLength,
821           final boolean startOfCodon)
822   {
823     int gapsToAdd = 0;
824     if (startOfCodon)
825     {
826       /*
827        * Reached start of codon. Ignore trailing gaps in intron unless we are
828        * preserving gaps in both exon and intron. Ignore them anyway if the
829        * protein alignment introduces a gap at least as large as the intronic
830        * region.
831        */
832       if (inExon && !preserveMappedGaps)
833       {
834         trailingGapLength = 0;
835       }
836       if (!inExon && !(preserveMappedGaps && preserveUnmappedGaps))
837       {
838         trailingGapLength = 0;
839       }
840       if (inExon)
841       {
842         gapsToAdd = Math.max(sourceGapMappedLength, trailingGapLength);
843       }
844       else
845       {
846         if (intronLength + trailingGapLength <= sourceGapMappedLength)
847         {
848           gapsToAdd = sourceGapMappedLength - intronLength;
849         }
850         else
851         {
852           gapsToAdd = Math.min(
853                   intronLength + trailingGapLength - sourceGapMappedLength,
854                   trailingGapLength);
855         }
856       }
857     }
858     else
859     {
860       /*
861        * second or third base of codon; check for any gaps in dna
862        */
863       if (!preserveMappedGaps)
864       {
865         trailingGapLength = 0;
866       }
867       gapsToAdd = Math.max(sourceGapMappedLength, trailingGapLength);
868     }
869     return gapsToAdd;
870   }
871
872   /**
873    * Realigns the given protein to match the alignment of the dna, using codon
874    * mappings to translate aligned codon positions to protein residues.
875    * 
876    * @param protein
877    *          the alignment whose sequences are realigned by this method
878    * @param dna
879    *          the dna alignment whose alignment we are 'copying'
880    * @return the number of sequences that were realigned
881    */
882   public static int alignProteinAsDna(AlignmentI protein, AlignmentI dna)
883   {
884     if (protein.isNucleotide() || !dna.isNucleotide())
885     {
886       System.err.println("Wrong alignment type in alignProteinAsDna");
887       return 0;
888     }
889     List<SequenceI> unmappedProtein = new ArrayList<>();
890     Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons = buildCodonColumnsMap(
891             protein, dna, unmappedProtein);
892     return alignProteinAs(protein, alignedCodons, unmappedProtein);
893   }
894
895   /**
896    * Realigns the given dna to match the alignment of the protein, using codon
897    * mappings to translate aligned peptide positions to codons.
898    * 
899    * Always produces a padded CDS alignment.
900    * 
901    * @param dna
902    *          the alignment whose sequences are realigned by this method
903    * @param protein
904    *          the protein alignment whose alignment we are 'copying'
905    * @return the number of sequences that were realigned
906    */
907   public static int alignCdsAsProtein(AlignmentI dna, AlignmentI protein)
908   {
909     if (protein.isNucleotide() || !dna.isNucleotide())
910     {
911       System.err.println("Wrong alignment type in alignProteinAsDna");
912       return 0;
913     }
914     // todo: implement this
915     List<AlignedCodonFrame> mappings = protein.getCodonFrames();
916     int alignedCount = 0;
917     int width = 0; // alignment width for padding CDS
918     for (SequenceI dnaSeq : dna.getSequences())
919     {
920       if (alignCdsSequenceAsProtein(dnaSeq, protein, mappings,
921               dna.getGapCharacter()))
922       {
923         alignedCount++;
924       }
925       width = Math.max(dnaSeq.getLength(), width);
926     }
927     int oldwidth;
928     int diff;
929     for (SequenceI dnaSeq : dna.getSequences())
930     {
931       oldwidth = dnaSeq.getLength();
932       diff = width - oldwidth;
933       if (diff > 0)
934       {
935         dnaSeq.insertCharAt(oldwidth, diff, dna.getGapCharacter());
936       }
937     }
938     return alignedCount;
939   }
940
941   /**
942    * Helper method to align (if possible) the dna sequence to match the
943    * alignment of a mapped protein sequence. This is currently limited to
944    * handling coding sequence only.
945    * 
946    * @param cdsSeq
947    * @param protein
948    * @param mappings
949    * @param gapChar
950    * @return
951    */
952   static boolean alignCdsSequenceAsProtein(SequenceI cdsSeq,
953           AlignmentI protein, List<AlignedCodonFrame> mappings,
954           char gapChar)
955   {
956     SequenceI cdsDss = cdsSeq.getDatasetSequence();
957     if (cdsDss == null)
958     {
959       System.err
960               .println("alignCdsSequenceAsProtein needs aligned sequence!");
961       return false;
962     }
963
964     List<AlignedCodonFrame> dnaMappings = MappingUtils
965             .findMappingsForSequence(cdsSeq, mappings);
966     for (AlignedCodonFrame mapping : dnaMappings)
967     {
968       SequenceI peptide = mapping.findAlignedSequence(cdsSeq, protein);
969       if (peptide != null)
970       {
971         final int peptideLength = peptide.getLength();
972         Mapping map = mapping.getMappingBetween(cdsSeq, peptide);
973         if (map != null)
974         {
975           MapList mapList = map.getMap();
976           if (map.getTo() == peptide.getDatasetSequence())
977           {
978             mapList = mapList.getInverse();
979           }
980           final int cdsLength = cdsDss.getLength();
981           int mappedFromLength = MappingUtils
982                   .getLength(mapList.getFromRanges());
983           int mappedToLength = MappingUtils
984                   .getLength(mapList.getToRanges());
985           boolean addStopCodon = (cdsLength == mappedFromLength
986                   * CODON_LENGTH + CODON_LENGTH)
987                   || (peptide.getDatasetSequence()
988                           .getLength() == mappedFromLength - 1);
989           if (cdsLength != mappedToLength && !addStopCodon)
990           {
991             System.err.println(String.format(
992                     "Can't align cds as protein (length mismatch %d/%d): %s",
993                     cdsLength, mappedToLength, cdsSeq.getName()));
994           }
995
996           /*
997            * pre-fill the aligned cds sequence with gaps
998            */
999           char[] alignedCds = new char[peptideLength * CODON_LENGTH
1000                   + (addStopCodon ? CODON_LENGTH : 0)];
1001           Arrays.fill(alignedCds, gapChar);
1002
1003           /*
1004            * walk over the aligned peptide sequence and insert mapped 
1005            * codons for residues in the aligned cds sequence 
1006            */
1007           int copiedBases = 0;
1008           int cdsStart = cdsDss.getStart();
1009           int proteinPos = peptide.getStart() - 1;
1010           int cdsCol = 0;
1011
1012           for (int col = 0; col < peptideLength; col++)
1013           {
1014             char residue = peptide.getCharAt(col);
1015
1016             if (Comparison.isGap(residue))
1017             {
1018               cdsCol += CODON_LENGTH;
1019             }
1020             else
1021             {
1022               proteinPos++;
1023               int[] codon = mapList.locateInTo(proteinPos, proteinPos);
1024               if (codon == null)
1025               {
1026                 // e.g. incomplete start codon, X in peptide
1027                 cdsCol += CODON_LENGTH;
1028               }
1029               else
1030               {
1031                 for (int j = codon[0]; j <= codon[1]; j++)
1032                 {
1033                   char mappedBase = cdsDss.getCharAt(j - cdsStart);
1034                   alignedCds[cdsCol++] = mappedBase;
1035                   copiedBases++;
1036                 }
1037               }
1038             }
1039           }
1040
1041           /*
1042            * append stop codon if not mapped from protein,
1043            * closing it up to the end of the mapped sequence
1044            */
1045           if (copiedBases == cdsLength - CODON_LENGTH)
1046           {
1047             for (int i = alignedCds.length - 1; i >= 0; i--)
1048             {
1049               if (!Comparison.isGap(alignedCds[i]))
1050               {
1051                 cdsCol = i + 1; // gap just after end of sequence
1052                 break;
1053               }
1054             }
1055             for (int i = cdsLength - CODON_LENGTH; i < cdsLength; i++)
1056             {
1057               alignedCds[cdsCol++] = cdsDss.getCharAt(i);
1058             }
1059           }
1060           cdsSeq.setSequence(new String(alignedCds));
1061           return true;
1062         }
1063       }
1064     }
1065     return false;
1066   }
1067
1068   /**
1069    * Builds a map whose key is an aligned codon position (3 alignment column
1070    * numbers base 0), and whose value is a map from protein sequence to each
1071    * protein's peptide residue for that codon. The map generates an ordering of
1072    * the codons, and allows us to read off the peptides at each position in
1073    * order to assemble 'aligned' protein sequences.
1074    * 
1075    * @param protein
1076    *          the protein alignment
1077    * @param dna
1078    *          the coding dna alignment
1079    * @param unmappedProtein
1080    *          any unmapped proteins are added to this list
1081    * @return
1082    */
1083   protected static Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> buildCodonColumnsMap(
1084           AlignmentI protein, AlignmentI dna,
1085           List<SequenceI> unmappedProtein)
1086   {
1087     /*
1088      * maintain a list of any proteins with no mappings - these will be
1089      * rendered 'as is' in the protein alignment as we can't align them
1090      */
1091     unmappedProtein.addAll(protein.getSequences());
1092
1093     List<AlignedCodonFrame> mappings = protein.getCodonFrames();
1094
1095     /*
1096      * Map will hold, for each aligned codon position e.g. [3, 5, 6], a map of
1097      * {dnaSequence, {proteinSequence, codonProduct}} at that position. The
1098      * comparator keeps the codon positions ordered.
1099      */
1100     Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons = new TreeMap<>(
1101             new CodonComparator());
1102
1103     for (SequenceI dnaSeq : dna.getSequences())
1104     {
1105       for (AlignedCodonFrame mapping : mappings)
1106       {
1107         SequenceI prot = mapping.findAlignedSequence(dnaSeq, protein);
1108         if (prot != null)
1109         {
1110           Mapping seqMap = mapping.getMappingForSequence(dnaSeq);
1111           addCodonPositions(dnaSeq, prot, protein.getGapCharacter(), seqMap,
1112                   alignedCodons);
1113           unmappedProtein.remove(prot);
1114         }
1115       }
1116     }
1117
1118     /*
1119      * Finally add any unmapped peptide start residues (e.g. for incomplete
1120      * codons) as if at the codon position before the second residue
1121      */
1122     // TODO resolve JAL-2022 so this fudge can be removed
1123     int mappedSequenceCount = protein.getHeight() - unmappedProtein.size();
1124     addUnmappedPeptideStarts(alignedCodons, mappedSequenceCount);
1125
1126     return alignedCodons;
1127   }
1128
1129   /**
1130    * Scans for any protein mapped from position 2 (meaning unmapped start
1131    * position e.g. an incomplete codon), and synthesizes a 'codon' for it at the
1132    * preceding position in the alignment
1133    * 
1134    * @param alignedCodons
1135    *          the codon-to-peptide map
1136    * @param mappedSequenceCount
1137    *          the number of distinct sequences in the map
1138    */
1139   protected static void addUnmappedPeptideStarts(
1140           Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons,
1141           int mappedSequenceCount)
1142   {
1143     // TODO delete this ugly hack once JAL-2022 is resolved
1144     // i.e. we can model startPhase > 0 (incomplete start codon)
1145
1146     List<SequenceI> sequencesChecked = new ArrayList<>();
1147     AlignedCodon lastCodon = null;
1148     Map<SequenceI, AlignedCodon> toAdd = new HashMap<>();
1149
1150     for (Entry<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> entry : alignedCodons
1151             .entrySet())
1152     {
1153       for (Entry<SequenceI, AlignedCodon> sequenceCodon : entry.getValue()
1154               .entrySet())
1155       {
1156         SequenceI seq = sequenceCodon.getKey();
1157         if (sequencesChecked.contains(seq))
1158         {
1159           continue;
1160         }
1161         sequencesChecked.add(seq);
1162         AlignedCodon codon = sequenceCodon.getValue();
1163         if (codon.peptideCol > 1)
1164         {
1165           System.err.println(
1166                   "Problem mapping protein with >1 unmapped start positions: "
1167                           + seq.getName());
1168         }
1169         else if (codon.peptideCol == 1)
1170         {
1171           /*
1172            * first position (peptideCol == 0) was unmapped - add it
1173            */
1174           if (lastCodon != null)
1175           {
1176             AlignedCodon firstPeptide = new AlignedCodon(lastCodon.pos1,
1177                     lastCodon.pos2, lastCodon.pos3,
1178                     String.valueOf(seq.getCharAt(0)), 0);
1179             toAdd.put(seq, firstPeptide);
1180           }
1181           else
1182           {
1183             /*
1184              * unmapped residue at start of alignment (no prior column) -
1185              * 'insert' at nominal codon [0, 0, 0]
1186              */
1187             AlignedCodon firstPeptide = new AlignedCodon(0, 0, 0,
1188                     String.valueOf(seq.getCharAt(0)), 0);
1189             toAdd.put(seq, firstPeptide);
1190           }
1191         }
1192         if (sequencesChecked.size() == mappedSequenceCount)
1193         {
1194           // no need to check past first mapped position in all sequences
1195           break;
1196         }
1197       }
1198       lastCodon = entry.getKey();
1199     }
1200
1201     /*
1202      * add any new codons safely after iterating over the map
1203      */
1204     for (Entry<SequenceI, AlignedCodon> startCodon : toAdd.entrySet())
1205     {
1206       addCodonToMap(alignedCodons, startCodon.getValue(),
1207               startCodon.getKey());
1208     }
1209   }
1210
1211   /**
1212    * Update the aligned protein sequences to match the codon alignments given in
1213    * the map.
1214    * 
1215    * @param protein
1216    * @param alignedCodons
1217    *          an ordered map of codon positions (columns), with sequence/peptide
1218    *          values present in each column
1219    * @param unmappedProtein
1220    * @return
1221    */
1222   protected static int alignProteinAs(AlignmentI protein,
1223           Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons,
1224           List<SequenceI> unmappedProtein)
1225   {
1226     /*
1227      * prefill peptide sequences with gaps 
1228      */
1229     int alignedWidth = alignedCodons.size();
1230     char[] gaps = new char[alignedWidth];
1231     Arrays.fill(gaps, protein.getGapCharacter());
1232     Map<SequenceI, char[]> peptides = new HashMap<>();
1233     for (SequenceI seq : protein.getSequences())
1234     {
1235       if (!unmappedProtein.contains(seq))
1236       {
1237         peptides.put(seq, Arrays.copyOf(gaps, gaps.length));
1238       }
1239     }
1240
1241     /*
1242      * Traverse the codons left to right (as defined by CodonComparator)
1243      * and insert peptides in each column where the sequence is mapped.
1244      * This gives a peptide 'alignment' where residues are aligned if their
1245      * corresponding codons occupy the same columns in the cdna alignment.
1246      */
1247     int column = 0;
1248     for (AlignedCodon codon : alignedCodons.keySet())
1249     {
1250       final Map<SequenceI, AlignedCodon> columnResidues = alignedCodons
1251               .get(codon);
1252       for (Entry<SequenceI, AlignedCodon> entry : columnResidues.entrySet())
1253       {
1254         char residue = entry.getValue().product.charAt(0);
1255         peptides.get(entry.getKey())[column] = residue;
1256       }
1257       column++;
1258     }
1259
1260     /*
1261      * and finally set the constructed sequences
1262      */
1263     for (Entry<SequenceI, char[]> entry : peptides.entrySet())
1264     {
1265       entry.getKey().setSequence(new String(entry.getValue()));
1266     }
1267
1268     return 0;
1269   }
1270
1271   /**
1272    * Populate the map of aligned codons by traversing the given sequence
1273    * mapping, locating the aligned positions of mapped codons, and adding those
1274    * positions and their translation products to the map.
1275    * 
1276    * @param dna
1277    *          the aligned sequence we are mapping from
1278    * @param protein
1279    *          the sequence to be aligned to the codons
1280    * @param gapChar
1281    *          the gap character in the dna sequence
1282    * @param seqMap
1283    *          a mapping to a sequence translation
1284    * @param alignedCodons
1285    *          the map we are building up
1286    */
1287   static void addCodonPositions(SequenceI dna, SequenceI protein,
1288           char gapChar, Mapping seqMap,
1289           Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons)
1290   {
1291     Iterator<AlignedCodon> codons = seqMap.getCodonIterator(dna, gapChar);
1292
1293     /*
1294      * add codon positions, and their peptide translations, to the alignment
1295      * map, while remembering the first codon mapped
1296      */
1297     while (codons.hasNext())
1298     {
1299       try
1300       {
1301         AlignedCodon codon = codons.next();
1302         addCodonToMap(alignedCodons, codon, protein);
1303       } catch (IncompleteCodonException e)
1304       {
1305         // possible incomplete trailing codon - ignore
1306       } catch (NoSuchElementException e)
1307       {
1308         // possibly peptide lacking STOP
1309       }
1310     }
1311   }
1312
1313   /**
1314    * Helper method to add a codon-to-peptide entry to the aligned codons map
1315    * 
1316    * @param alignedCodons
1317    * @param codon
1318    * @param protein
1319    */
1320   protected static void addCodonToMap(
1321           Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons,
1322           AlignedCodon codon, SequenceI protein)
1323   {
1324     Map<SequenceI, AlignedCodon> seqProduct = alignedCodons.get(codon);
1325     if (seqProduct == null)
1326     {
1327       seqProduct = new HashMap<>();
1328       alignedCodons.put(codon, seqProduct);
1329     }
1330     seqProduct.put(protein, codon);
1331   }
1332
1333   /**
1334    * Returns true if a cDNA/Protein mapping either exists, or could be made,
1335    * between at least one pair of sequences in the two alignments. Currently,
1336    * the logic is:
1337    * <ul>
1338    * <li>One alignment must be nucleotide, and the other protein</li>
1339    * <li>At least one pair of sequences must be already mapped, or mappable</li>
1340    * <li>Mappable means the nucleotide translation matches the protein
1341    * sequence</li>
1342    * <li>The translation may ignore start and stop codons if present in the
1343    * nucleotide</li>
1344    * </ul>
1345    * 
1346    * @param al1
1347    * @param al2
1348    * @return
1349    */
1350   public static boolean isMappable(AlignmentI al1, AlignmentI al2)
1351   {
1352     if (al1 == null || al2 == null)
1353     {
1354       return false;
1355     }
1356
1357     /*
1358      * Require one nucleotide and one protein
1359      */
1360     if (al1.isNucleotide() == al2.isNucleotide())
1361     {
1362       return false;
1363     }
1364     AlignmentI dna = al1.isNucleotide() ? al1 : al2;
1365     AlignmentI protein = dna == al1 ? al2 : al1;
1366     List<AlignedCodonFrame> mappings = protein.getCodonFrames();
1367     for (SequenceI dnaSeq : dna.getSequences())
1368     {
1369       for (SequenceI proteinSeq : protein.getSequences())
1370       {
1371         if (isMappable(dnaSeq, proteinSeq, mappings))
1372         {
1373           return true;
1374         }
1375       }
1376     }
1377     return false;
1378   }
1379
1380   /**
1381    * Returns true if the dna sequence is mapped, or could be mapped, to the
1382    * protein sequence.
1383    * 
1384    * @param dnaSeq
1385    * @param proteinSeq
1386    * @param mappings
1387    * @return
1388    */
1389   protected static boolean isMappable(SequenceI dnaSeq,
1390           SequenceI proteinSeq, List<AlignedCodonFrame> mappings)
1391   {
1392     if (dnaSeq == null || proteinSeq == null)
1393     {
1394       return false;
1395     }
1396
1397     SequenceI dnaDs = dnaSeq.getDatasetSequence() == null ? dnaSeq
1398             : dnaSeq.getDatasetSequence();
1399     SequenceI proteinDs = proteinSeq.getDatasetSequence() == null
1400             ? proteinSeq
1401             : proteinSeq.getDatasetSequence();
1402
1403     for (AlignedCodonFrame mapping : mappings)
1404     {
1405       if (proteinDs == mapping.getAaForDnaSeq(dnaDs))
1406       {
1407         /*
1408          * already mapped
1409          */
1410         return true;
1411       }
1412     }
1413
1414     /*
1415      * Just try to make a mapping (it is not yet stored), test whether
1416      * successful.
1417      */
1418     return mapCdnaToProtein(proteinDs, dnaDs) != null;
1419   }
1420
1421   /**
1422    * Finds any reference annotations associated with the sequences in
1423    * sequenceScope, that are not already added to the alignment, and adds them
1424    * to the 'candidates' map. Also populates a lookup table of annotation
1425    * labels, keyed by calcId, for use in constructing tooltips or the like.
1426    * 
1427    * @param sequenceScope
1428    *          the sequences to scan for reference annotations
1429    * @param labelForCalcId
1430    *          (optional) map to populate with label for calcId
1431    * @param candidates
1432    *          map to populate with annotations for sequence
1433    * @param al
1434    *          the alignment to check for presence of annotations
1435    */
1436   public static void findAddableReferenceAnnotations(
1437           List<SequenceI> sequenceScope, Map<String, String> labelForCalcId,
1438           final Map<SequenceI, List<AlignmentAnnotation>> candidates,
1439           AlignmentI al)
1440   {
1441     if (sequenceScope == null)
1442     {
1443       return;
1444     }
1445
1446     /*
1447      * For each sequence in scope, make a list of any annotations on the
1448      * underlying dataset sequence which are not already on the alignment.
1449      * 
1450      * Add to a map of { alignmentSequence, <List of annotations to add> }
1451      */
1452     for (SequenceI seq : sequenceScope)
1453     {
1454       SequenceI dataset = seq.getDatasetSequence();
1455       if (dataset == null)
1456       {
1457         continue;
1458       }
1459       AlignmentAnnotation[] datasetAnnotations = dataset.getAnnotation();
1460       if (datasetAnnotations == null)
1461       {
1462         continue;
1463       }
1464       final List<AlignmentAnnotation> result = new ArrayList<>();
1465       for (AlignmentAnnotation dsann : datasetAnnotations)
1466       {
1467         /*
1468          * Find matching annotations on the alignment. If none is found, then
1469          * add this annotation to the list of 'addable' annotations for this
1470          * sequence.
1471          */
1472         final Iterable<AlignmentAnnotation> matchedAlignmentAnnotations = al
1473                 .findAnnotations(seq, dsann.getCalcId(), dsann.label);
1474         boolean found = false;
1475         if (matchedAlignmentAnnotations != null)
1476         {
1477           for (AlignmentAnnotation matched : matchedAlignmentAnnotations)
1478           {
1479             if (dsann.description.equals(matched.description))
1480             {
1481               found = true;
1482               break;
1483             }
1484           }
1485         }
1486         if (!found)
1487         {
1488           result.add(dsann);
1489           if (labelForCalcId != null)
1490           {
1491             labelForCalcId.put(dsann.getCalcId(), dsann.label);
1492           }
1493         }
1494       }
1495       /*
1496        * Save any addable annotations for this sequence
1497        */
1498       if (!result.isEmpty())
1499       {
1500         candidates.put(seq, result);
1501       }
1502     }
1503   }
1504
1505   /**
1506    * Adds annotations to the top of the alignment annotations, in the same order
1507    * as their related sequences. If you already have an annotation and want to
1508    * add it to a sequence in an alignment use {@code addReferenceAnnotationTo}
1509    * 
1510    * @param annotations
1511    *          the annotations to add
1512    * @param alignment
1513    *          the alignment to add them to
1514    * @param selectionGroup
1515    *          current selection group (or null if none)
1516    */
1517   public static void addReferenceAnnotations(
1518           Map<SequenceI, List<AlignmentAnnotation>> annotations,
1519           final AlignmentI alignment, final SequenceGroup selectionGroup)
1520   {
1521     for (SequenceI seq : annotations.keySet())
1522     {
1523       for (AlignmentAnnotation ann : annotations.get(seq))
1524       {
1525         addReferenceAnnotationTo(alignment, seq, ann, selectionGroup);
1526       }
1527     }
1528   }
1529
1530   /**
1531    * Make a copy of a reference annotation {@code ann} and add it to an
1532    * alignment sequence {@code seq} in {@code alignment}, optionally limited to
1533    * the extent of {@code selectionGroup}
1534    * 
1535    * @param alignment
1536    * @param seq
1537    * @param ann
1538    * @param selectionGroup
1539    *          - may be null
1540    * @return annotation added to {@code seq and {@code alignment}
1541    */
1542   public static AlignmentAnnotation addReferenceAnnotationTo(
1543           final AlignmentI alignment, final SequenceI seq,
1544           final AlignmentAnnotation ann, final SequenceGroup selectionGroup)
1545   {
1546     AlignmentAnnotation copyAnn = new AlignmentAnnotation(ann);
1547     int startRes = 0;
1548     int endRes = ann.annotations.length;
1549     if (selectionGroup != null)
1550     {
1551       startRes = -1 + Math.min(seq.getEnd(), Math.max(seq.getStart(),
1552               seq.findPosition(selectionGroup.getStartRes())));
1553       endRes = -1 + Math.min(seq.getEnd(),
1554               seq.findPosition(selectionGroup.getEndRes()));
1555
1556     }
1557     copyAnn.restrict(startRes, endRes + 0);
1558
1559     /*
1560      * Add to the sequence (sets copyAnn.datasetSequence), unless the
1561      * original annotation is already on the sequence.
1562      */
1563     if (!seq.hasAnnotation(ann))
1564     {
1565       ContactMatrixI cm = seq.getDatasetSequence().getContactMatrixFor(ann);
1566       if (cm != null)
1567       {
1568         seq.addContactListFor(copyAnn, cm);
1569       }
1570       seq.addAlignmentAnnotation(copyAnn);
1571     }
1572     // adjust for gaps
1573     copyAnn.adjustForAlignment();
1574     // add to the alignment and set visible
1575     alignment.addAnnotation(copyAnn);
1576     copyAnn.visible = true;
1577
1578     return copyAnn;
1579   }
1580
1581   /**
1582    * Set visibility of alignment annotations of specified types (labels), for
1583    * specified sequences. This supports controls like "Show all secondary
1584    * structure", "Hide all Temp factor", etc.
1585    * 
1586    * @al the alignment to scan for annotations
1587    * @param types
1588    *          the types (labels) of annotations to be updated
1589    * @param forSequences
1590    *          if not null, only annotations linked to one of these sequences are
1591    *          in scope for update; if null, acts on all sequence annotations
1592    * @param anyType
1593    *          if this flag is true, 'types' is ignored (label not checked)
1594    * @param doShow
1595    *          if true, set visibility on, else set off
1596    */
1597   public static void showOrHideSequenceAnnotations(AlignmentI al,
1598           Collection<String> types, List<SequenceI> forSequences,
1599           boolean anyType, boolean doShow)
1600   {
1601     AlignmentAnnotation[] anns = al.getAlignmentAnnotation();
1602     if (anns != null)
1603     {
1604       for (AlignmentAnnotation aa : anns)
1605       {
1606         if (anyType || types.contains(aa.label))
1607         {
1608           if ((aa.sequenceRef != null) && (forSequences == null
1609                   || forSequences.contains(aa.sequenceRef)))
1610           {
1611             aa.visible = doShow;
1612           }
1613         }
1614       }
1615     }
1616   }
1617
1618   public static AlignmentAnnotation getFirstSequenceAnnotationOfType(
1619           AlignmentI al, int graphType)
1620   {
1621     AlignmentAnnotation[] anns = al.getAlignmentAnnotation();
1622     if (anns != null)
1623     {
1624       for (AlignmentAnnotation aa : anns)
1625       {
1626         if (aa.sequenceRef != null && aa.graph == graphType)
1627           return aa;
1628       }
1629     }
1630     return null;
1631   }
1632
1633   /**
1634    * Returns true if either sequence has a cross-reference to the other
1635    * 
1636    * @param seq1
1637    * @param seq2
1638    * @return
1639    */
1640   public static boolean haveCrossRef(SequenceI seq1, SequenceI seq2)
1641   {
1642     // Note: moved here from class CrossRef as the latter class has dependencies
1643     // not availability to the applet's classpath
1644     return hasCrossRef(seq1, seq2) || hasCrossRef(seq2, seq1);
1645   }
1646
1647   /**
1648    * Returns true if seq1 has a cross-reference to seq2. Currently this assumes
1649    * that sequence name is structured as Source|AccessionId.
1650    * 
1651    * @param seq1
1652    * @param seq2
1653    * @return
1654    */
1655   public static boolean hasCrossRef(SequenceI seq1, SequenceI seq2)
1656   {
1657     if (seq1 == null || seq2 == null)
1658     {
1659       return false;
1660     }
1661     String name = seq2.getName();
1662     final List<DBRefEntry> xrefs = seq1.getDBRefs();
1663     if (xrefs != null)
1664     {
1665       for (int ix = 0, nx = xrefs.size(); ix < nx; ix++)
1666       {
1667         DBRefEntry xref = xrefs.get(ix);
1668         String xrefName = xref.getSource() + "|" + xref.getAccessionId();
1669         // case-insensitive test, consistent with DBRefEntry.equalRef()
1670         if (xrefName.equalsIgnoreCase(name))
1671         {
1672           return true;
1673         }
1674       }
1675     }
1676     return false;
1677   }
1678
1679   /**
1680    * Constructs an alignment consisting of the mapped (CDS) regions in the given
1681    * nucleotide sequences, and updates mappings to match. The CDS sequences are
1682    * added to the original alignment's dataset, which is shared by the new
1683    * alignment. Mappings from nucleotide to CDS, and from CDS to protein, are
1684    * added to the alignment dataset.
1685    * 
1686    * @param dna
1687    *          aligned nucleotide (dna or cds) sequences
1688    * @param dataset
1689    *          the alignment dataset the sequences belong to
1690    * @param products
1691    *          (optional) to restrict results to CDS that map to specified
1692    *          protein products
1693    * @return an alignment whose sequences are the cds-only parts of the dna
1694    *         sequences (or null if no mappings are found)
1695    */
1696   public static AlignmentI makeCdsAlignment(SequenceI[] dna,
1697           AlignmentI dataset, SequenceI[] products)
1698   {
1699     if (dataset == null || dataset.getDataset() != null)
1700     {
1701       throw new IllegalArgumentException(
1702               "IMPLEMENTATION ERROR: dataset.getDataset() must be null!");
1703     }
1704     List<SequenceI> foundSeqs = new ArrayList<>();
1705     List<SequenceI> cdsSeqs = new ArrayList<>();
1706     List<AlignedCodonFrame> mappings = dataset.getCodonFrames();
1707     HashSet<SequenceI> productSeqs = null;
1708     if (products != null)
1709     {
1710       productSeqs = new HashSet<>();
1711       for (SequenceI seq : products)
1712       {
1713         productSeqs.add(seq.getDatasetSequence() == null ? seq
1714                 : seq.getDatasetSequence());
1715       }
1716     }
1717
1718     /*
1719      * Construct CDS sequences from mappings on the alignment dataset.
1720      * The logic is:
1721      * - find the protein product(s) mapped to from each dna sequence
1722      * - if the mapping covers the whole dna sequence (give or take start/stop
1723      *   codon), take the dna as the CDS sequence
1724      * - else search dataset mappings for a suitable dna sequence, i.e. one
1725      *   whose whole sequence is mapped to the protein 
1726      * - if no sequence found, construct one from the dna sequence and mapping
1727      *   (and add it to dataset so it is found if this is repeated)
1728      */
1729     for (SequenceI dnaSeq : dna)
1730     {
1731       SequenceI dnaDss = dnaSeq.getDatasetSequence() == null ? dnaSeq
1732               : dnaSeq.getDatasetSequence();
1733
1734       List<AlignedCodonFrame> seqMappings = MappingUtils
1735               .findMappingsForSequence(dnaSeq, mappings);
1736       for (AlignedCodonFrame mapping : seqMappings)
1737       {
1738         List<Mapping> mappingsFromSequence = mapping
1739                 .getMappingsFromSequence(dnaSeq);
1740
1741         for (Mapping aMapping : mappingsFromSequence)
1742         {
1743           MapList mapList = aMapping.getMap();
1744           if (mapList.getFromRatio() == 1)
1745           {
1746             /*
1747              * not a dna-to-protein mapping (likely dna-to-cds)
1748              */
1749             continue;
1750           }
1751
1752           /*
1753            * skip if mapping is not to one of the target set of proteins
1754            */
1755           SequenceI proteinProduct = aMapping.getTo();
1756           if (productSeqs != null && !productSeqs.contains(proteinProduct))
1757           {
1758             continue;
1759           }
1760
1761           /*
1762            * try to locate the CDS from the dataset mappings;
1763            * guard against duplicate results (for the case that protein has
1764            * dbrefs to both dna and cds sequences)
1765            */
1766           SequenceI cdsSeq = findCdsForProtein(mappings, dnaSeq,
1767                   seqMappings, aMapping);
1768           if (cdsSeq != null)
1769           {
1770             if (!foundSeqs.contains(cdsSeq))
1771             {
1772               foundSeqs.add(cdsSeq);
1773               SequenceI derivedSequence = cdsSeq.deriveSequence();
1774               cdsSeqs.add(derivedSequence);
1775               if (!dataset.getSequences().contains(cdsSeq))
1776               {
1777                 dataset.addSequence(cdsSeq);
1778               }
1779             }
1780             continue;
1781           }
1782
1783           /*
1784            * didn't find mapped CDS sequence - construct it and add
1785            * its dataset sequence to the dataset
1786            */
1787           cdsSeq = makeCdsSequence(dnaSeq.getDatasetSequence(), aMapping,
1788                   dataset).deriveSequence();
1789           // cdsSeq has a name constructed as CDS|<dbref>
1790           // <dbref> will be either the accession for the coding sequence,
1791           // marked in the /via/ dbref to the protein product accession
1792           // or it will be the original nucleotide accession.
1793           SequenceI cdsSeqDss = cdsSeq.getDatasetSequence();
1794
1795           cdsSeqs.add(cdsSeq);
1796
1797           /*
1798            * build the mapping from CDS to protein
1799            */
1800           List<int[]> cdsRange = Collections
1801                   .singletonList(new int[]
1802                   { cdsSeq.getStart(),
1803                       cdsSeq.getLength() + cdsSeq.getStart() - 1 });
1804           MapList cdsToProteinMap = new MapList(cdsRange,
1805                   mapList.getToRanges(), mapList.getFromRatio(),
1806                   mapList.getToRatio());
1807
1808           if (!dataset.getSequences().contains(cdsSeqDss))
1809           {
1810             /*
1811              * if this sequence is a newly created one, add it to the dataset
1812              * and made a CDS to protein mapping (if sequence already exists,
1813              * CDS-to-protein mapping _is_ the transcript-to-protein mapping)
1814              */
1815             dataset.addSequence(cdsSeqDss);
1816             AlignedCodonFrame cdsToProteinMapping = new AlignedCodonFrame();
1817             cdsToProteinMapping.addMap(cdsSeqDss, proteinProduct,
1818                     cdsToProteinMap);
1819
1820             /*
1821              * guard against duplicating the mapping if repeating this action
1822              */
1823             if (!mappings.contains(cdsToProteinMapping))
1824             {
1825               mappings.add(cdsToProteinMapping);
1826             }
1827           }
1828
1829           propagateDBRefsToCDS(cdsSeqDss, dnaSeq.getDatasetSequence(),
1830                   proteinProduct, aMapping);
1831           /*
1832            * add another mapping from original 'from' range to CDS
1833            */
1834           AlignedCodonFrame dnaToCdsMapping = new AlignedCodonFrame();
1835           final MapList dnaToCdsMap = new MapList(mapList.getFromRanges(),
1836                   cdsRange, 1, 1);
1837           dnaToCdsMapping.addMap(dnaSeq.getDatasetSequence(), cdsSeqDss,
1838                   dnaToCdsMap);
1839           if (!mappings.contains(dnaToCdsMapping))
1840           {
1841             mappings.add(dnaToCdsMapping);
1842           }
1843
1844           /*
1845            * transfer dna chromosomal loci (if known) to the CDS
1846            * sequence (via the mapping)
1847            */
1848           final MapList cdsToDnaMap = dnaToCdsMap.getInverse();
1849           transferGeneLoci(dnaSeq, cdsToDnaMap, cdsSeq);
1850
1851           /*
1852            * add DBRef with mapping from protein to CDS
1853            * (this enables Get Cross-References from protein alignment)
1854            * This is tricky because we can't have two DBRefs with the
1855            * same source and accession, so need a different accession for
1856            * the CDS from the dna sequence
1857            */
1858
1859           // specific use case:
1860           // Genomic contig ENSCHR:1, contains coding regions for ENSG01,
1861           // ENSG02, ENSG03, with transcripts and products similarly named.
1862           // cannot add distinct dbrefs mapping location on ENSCHR:1 to ENSG01
1863
1864           // JBPNote: ?? can't actually create an example that demonstrates we
1865           // need to
1866           // synthesize an xref.
1867
1868           List<DBRefEntry> primrefs = dnaDss.getPrimaryDBRefs();
1869           for (int ip = 0, np = primrefs.size(); ip < np; ip++)
1870           {
1871             DBRefEntry primRef = primrefs.get(ip);
1872             /*
1873              * create a cross-reference from CDS to the source sequence's
1874              * primary reference and vice versa
1875              */
1876             String source = primRef.getSource();
1877             String version = primRef.getVersion();
1878             DBRefEntry cdsCrossRef = new DBRefEntry(source,
1879                     source + ":" + version, primRef.getAccessionId());
1880             cdsCrossRef
1881                     .setMap(new Mapping(dnaDss, new MapList(cdsToDnaMap)));
1882             cdsSeqDss.addDBRef(cdsCrossRef);
1883
1884             dnaSeq.addDBRef(new DBRefEntry(source, version,
1885                     cdsSeq.getName(), new Mapping(cdsSeqDss, dnaToCdsMap)));
1886             // problem here is that the cross-reference is synthesized -
1887             // cdsSeq.getName() may be like 'CDS|dnaaccession' or
1888             // 'CDS|emblcdsacc'
1889             // assuming cds version same as dna ?!?
1890
1891             DBRefEntry proteinToCdsRef = new DBRefEntry(source, version,
1892                     cdsSeq.getName());
1893             //
1894             proteinToCdsRef.setMap(
1895                     new Mapping(cdsSeqDss, cdsToProteinMap.getInverse()));
1896             proteinProduct.addDBRef(proteinToCdsRef);
1897           }
1898           /*
1899            * transfer any features on dna that overlap the CDS
1900            */
1901           transferFeatures(dnaSeq, cdsSeq, dnaToCdsMap, null,
1902                   SequenceOntologyI.CDS);
1903         }
1904       }
1905     }
1906
1907     AlignmentI cds = new Alignment(
1908             cdsSeqs.toArray(new SequenceI[cdsSeqs.size()]));
1909     cds.setDataset(dataset);
1910
1911     return cds;
1912   }
1913
1914   /**
1915    * Tries to transfer gene loci (dbref to chromosome positions) from fromSeq to
1916    * toSeq, mediated by the given mapping between the sequences
1917    * 
1918    * @param fromSeq
1919    * @param targetToFrom
1920    *          Map
1921    * @param targetSeq
1922    */
1923   protected static void transferGeneLoci(SequenceI fromSeq,
1924           MapList targetToFrom, SequenceI targetSeq)
1925   {
1926     if (targetSeq.getGeneLoci() != null)
1927     {
1928       // already have - don't override
1929       return;
1930     }
1931     GeneLociI fromLoci = fromSeq.getGeneLoci();
1932     if (fromLoci == null)
1933     {
1934       return;
1935     }
1936
1937     MapList newMap = targetToFrom.traverse(fromLoci.getMapping());
1938
1939     if (newMap != null)
1940     {
1941       targetSeq.setGeneLoci(fromLoci.getSpeciesId(),
1942               fromLoci.getAssemblyId(), fromLoci.getChromosomeId(), newMap);
1943     }
1944   }
1945
1946   /**
1947    * A helper method that finds a CDS sequence in the alignment dataset that is
1948    * mapped to the given protein sequence, and either is, or has a mapping from,
1949    * the given dna sequence.
1950    * 
1951    * @param mappings
1952    *          set of all mappings on the dataset
1953    * @param dnaSeq
1954    *          a dna (or cds) sequence we are searching from
1955    * @param seqMappings
1956    *          the set of mappings involving dnaSeq
1957    * @param aMapping
1958    *          a transcript-to-peptide mapping
1959    * @return
1960    */
1961   static SequenceI findCdsForProtein(List<AlignedCodonFrame> mappings,
1962           SequenceI dnaSeq, List<AlignedCodonFrame> seqMappings,
1963           Mapping aMapping)
1964   {
1965     /*
1966      * TODO a better dna-cds-protein mapping data representation to allow easy
1967      * navigation; until then this clunky looping around lists of mappings
1968      */
1969     SequenceI seqDss = dnaSeq.getDatasetSequence() == null ? dnaSeq
1970             : dnaSeq.getDatasetSequence();
1971     SequenceI proteinProduct = aMapping.getTo();
1972
1973     /*
1974      * is this mapping from the whole dna sequence (i.e. CDS)?
1975      * allowing for possible stop codon on dna but not peptide
1976      */
1977     int mappedFromLength = MappingUtils
1978             .getLength(aMapping.getMap().getFromRanges());
1979     int dnaLength = seqDss.getLength();
1980     if (mappedFromLength == dnaLength
1981             || mappedFromLength == dnaLength - CODON_LENGTH)
1982     {
1983       /*
1984        * if sequence has CDS features, this is a transcript with no UTR
1985        * - do not take this as the CDS sequence! (JAL-2789)
1986        */
1987       if (seqDss.getFeatures().getFeaturesByOntology(SequenceOntologyI.CDS)
1988               .isEmpty())
1989       {
1990         return seqDss;
1991       }
1992     }
1993
1994     /*
1995      * looks like we found the dna-to-protein mapping; search for the
1996      * corresponding cds-to-protein mapping
1997      */
1998     List<AlignedCodonFrame> mappingsToPeptide = MappingUtils
1999             .findMappingsForSequence(proteinProduct, mappings);
2000     for (AlignedCodonFrame acf : mappingsToPeptide)
2001     {
2002       for (SequenceToSequenceMapping map : acf.getMappings())
2003       {
2004         Mapping mapping = map.getMapping();
2005         if (mapping != aMapping
2006                 && mapping.getMap().getFromRatio() == CODON_LENGTH
2007                 && proteinProduct == mapping.getTo()
2008                 && seqDss != map.getFromSeq())
2009         {
2010           mappedFromLength = MappingUtils
2011                   .getLength(mapping.getMap().getFromRanges());
2012           if (mappedFromLength == map.getFromSeq().getLength())
2013           {
2014             /*
2015             * found a 3:1 mapping to the protein product which covers
2016             * the whole dna sequence i.e. is from CDS; finally check the CDS
2017             * is mapped from the given dna start sequence
2018             */
2019             SequenceI cdsSeq = map.getFromSeq();
2020             // todo this test is weak if seqMappings contains multiple mappings;
2021             // we get away with it if transcript:cds relationship is 1:1
2022             List<AlignedCodonFrame> dnaToCdsMaps = MappingUtils
2023                     .findMappingsForSequence(cdsSeq, seqMappings);
2024             if (!dnaToCdsMaps.isEmpty())
2025             {
2026               return cdsSeq;
2027             }
2028           }
2029         }
2030       }
2031     }
2032     return null;
2033   }
2034
2035   /**
2036    * Helper method that makes a CDS sequence as defined by the mappings from the
2037    * given sequence i.e. extracts the 'mapped from' ranges (which may be on
2038    * forward or reverse strand).
2039    * 
2040    * @param seq
2041    * @param mapping
2042    * @param dataset
2043    *          - existing dataset. We check for sequences that look like the CDS
2044    *          we are about to construct, if one exists already, then we will
2045    *          just return that one.
2046    * @return CDS sequence (as a dataset sequence)
2047    */
2048   static SequenceI makeCdsSequence(SequenceI seq, Mapping mapping,
2049           AlignmentI dataset)
2050   {
2051     /*
2052      * construct CDS sequence name as "CDS|" with 'from id' held in the mapping
2053      * if set (e.g. EMBL protein_id), else sequence name appended
2054      */
2055     String mapFromId = mapping.getMappedFromId();
2056     final String seqId = "CDS|"
2057             + (mapFromId != null ? mapFromId : seq.getName());
2058
2059     SequenceI newSeq = null;
2060
2061     /*
2062      * construct CDS sequence by splicing mapped from ranges
2063      */
2064     char[] seqChars = seq.getSequence();
2065     List<int[]> fromRanges = mapping.getMap().getFromRanges();
2066     int cdsWidth = MappingUtils.getLength(fromRanges);
2067     char[] newSeqChars = new char[cdsWidth];
2068
2069     int newPos = 0;
2070     for (int[] range : fromRanges)
2071     {
2072       if (range[0] <= range[1])
2073       {
2074         // forward strand mapping - just copy the range
2075         int length = range[1] - range[0] + 1;
2076         System.arraycopy(seqChars, range[0] - 1, newSeqChars, newPos,
2077                 length);
2078         newPos += length;
2079       }
2080       else
2081       {
2082         // reverse strand mapping - copy and complement one by one
2083         for (int i = range[0]; i >= range[1]; i--)
2084         {
2085           newSeqChars[newPos++] = Dna.getComplement(seqChars[i - 1]);
2086         }
2087       }
2088
2089       newSeq = new Sequence(seqId, newSeqChars, 1, newPos);
2090     }
2091
2092     if (dataset != null)
2093     {
2094       SequenceI[] matches = dataset.findSequenceMatch(newSeq.getName());
2095       if (matches != null)
2096       {
2097         boolean matched = false;
2098         for (SequenceI mtch : matches)
2099         {
2100           if (mtch.getStart() != newSeq.getStart())
2101           {
2102             continue;
2103           }
2104           if (mtch.getEnd() != newSeq.getEnd())
2105           {
2106             continue;
2107           }
2108           if (!Arrays.equals(mtch.getSequence(), newSeq.getSequence()))
2109           {
2110             continue;
2111           }
2112           if (!matched)
2113           {
2114             matched = true;
2115             newSeq = mtch;
2116           }
2117           else
2118           {
2119             Console.error(
2120                     "JAL-2154 regression: warning - found (and ignored) a duplicate CDS sequence:"
2121                             + mtch.toString());
2122           }
2123         }
2124       }
2125     }
2126     // newSeq.setDescription(mapFromId);
2127
2128     return newSeq;
2129   }
2130
2131   /**
2132    * Adds any DBRefEntrys to cdsSeq from contig that have a Mapping congruent to
2133    * the given mapping.
2134    * 
2135    * @param cdsSeq
2136    * @param contig
2137    * @param proteinProduct
2138    * @param mapping
2139    * @return list of DBRefEntrys added
2140    */
2141   protected static List<DBRefEntry> propagateDBRefsToCDS(SequenceI cdsSeq,
2142           SequenceI contig, SequenceI proteinProduct, Mapping mapping)
2143   {
2144
2145     // gather direct refs from contig congruent with mapping
2146     List<DBRefEntry> direct = new ArrayList<>();
2147     HashSet<String> directSources = new HashSet<>();
2148
2149     List<DBRefEntry> refs = contig.getDBRefs();
2150     if (refs != null)
2151     {
2152       for (int ib = 0, nb = refs.size(); ib < nb; ib++)
2153       {
2154         DBRefEntry dbr = refs.get(ib);
2155         MapList map;
2156         if (dbr.hasMap() && (map = dbr.getMap().getMap()).isTripletMap())
2157         {
2158           // check if map is the CDS mapping
2159           if (mapping.getMap().equals(map))
2160           {
2161             direct.add(dbr);
2162             directSources.add(dbr.getSource());
2163           }
2164         }
2165       }
2166     }
2167     List<DBRefEntry> onSource = DBRefUtils.selectRefs(
2168             proteinProduct.getDBRefs(),
2169             directSources.toArray(new String[0]));
2170     List<DBRefEntry> propagated = new ArrayList<>();
2171
2172     // and generate appropriate mappings
2173     for (int ic = 0, nc = direct.size(); ic < nc; ic++)
2174     {
2175       DBRefEntry cdsref = direct.get(ic);
2176       Mapping m = cdsref.getMap();
2177       // clone maplist and mapping
2178       MapList cdsposmap = new MapList(
2179               Arrays.asList(new int[][]
2180               { new int[] { cdsSeq.getStart(), cdsSeq.getEnd() } }),
2181               m.getMap().getToRanges(), 3, 1);
2182       Mapping cdsmap = new Mapping(m.getTo(), m.getMap());
2183
2184       // create dbref
2185       DBRefEntry newref = new DBRefEntry(cdsref.getSource(),
2186               cdsref.getVersion(), cdsref.getAccessionId(),
2187               new Mapping(cdsmap.getTo(), cdsposmap));
2188
2189       // and see if we can map to the protein product for this mapping.
2190       // onSource is the filtered set of accessions on protein that we are
2191       // tranferring, so we assume accession is the same.
2192       if (cdsmap.getTo() == null && onSource != null)
2193       {
2194         List<DBRefEntry> sourceRefs = DBRefUtils.searchRefs(onSource,
2195                 cdsref.getAccessionId());
2196         if (sourceRefs != null)
2197         {
2198           for (DBRefEntry srcref : sourceRefs)
2199           {
2200             if (srcref.getSource().equalsIgnoreCase(cdsref.getSource()))
2201             {
2202               // we have found a complementary dbref on the protein product, so
2203               // update mapping's getTo
2204               newref.getMap().setTo(proteinProduct);
2205             }
2206           }
2207         }
2208       }
2209       cdsSeq.addDBRef(newref);
2210       propagated.add(newref);
2211     }
2212     return propagated;
2213   }
2214
2215   /**
2216    * Transfers co-located features on 'fromSeq' to 'toSeq', adjusting the
2217    * feature start/end ranges, optionally omitting specified feature types.
2218    * Returns the number of features copied.
2219    * 
2220    * @param fromSeq
2221    * @param toSeq
2222    * @param mapping
2223    *          the mapping from 'fromSeq' to 'toSeq'
2224    * @param select
2225    *          if not null, only features of this type are copied (including
2226    *          subtypes in the Sequence Ontology)
2227    * @param omitting
2228    */
2229   protected static int transferFeatures(SequenceI fromSeq, SequenceI toSeq,
2230           MapList mapping, String select, String... omitting)
2231   {
2232     SequenceI copyTo = toSeq;
2233     while (copyTo.getDatasetSequence() != null)
2234     {
2235       copyTo = copyTo.getDatasetSequence();
2236     }
2237     if (fromSeq == copyTo || fromSeq.getDatasetSequence() == copyTo)
2238     {
2239       return 0; // shared dataset sequence
2240     }
2241
2242     /*
2243      * get features, optionally restricted by an ontology term
2244      */
2245     List<SequenceFeature> sfs = select == null
2246             ? fromSeq.getFeatures().getPositionalFeatures()
2247             : fromSeq.getFeatures().getFeaturesByOntology(select);
2248
2249     int count = 0;
2250     for (SequenceFeature sf : sfs)
2251     {
2252       String type = sf.getType();
2253       boolean omit = false;
2254       for (String toOmit : omitting)
2255       {
2256         if (type.equals(toOmit))
2257         {
2258           omit = true;
2259         }
2260       }
2261       if (omit)
2262       {
2263         continue;
2264       }
2265
2266       /*
2267        * locate the mapped range - null if either start or end is
2268        * not mapped (no partial overlaps are calculated)
2269        */
2270       int start = sf.getBegin();
2271       int end = sf.getEnd();
2272       int[] mappedTo = mapping.locateInTo(start, end);
2273       /*
2274        * if whole exon range doesn't map, try interpreting it
2275        * as 5' or 3' exon overlapping the CDS range
2276        */
2277       if (mappedTo == null)
2278       {
2279         mappedTo = mapping.locateInTo(end, end);
2280         if (mappedTo != null)
2281         {
2282           /*
2283            * end of exon is in CDS range - 5' overlap
2284            * to a range from the start of the peptide
2285            */
2286           mappedTo[0] = 1;
2287         }
2288       }
2289       if (mappedTo == null)
2290       {
2291         mappedTo = mapping.locateInTo(start, start);
2292         if (mappedTo != null)
2293         {
2294           /*
2295            * start of exon is in CDS range - 3' overlap
2296            * to a range up to the end of the peptide
2297            */
2298           mappedTo[1] = toSeq.getLength();
2299         }
2300       }
2301       if (mappedTo != null)
2302       {
2303         int newBegin = Math.min(mappedTo[0], mappedTo[1]);
2304         int newEnd = Math.max(mappedTo[0], mappedTo[1]);
2305         SequenceFeature copy = new SequenceFeature(sf, newBegin, newEnd,
2306                 sf.getFeatureGroup(), sf.getScore());
2307         copyTo.addSequenceFeature(copy);
2308         count++;
2309       }
2310     }
2311     return count;
2312   }
2313
2314   /**
2315    * Returns a mapping from dna to protein by inspecting sequence features of
2316    * type "CDS" on the dna. A mapping is constructed if the total CDS feature
2317    * length is 3 times the peptide length (optionally after dropping a trailing
2318    * stop codon). This method does not check whether the CDS nucleotide sequence
2319    * translates to the peptide sequence.
2320    * 
2321    * @param dnaSeq
2322    * @param proteinSeq
2323    * @return
2324    */
2325   public static MapList mapCdsToProtein(SequenceI dnaSeq,
2326           SequenceI proteinSeq)
2327   {
2328     List<int[]> ranges = findCdsPositions(dnaSeq);
2329     int mappedDnaLength = MappingUtils.getLength(ranges);
2330
2331     /*
2332      * if not a whole number of codons, truncate mapping
2333      */
2334     int codonRemainder = mappedDnaLength % CODON_LENGTH;
2335     if (codonRemainder > 0)
2336     {
2337       mappedDnaLength -= codonRemainder;
2338       MappingUtils.removeEndPositions(codonRemainder, ranges);
2339     }
2340
2341     int proteinLength = proteinSeq.getLength();
2342     int proteinStart = proteinSeq.getStart();
2343     int proteinEnd = proteinSeq.getEnd();
2344
2345     /*
2346      * incomplete start codon may mean X at start of peptide
2347      * we ignore both for mapping purposes
2348      */
2349     if (proteinSeq.getCharAt(0) == 'X')
2350     {
2351       // todo JAL-2022 support startPhase > 0
2352       proteinStart++;
2353       proteinLength--;
2354     }
2355     List<int[]> proteinRange = new ArrayList<>();
2356
2357     /*
2358      * dna length should map to protein (or protein plus stop codon)
2359      */
2360     int codesForResidues = mappedDnaLength / CODON_LENGTH;
2361     if (codesForResidues == (proteinLength + 1))
2362     {
2363       // assuming extra codon is for STOP and not in peptide
2364       // todo: check trailing codon is indeed a STOP codon
2365       codesForResidues--;
2366       mappedDnaLength -= CODON_LENGTH;
2367       MappingUtils.removeEndPositions(CODON_LENGTH, ranges);
2368     }
2369
2370     if (codesForResidues == proteinLength)
2371     {
2372       proteinRange.add(new int[] { proteinStart, proteinEnd });
2373       return new MapList(ranges, proteinRange, CODON_LENGTH, 1);
2374     }
2375     return null;
2376   }
2377
2378   /**
2379    * Returns a list of CDS ranges found (as sequence positions base 1), i.e. of
2380    * [start, end] positions of sequence features of type "CDS" (or a sub-type of
2381    * CDS in the Sequence Ontology). The ranges are sorted into ascending start
2382    * position order, so this method is only valid for linear CDS in the same
2383    * sense as the protein product.
2384    * 
2385    * @param dnaSeq
2386    * @return
2387    */
2388   protected static List<int[]> findCdsPositions(SequenceI dnaSeq)
2389   {
2390     List<int[]> result = new ArrayList<>();
2391
2392     List<SequenceFeature> sfs = dnaSeq.getFeatures()
2393             .getFeaturesByOntology(SequenceOntologyI.CDS);
2394     if (sfs.isEmpty())
2395     {
2396       return result;
2397     }
2398     SequenceFeatures.sortFeatures(sfs, true);
2399
2400     for (SequenceFeature sf : sfs)
2401     {
2402       int phase = 0;
2403       try
2404       {
2405         String s = sf.getPhase();
2406         if (s != null)
2407         {
2408           phase = Integer.parseInt(s);
2409         }
2410       } catch (NumberFormatException e)
2411       {
2412         // leave as zero
2413       }
2414       /*
2415        * phase > 0 on first codon means 5' incomplete - skip to the start
2416        * of the next codon; example ENST00000496384
2417        */
2418       int begin = sf.getBegin();
2419       int end = sf.getEnd();
2420       if (result.isEmpty() && phase > 0)
2421       {
2422         begin += phase;
2423         if (begin > end)
2424         {
2425           // shouldn't happen!
2426           System.err
2427                   .println("Error: start phase extends beyond start CDS in "
2428                           + dnaSeq.getName());
2429         }
2430       }
2431       result.add(new int[] { begin, end });
2432     }
2433
2434     /*
2435      * Finally sort ranges by start position. This avoids a dependency on 
2436      * keeping features in order on the sequence (if they are in order anyway,
2437      * the sort will have almost no work to do). The implicit assumption is CDS
2438      * ranges are assembled in order. Other cases should not use this method,
2439      * but instead construct an explicit mapping for CDS (e.g. EMBL parsing).
2440      */
2441     Collections.sort(result, IntRangeComparator.ASCENDING);
2442     return result;
2443   }
2444
2445   /**
2446    * Makes an alignment with a copy of the given sequences, adding in any
2447    * non-redundant sequences which are mapped to by the cross-referenced
2448    * sequences.
2449    * 
2450    * @param seqs
2451    * @param xrefs
2452    * @param dataset
2453    *          the alignment dataset shared by the new copy
2454    * @return
2455    */
2456   public static AlignmentI makeCopyAlignment(SequenceI[] seqs,
2457           SequenceI[] xrefs, AlignmentI dataset)
2458   {
2459     AlignmentI copy = new Alignment(new Alignment(seqs));
2460     copy.setDataset(dataset);
2461     boolean isProtein = !copy.isNucleotide();
2462     SequenceIdMatcher matcher = new SequenceIdMatcher(seqs);
2463     if (xrefs != null)
2464     {
2465       // BH 2019.01.25 recoded to remove iterators
2466
2467       for (int ix = 0, nx = xrefs.length; ix < nx; ix++)
2468       {
2469         SequenceI xref = xrefs[ix];
2470         List<DBRefEntry> dbrefs = xref.getDBRefs();
2471         if (dbrefs != null)
2472         {
2473           for (int ir = 0, nir = dbrefs.size(); ir < nir; ir++)
2474           {
2475             DBRefEntry dbref = dbrefs.get(ir);
2476             Mapping map = dbref.getMap();
2477             SequenceI mto;
2478             if (map == null || (mto = map.getTo()) == null
2479                     || mto.isProtein() != isProtein)
2480             {
2481               continue;
2482             }
2483             SequenceI mappedTo = mto;
2484             SequenceI match = matcher.findIdMatch(mappedTo);
2485             if (match == null)
2486             {
2487               matcher.add(mappedTo);
2488               copy.addSequence(mappedTo);
2489             }
2490           }
2491         }
2492       }
2493     }
2494     return copy;
2495   }
2496
2497   /**
2498    * Try to align sequences in 'unaligned' to match the alignment of their
2499    * mapped regions in 'aligned'. For example, could use this to align CDS
2500    * sequences which are mapped to their parent cDNA sequences.
2501    * 
2502    * This method handles 1:1 mappings (dna-to-dna or protein-to-protein). For
2503    * dna-to-protein or protein-to-dna use alternative methods.
2504    * 
2505    * @param unaligned
2506    *          sequences to be aligned
2507    * @param aligned
2508    *          holds aligned sequences and their mappings
2509    * @return
2510    */
2511   public static int alignAs(AlignmentI unaligned, AlignmentI aligned)
2512   {
2513     /*
2514      * easy case - aligning a copy of aligned sequences
2515      */
2516     if (alignAsSameSequences(unaligned, aligned))
2517     {
2518       return unaligned.getHeight();
2519     }
2520
2521     /*
2522      * fancy case - aligning via mappings between sequences
2523      */
2524     List<SequenceI> unmapped = new ArrayList<>();
2525     Map<Integer, Map<SequenceI, Character>> columnMap = buildMappedColumnsMap(
2526             unaligned, aligned, unmapped);
2527     int width = columnMap.size();
2528     char gap = unaligned.getGapCharacter();
2529     int realignedCount = 0;
2530     // TODO: verify this loop scales sensibly for very wide/high alignments
2531
2532     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2533     {
2534       if (!unmapped.contains(seq))
2535       {
2536         char[] newSeq = new char[width];
2537         Arrays.fill(newSeq, gap); // JBPComment - doubt this is faster than the
2538                                   // Integer iteration below
2539         int newCol = 0;
2540         int lastCol = 0;
2541
2542         /*
2543          * traverse the map to find columns populated
2544          * by our sequence
2545          */
2546         for (Integer column : columnMap.keySet())
2547         {
2548           Character c = columnMap.get(column).get(seq);
2549           if (c != null)
2550           {
2551             /*
2552              * sequence has a character at this position
2553              * 
2554              */
2555             newSeq[newCol] = c;
2556             lastCol = newCol;
2557           }
2558           newCol++;
2559         }
2560
2561         /*
2562          * trim trailing gaps
2563          */
2564         if (lastCol < width)
2565         {
2566           char[] tmp = new char[lastCol + 1];
2567           System.arraycopy(newSeq, 0, tmp, 0, lastCol + 1);
2568           newSeq = tmp;
2569         }
2570         // TODO: optimise SequenceI to avoid char[]->String->char[]
2571         seq.setSequence(String.valueOf(newSeq));
2572         realignedCount++;
2573       }
2574     }
2575     return realignedCount;
2576   }
2577
2578   /**
2579    * If unaligned and aligned sequences share the same dataset sequences, then
2580    * simply copies the aligned sequences to the unaligned sequences and returns
2581    * true; else returns false
2582    * 
2583    * @param unaligned
2584    *          - sequences to be aligned based on aligned
2585    * @param aligned
2586    *          - 'guide' alignment containing sequences derived from same dataset
2587    *          as unaligned
2588    * @return
2589    */
2590   static boolean alignAsSameSequences(AlignmentI unaligned,
2591           AlignmentI aligned)
2592   {
2593     if (aligned.getDataset() == null || unaligned.getDataset() == null)
2594     {
2595       return false; // should only pass alignments with datasets here
2596     }
2597
2598     // map from dataset sequence to alignment sequence(s)
2599     Map<SequenceI, List<SequenceI>> alignedDatasets = new HashMap<>();
2600     for (SequenceI seq : aligned.getSequences())
2601     {
2602       SequenceI ds = seq.getDatasetSequence();
2603       if (alignedDatasets.get(ds) == null)
2604       {
2605         alignedDatasets.put(ds, new ArrayList<SequenceI>());
2606       }
2607       alignedDatasets.get(ds).add(seq);
2608     }
2609
2610     /*
2611      * first pass - check whether all sequences to be aligned share a 
2612      * dataset sequence with an aligned sequence; also note the leftmost
2613      * ungapped column from which to copy
2614      */
2615     int leftmost = Integer.MAX_VALUE;
2616     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2617     {
2618       final SequenceI ds = seq.getDatasetSequence();
2619       if (!alignedDatasets.containsKey(ds))
2620       {
2621         return false;
2622       }
2623       SequenceI alignedSeq = alignedDatasets.get(ds).get(0);
2624       int startCol = alignedSeq.findIndex(seq.getStart()); // 1..
2625       leftmost = Math.min(leftmost, startCol);
2626     }
2627
2628     /*
2629      * second pass - copy aligned sequences;
2630      * heuristic rule: pair off sequences in order for the case where 
2631      * more than one shares the same dataset sequence 
2632      */
2633     final char gapCharacter = aligned.getGapCharacter();
2634     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2635     {
2636       List<SequenceI> alignedSequences = alignedDatasets
2637               .get(seq.getDatasetSequence());
2638       if (alignedSequences.isEmpty())
2639       {
2640         /*
2641          * defensive check - shouldn't happen! (JAL-3536)
2642          */
2643         continue;
2644       }
2645       SequenceI alignedSeq = alignedSequences.get(0);
2646
2647       /*
2648        * gap fill for leading (5') UTR if any
2649        */
2650       // TODO this copies intron columns - wrong!
2651       int startCol = alignedSeq.findIndex(seq.getStart()); // 1..
2652       int endCol = alignedSeq.findIndex(seq.getEnd());
2653       char[] seqchars = new char[endCol - leftmost + 1];
2654       Arrays.fill(seqchars, gapCharacter);
2655       char[] toCopy = alignedSeq.getSequence(startCol - 1, endCol);
2656       System.arraycopy(toCopy, 0, seqchars, startCol - leftmost,
2657               toCopy.length);
2658       seq.setSequence(String.valueOf(seqchars));
2659       if (alignedSequences.size() > 0)
2660       {
2661         // pop off aligned sequences (except the last one)
2662         alignedSequences.remove(0);
2663       }
2664     }
2665
2666     /*
2667      * finally remove gapped columns (e.g. introns)
2668      */
2669     new RemoveGapColCommand("", unaligned.getSequencesArray(), 0,
2670             unaligned.getWidth() - 1, unaligned);
2671
2672     return true;
2673   }
2674
2675   /**
2676    * Returns a map whose key is alignment column number (base 1), and whose
2677    * values are a map of sequence characters in that column.
2678    * 
2679    * @param unaligned
2680    * @param aligned
2681    * @param unmapped
2682    * @return
2683    */
2684   static SortedMap<Integer, Map<SequenceI, Character>> buildMappedColumnsMap(
2685           AlignmentI unaligned, AlignmentI aligned,
2686           List<SequenceI> unmapped)
2687   {
2688     /*
2689      * Map will hold, for each aligned column position, a map of
2690      * {unalignedSequence, characterPerSequence} at that position.
2691      * TreeMap keeps the entries in ascending column order. 
2692      */
2693     SortedMap<Integer, Map<SequenceI, Character>> map = new TreeMap<>();
2694
2695     /*
2696      * record any sequences that have no mapping so can't be realigned
2697      */
2698     unmapped.addAll(unaligned.getSequences());
2699
2700     List<AlignedCodonFrame> mappings = aligned.getCodonFrames();
2701
2702     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2703     {
2704       for (AlignedCodonFrame mapping : mappings)
2705       {
2706         SequenceI fromSeq = mapping.findAlignedSequence(seq, aligned);
2707         if (fromSeq != null)
2708         {
2709           Mapping seqMap = mapping.getMappingBetween(fromSeq, seq);
2710           if (addMappedPositions(seq, fromSeq, seqMap, map))
2711           {
2712             unmapped.remove(seq);
2713           }
2714         }
2715       }
2716     }
2717     return map;
2718   }
2719
2720   /**
2721    * Helper method that adds to a map the mapped column positions of a sequence.
2722    * <br>
2723    * For example if aaTT-Tg-gAAA is mapped to TTTAAA then the map should record
2724    * that columns 3,4,6,10,11,12 map to characters T,T,T,A,A,A of the mapped to
2725    * sequence.
2726    * 
2727    * @param seq
2728    *          the sequence whose column positions we are recording
2729    * @param fromSeq
2730    *          a sequence that is mapped to the first sequence
2731    * @param seqMap
2732    *          the mapping from 'fromSeq' to 'seq'
2733    * @param map
2734    *          a map to add the column positions (in fromSeq) of the mapped
2735    *          positions of seq
2736    * @return
2737    */
2738   static boolean addMappedPositions(SequenceI seq, SequenceI fromSeq,
2739           Mapping seqMap, Map<Integer, Map<SequenceI, Character>> map)
2740   {
2741     if (seqMap == null)
2742     {
2743       return false;
2744     }
2745
2746     /*
2747      * invert mapping if it is from unaligned to aligned sequence
2748      */
2749     if (seqMap.getTo() == fromSeq.getDatasetSequence())
2750     {
2751       seqMap = new Mapping(seq.getDatasetSequence(),
2752               seqMap.getMap().getInverse());
2753     }
2754
2755     int toStart = seq.getStart();
2756
2757     /*
2758      * traverse [start, end, start, end...] ranges in fromSeq
2759      */
2760     for (int[] fromRange : seqMap.getMap().getFromRanges())
2761     {
2762       for (int i = 0; i < fromRange.length - 1; i += 2)
2763       {
2764         boolean forward = fromRange[i + 1] >= fromRange[i];
2765
2766         /*
2767          * find the range mapped to (sequence positions base 1)
2768          */
2769         int[] range = seqMap.locateMappedRange(fromRange[i],
2770                 fromRange[i + 1]);
2771         if (range == null)
2772         {
2773           System.err.println("Error in mapping " + seqMap + " from "
2774                   + fromSeq.getName());
2775           return false;
2776         }
2777         int fromCol = fromSeq.findIndex(fromRange[i]);
2778         int mappedCharPos = range[0];
2779
2780         /*
2781          * walk over the 'from' aligned sequence in forward or reverse
2782          * direction; when a non-gap is found, record the column position
2783          * of the next character of the mapped-to sequence; stop when all
2784          * the characters of the range have been counted
2785          */
2786         while (mappedCharPos <= range[1] && fromCol <= fromSeq.getLength()
2787                 && fromCol >= 0)
2788         {
2789           if (!Comparison.isGap(fromSeq.getCharAt(fromCol - 1)))
2790           {
2791             /*
2792              * mapped from sequence has a character in this column
2793              * record the column position for the mapped to character
2794              */
2795             Map<SequenceI, Character> seqsMap = map.get(fromCol);
2796             if (seqsMap == null)
2797             {
2798               seqsMap = new HashMap<>();
2799               map.put(fromCol, seqsMap);
2800             }
2801             seqsMap.put(seq, seq.getCharAt(mappedCharPos - toStart));
2802             mappedCharPos++;
2803           }
2804           fromCol += (forward ? 1 : -1);
2805         }
2806       }
2807     }
2808     return true;
2809   }
2810
2811   // strictly temporary hack until proper criteria for aligning protein to cds
2812   // are in place; this is so Ensembl -> fetch xrefs Uniprot aligns the Uniprot
2813   public static boolean looksLikeEnsembl(AlignmentI alignment)
2814   {
2815     for (SequenceI seq : alignment.getSequences())
2816     {
2817       String name = seq.getName();
2818       if (!name.startsWith("ENSG") && !name.startsWith("ENST"))
2819       {
2820         return false;
2821       }
2822     }
2823     return true;
2824   }
2825 }