src/jalview/analysis/Conservation.java

   1 /*
   2  * Jalview - A Sequence Alignment Editor and Viewer ($$Version-Rel$$)
   3  * Copyright (C) $$Year-Rel$$ The Jalview Authors
   4  *
   5  * This file is part of Jalview.
   6  *
   7  * Jalview is free software: you can redistribute it and/or
   8  * modify it under the terms of the GNU General Public License
   9  * as published by the Free Software Foundation, either version 3
  10  * of the License, or (at your option) any later version.
  11  *
  12  * Jalview is distributed in the hope that it will be useful, but
  13  * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty
  14  * of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR
  15  * PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
  16  *
  17  * You should have received a copy of the GNU General Public License
  18  * along with Jalview.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
  19  * The Jalview Authors are detailed in the 'AUTHORS' file.
  20  */
  21 package jalview.analysis;
  22
  23 import jalview.datamodel.AlignmentAnnotation;
  24 import jalview.datamodel.Annotation;
  25 import jalview.datamodel.Sequence;
  26 import jalview.datamodel.SequenceI;
  27
  28 import java.awt.Color;
  29 import java.util.Enumeration;
  30 import java.util.Hashtable;
  31 import java.util.List;
  32 import java.util.Vector;
  33
  34 /**
  35  * Calculates conservation values for a given set of sequences
  36  *
  37  * @author $author$
  38  * @version $Revision$
  39  */
  40 public class Conservation
  41 {
  42   SequenceI[] sequences;
  43
  44   int start;
  45
  46   int end;
  47
  48   Vector seqNums; // vector of int vectors where first is sequence checksum
  49
  50   int maxLength = 0; // used by quality calcs
  51
  52   boolean seqNumsChanged = false; // updated after any change via calcSeqNum;
  53
  54   Hashtable[] total;
  55
  56   boolean canonicaliseAa = true; // if true then conservation calculation will
  57
  58   // map all symbols to canonical aa numbering
  59   // rather than consider conservation of that
  60   // symbol
  61
  62   /** Stores calculated quality values */
  63   public Vector quality;
  64
  65   /** Stores maximum and minimum values of quality values */
  66   public Double[] qualityRange = new Double[2];
  67
  68   String consString = "";
  69
  70   Sequence consSequence;
  71
  72   Hashtable propHash;
  73
  74   int threshold;
  75
  76   String name = "";
  77
  78   int[][] cons2;
  79
  80   private String[] consSymbs;
  81
  82   /**
  83    * Creates a new Conservation object.
  84    *
  85    * @param name
  86    *          Name of conservation
  87    * @param propHash
  88    *          hash of properties for each symbol
  89    * @param threshold
  90    *          to count the residues in residueHash(). commonly used value is 3
  91    * @param sequences
  92    *          sequences to be used in calculation
  93    * @param start
  94    *          start residue position
  95    * @param end
  96    *          end residue position
  97    */
  98   public Conservation(String name, Hashtable propHash, int threshold,
  99           List<SequenceI> sequences, int start, int end)
 100   {
 101     this.name = name;
 102     this.propHash = propHash;
 103     this.threshold = threshold;
 104     this.start = start;
 105     this.end = end;
 106
 107     maxLength = end - start + 1; // default width includes bounds of
 108     // calculation
 109
 110     int s, sSize = sequences.size();
 111     SequenceI[] sarray = new SequenceI[sSize];
 112     this.sequences = sarray;
 113     try
 114     {
 115       for (s = 0; s < sSize; s++)
 116       {
 117         sarray[s] = sequences.get(s);
 118         if (sarray[s].getLength() > maxLength)
 119         {
 120           maxLength = sarray[s].getLength();
 121         }
 122       }
 123     } catch (ArrayIndexOutOfBoundsException ex)
 124     {
 125       // bail - another thread has modified the sequence array, so the current
 126       // calculation is probably invalid.
 127       this.sequences = new SequenceI[0];
 128       maxLength = 0;
 129     }
 130   }
 131
 132   /**
 133    * Translate sequence i into a numerical representation and store it in the
 134    * i'th position of the seqNums array.
 135    *
 136    * @param i
 137    */
 138   private void calcSeqNum(int i)
 139   {
 140     String sq = null; // for dumb jbuilder not-inited exception warning
 141     int[] sqnum = null;
 142
 143     int sSize = sequences.length;
 144
 145     if ((i > -1) && (i < sSize))
 146     {
 147       sq = sequences[i].getSequenceAsString();
 148
 149       if (seqNums.size() <= i)
 150       {
 151         seqNums.addElement(new int[sq.length() + 1]);
 152       }
 153
 154       if (sq.hashCode() != ((int[]) seqNums.elementAt(i))[0])
 155       {
 156         int j;
 157         int len;
 158         seqNumsChanged = true;
 159         len = sq.length();
 160
 161         if (maxLength < len)
 162         {
 163           maxLength = len;
 164         }
 165
 166         sqnum = new int[len + 1]; // better to always make a new array -
 167         // sequence can change its length
 168         sqnum[0] = sq.hashCode();
 169
 170         for (j = 1; j <= len; j++)
 171         {
 172           sqnum[j] = jalview.schemes.ResidueProperties.aaIndex[sq
 173                   .charAt(j - 1)];
 174         }
 175
 176         seqNums.setElementAt(sqnum, i);
 177       }
 178       else
 179       {
 180         System.out.println("SEQUENCE HAS BEEN DELETED!!!");
 181       }
 182     }
 183     else
 184     {
 185       // JBPNote INFO level debug
 186       System.err
 187               .println("ERROR: calcSeqNum called with out of range sequence index for Alignment\n");
 188     }
 189   }
 190
 191   /**
 192    * Calculates the conservation values for given set of sequences
 193    */
 194   public void calculate()
 195   {
 196     Hashtable resultHash, ht;
 197     int thresh, j, jSize = sequences.length;
 198     int[] values; // Replaces residueHash
 199     String type, res = null;
 200     char c;
 201     Enumeration enumeration2;
 202
 203     total = new Hashtable[maxLength];
 204
 205     for (int i = start; i <= end; i++)
 206     {
 207       values = new int[255];
 208
 209       for (j = 0; j < jSize; j++)
 210       {
 211         if (sequences[j].getLength() > i)
 212         {
 213           c = sequences[j].getCharAt(i);
 214
 215           if (canonicaliseAa)
 216           { // lookup the base aa code symbol
 217             c = (char) jalview.schemes.ResidueProperties.aaIndex[sequences[j]
 218                     .getCharAt(i)];
 219             if (c > 20)
 220             {
 221               c = '-';
 222             }
 223             else
 224             {
 225               // recover canonical aa symbol
 226               c = jalview.schemes.ResidueProperties.aa[c].charAt(0);
 227             }
 228           }
 229           else
 230           {
 231             // original behaviour - operate on ascii symbols directly
 232             // No need to check if its a '-'
 233             if (c == '.' || c == ' ')
 234             {
 235               c = '-';
 236             }
 237
 238             if (!canonicaliseAa && 'a' <= c && c <= 'z')
 239             {
 240               c -= (32); // 32 = 'a' - 'A'
 241             }
 242           }
 243           values[c]++;
 244         }
 245         else
 246         {
 247           values['-']++;
 248         }
 249       }
 250
 251       // What is the count threshold to count the residues in residueHash()
 252       thresh = (threshold * (jSize)) / 100;
 253
 254       // loop over all the found residues
 255       resultHash = new Hashtable();
 256       for (char v = '-'; v < 'Z'; v++)
 257       {
 258
 259         if (values[v] > thresh)
 260         {
 261           res = String.valueOf(v);
 262
 263           // Now loop over the properties
 264           enumeration2 = propHash.keys();
 265
 266           while (enumeration2.hasMoreElements())
 267           {
 268             type = (String) enumeration2.nextElement();
 269             ht = (Hashtable) propHash.get(type);
 270
 271             // Have we ticked this before?
 272             if (!resultHash.containsKey(type))
 273             {
 274               if (ht.containsKey(res))
 275               {
 276                 resultHash.put(type, ht.get(res));
 277               }
 278               else
 279               {
 280                 resultHash.put(type, ht.get("-"));
 281               }
 282             }
 283             else if (((Integer) resultHash.get(type)).equals(ht
 284                     .get(res)) == false)
 285             {
 286               resultHash.put(type, new Integer(-1));
 287             }
 288           }
 289         }
 290       }
 291
 292       if (total.length > 0)
 293       {
 294         total[i - start] = resultHash;
 295       }
 296     }
 297   }
 298
 299   /*****************************************************************************
 300    * count conservation for the j'th column of the alignment
 301    *
 302    * @return { gap count, conserved residue count}
 303    */
 304   public int[] countConsNGaps(int j)
 305   {
 306     int count = 0;
 307     int cons = 0;
 308     int nres = 0;
 309     int[] r = new int[2];
 310     char f = '$';
 311     int i, iSize = sequences.length;
 312     char c;
 313
 314     for (i = 0; i < iSize; i++)
 315     {
 316       if (j >= sequences[i].getLength())
 317       {
 318         count++;
 319         continue;
 320       }
 321
 322       c = sequences[i].getCharAt(j); // gaps do not have upper/lower case
 323
 324       if (jalview.util.Comparison.isGap((c)))
 325       {
 326         count++;
 327       }
 328       else
 329       {
 330         nres++;
 331
 332         if (nres == 1)
 333         {
 334           f = c;
 335           cons++;
 336         }
 337         else if (f == c)
 338         {
 339           cons++;
 340         }
 341       }
 342     }
 343
 344     r[0] = (nres == cons) ? 1 : 0;
 345     r[1] = count;
 346
 347     return r;
 348   }
 349
 350   /**
 351    * Calculates the conservation sequence
 352    *
 353    * @param consflag
 354    *          if true, poitiveve conservation; false calculates negative
 355    *          conservation
 356    * @param percentageGaps
 357    *          commonly used value is 25
 358    */
 359   public void verdict(boolean consflag, float percentageGaps)
 360   {
 361     StringBuffer consString = new StringBuffer();
 362     String type;
 363     Integer result;
 364     int[] gapcons;
 365     int totGaps, count;
 366     float pgaps;
 367     Hashtable resultHash;
 368     Enumeration enumeration;
 369
 370     // NOTE THIS SHOULD CHECK IF THE CONSEQUENCE ALREADY
 371     // EXISTS AND NOT OVERWRITE WITH '-', BUT THIS CASE
 372     // DOES NOT EXIST IN JALVIEW 2.1.2
 373     for (int i = 0; i < start; i++)
 374     {
 375       consString.append('-');
 376     }
 377     consSymbs = new String[end-start+1];
 378     for (int i = start; i <= end; i++)
 379     {
 380       gapcons = countConsNGaps(i);
 381       totGaps = gapcons[1];
 382       pgaps = ((float) totGaps * 100) / sequences.length;
 383       consSymbs[i-start]=new String();
 384
 385       if (percentageGaps > pgaps)
 386       {
 387         resultHash = total[i - start];
 388         // Now find the verdict
 389         count = 0;
 390         enumeration = resultHash.keys();
 391
 392         while (enumeration.hasMoreElements())
 393         {
 394           type = (String) enumeration.nextElement();
 395           result = (Integer) resultHash.get(type);
 396           // Do we want to count +ve conservation or +ve and -ve cons.?
 397           if (consflag)
 398           {
 399             if (result.intValue() == 1)
 400             {
 401               consSymbs[i-start] = type+" "+consSymbs[i-start];
 402               count++;
 403             }
 404           }
 405           else
 406           {
 407             if (result.intValue() != -1)
 408             {
 409               {
 410                  if (result.intValue()==0) {
 411                    consSymbs[i-start] = consSymbs[i-start]+ " !"+type;
 412                  } else {
 413                    consSymbs[i-start] = type+" "+consSymbs[i-start];
 414                  }
 415               }
 416
 417               count++;
 418             }
 419           }
 420         }
 421
 422         if (count < 10)
 423         {
 424           consString.append(count); // Conserved props!=Identity
 425         }
 426         else
 427         {
 428           consString.append((gapcons[0] == 1) ? "*" : "+");
 429         }
 430       }
 431       else
 432       {
 433         consString.append('-');
 434       }
 435     }
 436
 437     consSequence = new Sequence(name, consString.toString(), start, end);
 438   }
 439
 440   /**
 441    *
 442    *
 443    * @return Conservation sequence
 444    */
 445   public Sequence getConsSequence()
 446   {
 447     return consSequence;
 448   }
 449
 450   // From Alignment.java in jalview118
 451   public void findQuality()
 452   {
 453     findQuality(0, maxLength - 1);
 454   }
 455
 456   /**
 457    * DOCUMENT ME!
 458    */
 459   private void percentIdentity2()
 460   {
 461     seqNums = new Vector();
 462     // calcSeqNum(s);
 463     int i = 0, iSize = sequences.length;
 464     // Do we need to calculate this again?
 465     for (i = 0; i < iSize; i++)
 466     {
 467       calcSeqNum(i);
 468     }
 469
 470     if ((cons2 == null) || seqNumsChanged)
 471     {
 472       cons2 = new int[maxLength][24];
 473
 474       // Initialize the array
 475       for (int j = 0; j < 24; j++)
 476       {
 477         for (i = 0; i < maxLength; i++)
 478         {
 479           cons2[i][j] = 0;
 480         }
 481       }
 482
 483       int[] sqnum;
 484       int j = 0;
 485
 486       while (j < sequences.length)
 487       {
 488         sqnum = (int[]) seqNums.elementAt(j);
 489
 490         for (i = 1; i < sqnum.length; i++)
 491         {
 492           cons2[i - 1][sqnum[i]]++;
 493         }
 494
 495         for (i = sqnum.length - 1; i < maxLength; i++)
 496         {
 497           cons2[i][23]++; // gap count
 498         }
 499
 500         j++;
 501       }
 502
 503       // unnecessary ?
 504
 505       /*
 506        * for (int i=start; i <= end; i++) { int max = -1000; int maxi = -1; int
 507        * maxj = -1;
 508        *
 509        * for (int j=0;j<24;j++) { if (cons2[i][j] > max) { max = cons2[i][j];
 510        * maxi = i; maxj = j; } } }
 511        */
 512     }
 513   }
 514
 515   /**
 516    * Calculates the quality of the set of sequences
 517    *
 518    * @param start
 519    *          Start residue
 520    * @param end
 521    *          End residue
 522    */
 523   public void findQuality(int start, int end)
 524   {
 525     quality = new Vector();
 526
 527     double max = -10000;
 528     int[][] BLOSUM62 = jalview.schemes.ResidueProperties.getBLOSUM62();
 529
 530     // Loop over columns // JBPNote Profiling info
 531     // long ts = System.currentTimeMillis();
 532     // long te = System.currentTimeMillis();
 533     percentIdentity2();
 534
 535     int size = seqNums.size();
 536     int[] lengths = new int[size];
 537     double tot, bigtot, sr, tmp;
 538     double[] x, xx;
 539     int l, j, i, ii, i2, k, seqNum;
 540
 541     for (l = 0; l < size; l++)
 542     {
 543       lengths[l] = ((int[]) seqNums.elementAt(l)).length - 1;
 544     }
 545
 546     for (j = start; j <= end; j++)
 547     {
 548       bigtot = 0;
 549
 550       // First Xr = depends on column only
 551       x = new double[24];
 552
 553       for (ii = 0; ii < 24; ii++)
 554       {
 555         x[ii] = 0;
 556
 557         for (i2 = 0; i2 < 24; i2++)
 558         {
 559           x[ii] += (((double) cons2[j][i2] * BLOSUM62[ii][i2]) + 4);
 560         }
 561
 562         x[ii] /= size;
 563       }
 564
 565       // Now calculate D for each position and sum
 566       for (k = 0; k < size; k++)
 567       {
 568         tot = 0;
 569         xx = new double[24];
 570         seqNum = (j < lengths[k]) ? ((int[]) seqNums.elementAt(k))[j + 1]
 571                 : 23; // Sequence, or gap at the end
 572
 573         // This is a loop over r
 574         for (i = 0; i < 23; i++)
 575         {
 576           sr = 0;
 577
 578           sr = (double) BLOSUM62[i][seqNum] + 4;
 579
 580           // Calculate X with another loop over residues
 581           // System.out.println("Xi " + i + " " + x[i] + " " + sr);
 582           xx[i] = x[i] - sr;
 583
 584           tot += (xx[i] * xx[i]);
 585         }
 586
 587         bigtot += Math.sqrt(tot);
 588       }
 589
 590       // This is the quality for one column
 591       if (max < bigtot)
 592       {
 593         max = bigtot;
 594       }
 595
 596       // bigtot = bigtot * (size-cons2[j][23])/size;
 597       quality.addElement(new Double(bigtot));
 598
 599       // Need to normalize by gaps
 600     }
 601
 602     double newmax = -10000;
 603
 604     for (j = start; j <= end; j++)
 605     {
 606       tmp = ((Double) quality.elementAt(j)).doubleValue();
 607       tmp = ((max - tmp) * (size - cons2[j][23])) / size;
 608
 609       // System.out.println(tmp+ " " + j);
 610       quality.setElementAt(new Double(tmp), j);
 611
 612       if (tmp > newmax)
 613       {
 614         newmax = tmp;
 615       }
 616     }
 617
 618     // System.out.println("Quality " + s);
 619     qualityRange[0] = new Double(0);
 620     qualityRange[1] = new Double(newmax);
 621   }
 622
 623   /**
 624    * complete the given consensus and quuality annotation rows. Note: currently
 625    * this method will enlarge the given annotation row if it is too small,
 626    * otherwise will leave its length unchanged.
 627    *
 628    * @param conservation
 629    *          conservation annotation row
 630    * @param quality2
 631    *          (optional - may be null)
 632    * @param istart
 633    *          first column for conservation
 634    * @param alWidth
 635    *          extent of conservation
 636    */
 637   public void completeAnnotations(AlignmentAnnotation conservation,
 638           AlignmentAnnotation quality2, int istart, int alWidth)
 639   {
 640     char[] sequence = getConsSequence().getSequence();
 641     float minR;
 642     float minG;
 643     float minB;
 644     float maxR;
 645     float maxG;
 646     float maxB;
 647     minR = 0.3f;
 648     minG = 0.0f;
 649     minB = 0f;
 650     maxR = 1.0f - minR;
 651     maxG = 0.9f - minG;
 652     maxB = 0f - minB; // scalable range for colouring both Conservation and
 653     // Quality
 654
 655     float min = 0f;
 656     float max = 11f;
 657     float qmin = 0f;
 658     float qmax = 0f;
 659
 660     char c;
 661
 662     if (conservation.annotations != null
 663             && conservation.annotations.length < alWidth)
 664     {
 665       conservation.annotations = new Annotation[alWidth];
 666     }
 667
 668     if (quality2 != null)
 669     {
 670       quality2.graphMax = qualityRange[1].floatValue();
 671       if (quality2.annotations != null
 672               && quality2.annotations.length < alWidth)
 673       {
 674         quality2.annotations = new Annotation[alWidth];
 675       }
 676       qmin = qualityRange[0].floatValue();
 677       qmax = qualityRange[1].floatValue();
 678     }
 679
 680     for (int i = 0; i < alWidth; i++)
 681     {
 682       float value = 0;
 683
 684       c = sequence[i];
 685
 686       if (Character.isDigit(c))
 687       {
 688         value = c - '0';
 689       }
 690       else if (c == '*')
 691       {
 692         value = 11;
 693       }
 694       else if (c == '+')
 695       {
 696         value = 10;
 697       }
 698
 699       float vprop = value - min;
 700       vprop /= max;
 701       conservation.annotations[i] = new Annotation(String.valueOf(c),
 702               consSymbs[i-start], ' ', value, new Color(minR
 703                       + (maxR * vprop), minG + (maxG * vprop), minB
 704                       + (maxB * vprop)));
 705
 706       // Quality calc
 707       if (quality2 != null)
 708       {
 709         value = ((Double) quality.elementAt(i)).floatValue();
 710         vprop = value - qmin;
 711         vprop /= qmax;
 712         quality2.annotations[i] = new Annotation(" ",
 713                 String.valueOf(value), ' ', value, new Color(minR
 714                         + (maxR * vprop), minG + (maxG * vprop), minB
 715                         + (maxB * vprop)));
 716       }
 717     }
 718   }
 719
 720   /**
 721    * construct and call the calculation methods on a new Conservation object
 722    *
 723    * @param name
 724    *          - name of conservation
 725    * @param consHash
 726    *          - hash table of properties for each amino acid (normally
 727    *          ResidueProperties.propHash)
 728    * @param threshold
 729    *          - minimum number of conserved residues needed to indicate
 730    *          conservation (typically 3)
 731    * @param seqs
 732    * @param start
 733    *          first column in calculation window
 734    * @param end
 735    *          last column in calculation window
 736    * @param posOrNeg
 737    *          positive (true) or negative (false) conservation
 738    * @param consPercGaps
 739    *          percentage of gaps tolerated in column
 740    * @param calcQuality
 741    *          flag indicating if alignment quality should be calculated
 742    * @return Conservation object ready for use in visualization
 743    */
 744   public static Conservation calculateConservation(String name,
 745           Hashtable consHash, int threshold, List<SequenceI> seqs,
 746           int start, int end, boolean posOrNeg, int consPercGaps,
 747           boolean calcQuality)
 748   {
 749     Conservation cons = new Conservation(name, consHash, threshold, seqs,
 750             start, end);
 751     return calculateConservation(cons, posOrNeg, consPercGaps, calcQuality);
 752   }
 753
 754   /**
 755    * @param b
 756    *          positive (true) or negative (false) conservation
 757    * @param consPercGaps
 758    *          percentage of gaps tolerated in column
 759    * @param calcQuality
 760    *          flag indicating if alignment quality should be calculated
 761    * @return Conservation object ready for use in visualization
 762    */
 763   public static Conservation calculateConservation(Conservation cons,
 764           boolean b, int consPercGaps, boolean calcQuality)
 765   {
 766     cons.calculate();
 767     cons.verdict(b, consPercGaps);
 768
 769     if (calcQuality)
 770     {
 771       cons.findQuality();
 772     }
 773
 774     return cons;
 775   }
 776 }