forester/java/src/org/forester/msa_compactor/MsaCompactor.java

   1
   2 package org.forester.msa_compactor;
   3
   4 import java.io.File;
   5 import java.io.IOException;
   6 import java.io.Writer;
   7 import java.math.RoundingMode;
   8 import java.text.DecimalFormat;
   9 import java.text.NumberFormat;
  10 import java.util.ArrayList;
  11 import java.util.Arrays;
  12 import java.util.List;
  13 import java.util.SortedSet;
  14 import java.util.TreeSet;
  15
  16 import org.forester.evoinference.distance.NeighborJoiningF;
  17 import org.forester.evoinference.distance.PairwiseDistanceCalculator;
  18 import org.forester.evoinference.distance.PairwiseDistanceCalculator.PWD_DISTANCE_METHOD;
  19 import org.forester.evoinference.matrix.distance.BasicSymmetricalDistanceMatrix;
  20 import org.forester.evoinference.tools.BootstrapResampler;
  21 import org.forester.msa.BasicMsa;
  22 import org.forester.msa.Mafft;
  23 import org.forester.msa.Msa;
  24 import org.forester.msa.Msa.MSA_FORMAT;
  25 import org.forester.msa.MsaInferrer;
  26 import org.forester.msa.MsaMethods;
  27 import org.forester.msa.ResampleableMsa;
  28 import org.forester.phylogeny.Phylogeny;
  29 import org.forester.phylogeny.PhylogenyMethods;
  30 import org.forester.sequence.Sequence;
  31 import org.forester.tools.ConfidenceAssessor;
  32 import org.forester.util.BasicDescriptiveStatistics;
  33 import org.forester.util.DescriptiveStatistics;
  34 import org.forester.util.ForesterUtil;
  35
  36 public class MsaCompactor {
  37
  38     final private static NumberFormat NF_3         = new DecimalFormat( "#.###" );
  39     final private static NumberFormat NF_4         = new DecimalFormat( "#.####" );
  40     private final String              _maffts_opts = "--retree 1";
  41     private Msa                       _msa;
  42     private File                      _out_file_base;
  43     private String                    _path_to_mafft;
  44     private final SortedSet<String>   _removed_seq_ids;
  45     static {
  46         NF_4.setRoundingMode( RoundingMode.HALF_UP );
  47         NF_3.setRoundingMode( RoundingMode.HALF_UP );
  48     }
  49
  50     private MsaCompactor( final Msa msa ) {
  51         _msa = msa;
  52         _removed_seq_ids = new TreeSet<String>();
  53     }
  54
  55     final public Msa getMsa() {
  56         return _msa;
  57     }
  58
  59     final public SortedSet<String> getRemovedSeqIds() {
  60         return _removed_seq_ids;
  61     }
  62
  63     final public void setOutFileBase( final File out_file_base ) {
  64         _out_file_base = out_file_base;
  65     }
  66
  67     final public String writeMsa( final File outfile, final MSA_FORMAT format, final String suffix ) throws IOException {
  68         final Double gr = MsaMethods.calcGapRatio( _msa );
  69         final String s = outfile + "_" + _msa.getNumberOfSequences() + "_" + _msa.getLength() + "_"
  70                 + ForesterUtil.roundToInt( gr * 100 );
  71         writeMsa( s + suffix, format );
  72         return s;
  73     }
  74
  75     final int calcNonGapResidues( final Sequence seq ) {
  76         int ng = 0;
  77         for( int i = 0; i < seq.getLength(); ++i ) {
  78             if ( !seq.isGapAt( i ) ) {
  79                 ++ng;
  80             }
  81         }
  82         return ng;
  83     }
  84
  85     Phylogeny pi( final String matrix ) {
  86         final Phylogeny master_phy = inferNJphylogeny( PWD_DISTANCE_METHOD.KIMURA_DISTANCE, _msa, true, matrix );
  87         final int seed = 15;
  88         final int n = 100;
  89         final ResampleableMsa resampleable_msa = new ResampleableMsa( ( BasicMsa ) _msa );
  90         final int[][] resampled_column_positions = BootstrapResampler.createResampledColumnPositions( _msa.getLength(),
  91                                                                                                       n,
  92                                                                                                       seed );
  93         final Phylogeny[] eval_phys = new Phylogeny[ n ];
  94         for( int i = 0; i < n; ++i ) {
  95             resampleable_msa.resample( resampled_column_positions[ i ] );
  96             eval_phys[ i ] = inferNJphylogeny( PWD_DISTANCE_METHOD.KIMURA_DISTANCE, resampleable_msa, false, null );
  97         }
  98         ConfidenceAssessor.evaluate( "bootstrap", eval_phys, master_phy, true, 1 );
  99         PhylogenyMethods.extractFastaInformation( master_phy );
 100         return master_phy;
 101     }
 102
 103     private final GapContribution[] calcGapContribtions( final boolean normalize_for_effective_seq_length ) {
 104         final double gappiness[] = calcGappiness();
 105         final GapContribution stats[] = new GapContribution[ _msa.getNumberOfSequences() ];
 106         for( int row = 0; row < _msa.getNumberOfSequences(); ++row ) {
 107             stats[ row ] = new GapContribution( _msa.getIdentifier( row ) );
 108             for( int col = 0; col < _msa.getLength(); ++col ) {
 109                 if ( !_msa.isGapAt( row, col ) ) {
 110                     stats[ row ].addToValue( gappiness[ col ] );
 111                 }
 112             }
 113             if ( normalize_for_effective_seq_length ) {
 114                 stats[ row ].divideValue( calcNonGapResidues( _msa.getSequence( row ) ) );
 115             }
 116             else {
 117                 stats[ row ].divideValue( _msa.getLength() );
 118             }
 119         }
 120         return stats;
 121     }
 122
 123     final private GapContribution[] calcGapContribtionsStats( final boolean norm ) {
 124         final GapContribution stats[] = calcGapContribtions( norm );
 125         Arrays.sort( stats );
 126         return stats;
 127     }
 128
 129     private final double[] calcGappiness() {
 130         final int l = _msa.getLength();
 131         final double gappiness[] = new double[ l ];
 132         final int seqs = _msa.getNumberOfSequences();
 133         for( int i = 0; i < l; ++i ) {
 134             gappiness[ i ] = ( double ) MsaMethods.calcGapSumPerColumn( _msa, i ) / seqs;
 135         }
 136         return gappiness;
 137     }
 138
 139     private Phylogeny inferNJphylogeny( final PWD_DISTANCE_METHOD pwd_distance_method,
 140                                         final Msa msa,
 141                                         final boolean write_matrix,
 142                                         final String matrix_name ) {
 143         BasicSymmetricalDistanceMatrix m = null;
 144         switch ( pwd_distance_method ) {
 145             case KIMURA_DISTANCE:
 146                 m = PairwiseDistanceCalculator.calcKimuraDistances( msa );
 147                 break;
 148             case POISSON_DISTANCE:
 149                 m = PairwiseDistanceCalculator.calcPoissonDistances( msa );
 150                 break;
 151             case FRACTIONAL_DISSIMILARITY:
 152                 m = PairwiseDistanceCalculator.calcFractionalDissimilarities( msa );
 153                 break;
 154             default:
 155                 throw new IllegalArgumentException( "invalid pwd method" );
 156         }
 157         if ( write_matrix ) {
 158             try {
 159                 m.write( ForesterUtil.createBufferedWriter( matrix_name ) );
 160             }
 161             catch ( final IOException e ) {
 162                 e.printStackTrace();
 163             }
 164         }
 165         final NeighborJoiningF nj = NeighborJoiningF.createInstance( false, 5 );
 166         final Phylogeny phy = nj.execute( m );
 167         return phy;
 168     }
 169
 170     private StringBuilder msaStatsAsSB() {
 171         final StringBuilder sb = new StringBuilder();
 172         sb.append( _msa.getNumberOfSequences() );
 173         sb.append( "\t" );
 174         sb.append( _msa.getLength() );
 175         sb.append( "\t" );
 176         sb.append( NF_4.format( MsaMethods.calcGapRatio( _msa ) ) );
 177         sb.append( "\t" );
 178         sb.append( NF_4.format( calculateIdentityRatio( 0, _msa.getLength() - 1, _msa ).arithmeticMean() ) );
 179         return sb;
 180     }
 181
 182     private final void printMsaStats( final String id ) {
 183         System.out.print( ForesterUtil.pad( id, 20, ' ', false ) );
 184         System.out.print( "\t" );
 185         final StringBuilder sb = msaStatsAsSB();
 186         System.out.print( sb );
 187         System.out.print( "\t" );
 188     }
 189
 190     final private void realignWithMafft() throws IOException, InterruptedException {
 191         //  final MsaInferrer mafft = Mafft
 192         //       .createInstance( "/home/czmasek/SOFTWARE/MSA/MAFFT/mafft-7.130-without-extensions/scripts/mafft" );
 193         final MsaInferrer mafft = Mafft.createInstance( _path_to_mafft );
 194         final List<String> opts = new ArrayList<String>();
 195         for( final String o : _maffts_opts.split( "\\s" ) ) {
 196             opts.add( o );
 197         }
 198         //opts.add( "--maxiterate" );
 199         //opts.add( "1000" );
 200         //opts.add( "--localpair" );
 201         //opts.add( "--quiet" );
 202         _msa = mafft.infer( _msa.asSequenceList(), opts );
 203     }
 204
 205     final private void removeGapColumns() {
 206         _msa = MsaMethods.createInstance().removeGapColumns( 1, 0, _msa );
 207     }
 208
 209     final private void removeViaGapAverage( final double mean_gapiness,
 210                                             final int step,
 211                                             final boolean realign,
 212                                             final boolean norm,
 213                                             final boolean verbose ) throws IOException, InterruptedException {
 214         final GapContribution stats[] = calcGapContribtionsStats( norm );
 215         final List<String> to_remove_ids = new ArrayList<String>();
 216         for( final GapContribution gap_gontribution : stats ) {
 217             to_remove_ids.add( gap_gontribution.getId() );
 218         }
 219         if ( verbose ) {
 220             printTableHeader();
 221         }
 222         int i = 0;
 223         while ( MsaMethods.calcGapRatio( _msa ) > mean_gapiness ) {
 224             final String id = to_remove_ids.get( i );
 225             _msa = MsaMethods.removeSequence( _msa, id );
 226             removeGapColumns();
 227             if ( verbose ) {
 228                 printMsaStats( id );
 229             }
 230             if ( ( ( step > 0 ) && ( ( ( i + 1 ) % step ) == 0 ) )
 231                     || ( MsaMethods.calcGapRatio( _msa ) <= mean_gapiness ) ) {
 232                 if ( realign ) {
 233                     realignWithMafft();
 234                 }
 235                 final String s = writeOutfile();
 236                 if ( verbose ) {
 237                     System.out.print( "-> " + s );
 238                 }
 239             }
 240             if ( verbose ) {
 241                 System.out.println();
 242             }
 243             ++i;
 244         }
 245     }
 246
 247     final private void removeViaLength( final int length,
 248                                         final int step,
 249                                         final boolean realign,
 250                                         final boolean norm,
 251                                         final boolean verbose ) throws IOException, InterruptedException {
 252         final GapContribution stats[] = calcGapContribtionsStats( norm );
 253         final List<String> to_remove_ids = new ArrayList<String>();
 254         for( final GapContribution gap_gontribution : stats ) {
 255             to_remove_ids.add( gap_gontribution.getId() );
 256         }
 257         if ( verbose ) {
 258             printTableHeader();
 259         }
 260         int i = 0;
 261         while ( _msa.getLength() > length ) {
 262             final String id = to_remove_ids.get( i );
 263             _msa = MsaMethods.removeSequence( _msa, id );
 264             removeGapColumns();
 265             if ( verbose ) {
 266                 printMsaStats( id );
 267             }
 268             if ( ( ( step > 0 ) && ( ( ( i + 1 ) % step ) == 0 ) ) || ( _msa.getLength() <= length ) ) {
 269                 if ( realign ) {
 270                     realignWithMafft();
 271                 }
 272                 final String s = writeOutfile();
 273                 if ( verbose ) {
 274                     System.out.print( "-> " + s );
 275                 }
 276             }
 277             if ( verbose ) {
 278                 System.out.println();
 279             }
 280             ++i;
 281         }
 282     }
 283
 284     final private void removeWorstOffenders( final int to_remove,
 285                                              final int step,
 286                                              final boolean realign,
 287                                              final boolean norm,
 288                                              final boolean verbose ) throws IOException, InterruptedException {
 289         final GapContribution stats[] = calcGapContribtionsStats( norm );
 290         final List<String> to_remove_ids = new ArrayList<String>();
 291         for( int j = 0; j < to_remove; ++j ) {
 292             to_remove_ids.add( stats[ j ].getId() );
 293             _removed_seq_ids.add( stats[ j ].getId() );
 294         }
 295         if ( verbose ) {
 296             printTableHeader();
 297         }
 298         for( int i = 0; i < to_remove_ids.size(); ++i ) {
 299             final String id = to_remove_ids.get( i );
 300             _msa = MsaMethods.removeSequence( _msa, id );
 301             removeGapColumns();
 302             if ( verbose ) {
 303                 printMsaStats( id );
 304             }
 305             if ( ( ( step > 0 ) && ( ( ( i + 1 ) % step ) == 0 ) ) || ( i == ( to_remove_ids.size() - 1 ) ) ) {
 306                 if ( realign ) {
 307                     realignWithMafft();
 308                 }
 309                 final String s = writeOutfile();
 310                 if ( verbose ) {
 311                     System.out.print( "-> " + s );
 312                 }
 313             }
 314             if ( verbose ) {
 315                 System.out.println();
 316             }
 317         }
 318     }
 319
 320     private void setPathToMafft( final String path_to_mafft ) {
 321         _path_to_mafft = path_to_mafft;
 322     }
 323
 324     final private void writeMsa( final String outfile, final MSA_FORMAT format ) throws IOException {
 325         final Writer w = ForesterUtil.createBufferedWriter( outfile );
 326         _msa.write( w, format );
 327         w.close();
 328     }
 329
 330     private String writeOutfile() throws IOException {
 331         final String s = writeMsa( _out_file_base, MSA_FORMAT.PHYLIP, ".aln" );
 332         //writeMsa( _out_file_base, MSA_FORMAT.FASTA, ".fasta" );
 333         return s;
 334     }
 335
 336     // Returns null if not path found.
 337     final public static String guessPathToMafft() {
 338         String path;
 339         if ( ForesterUtil.OS_NAME.toLowerCase().indexOf( "win" ) >= 0 ) {
 340             path = "C:\\Program Files\\mafft-win\\mafft.bat";
 341             if ( MsaInferrer.isInstalled( path ) ) {
 342                 return path;
 343             }
 344         }
 345         path = "/home/czmasek/SOFTWARE/MSA/MAFFT/mafft-7.130-without-extensions/scripts/mafft";
 346         if ( MsaInferrer.isInstalled( path ) ) {
 347             return path;
 348         }
 349         path = "/usr/local/bin/mafft";
 350         if ( MsaInferrer.isInstalled( path ) ) {
 351             return path;
 352         }
 353         path = "/usr/bin/mafft";
 354         if ( MsaInferrer.isInstalled( path ) ) {
 355             return path;
 356         }
 357         path = "/bin/mafft";
 358         if ( MsaInferrer.isInstalled( path ) ) {
 359             return path;
 360         }
 361         path = "mafft";
 362         if ( MsaInferrer.isInstalled( path ) ) {
 363             return path;
 364         }
 365         return null;
 366     }
 367
 368     public final static MsaCompactor reduceGapAverage( final Msa msa,
 369                                                        final double max_gap_average,
 370                                                        final int step,
 371                                                        final boolean realign,
 372                                                        final boolean norm,
 373                                                        final String path_to_mafft,
 374                                                        final File out ) throws IOException, InterruptedException {
 375         final MsaCompactor mc = new MsaCompactor( msa );
 376         if ( realign ) {
 377             mc.setPathToMafft( path_to_mafft );
 378         }
 379         mc.setOutFileBase( out );
 380         mc.removeViaGapAverage( max_gap_average, step, realign, norm, true );
 381         return mc;
 382     }
 383
 384     public final static MsaCompactor reduceLength( final Msa msa,
 385                                                    final int length,
 386                                                    final int step,
 387                                                    final boolean realign,
 388                                                    final boolean norm,
 389                                                    final String path_to_mafft,
 390                                                    final File out ) throws IOException, InterruptedException {
 391         final MsaCompactor mc = new MsaCompactor( msa );
 392         if ( realign ) {
 393             mc.setPathToMafft( path_to_mafft );
 394         }
 395         mc.setOutFileBase( out );
 396         mc.removeViaLength( length, step, realign, norm, true );
 397         return mc;
 398     }
 399
 400     public final static MsaCompactor removeWorstOffenders( final Msa msa,
 401                                                            final int worst_offenders_to_remove,
 402                                                            final int step,
 403                                                            final boolean realign,
 404                                                            final boolean norm,
 405                                                            final String path_to_mafft,
 406                                                            final File out ) throws IOException, InterruptedException {
 407         final MsaCompactor mc = new MsaCompactor( msa );
 408         if ( realign ) {
 409             mc.setPathToMafft( path_to_mafft );
 410         }
 411         mc.setOutFileBase( out );
 412         mc.removeWorstOffenders( worst_offenders_to_remove, step, realign, norm, true );
 413         return mc;
 414     }
 415
 416     private static DescriptiveStatistics calculateIdentityRatio( final int from, final int to, final Msa msa ) {
 417         final DescriptiveStatistics stats = new BasicDescriptiveStatistics();
 418         for( int c = from; c <= to; ++c ) {
 419             stats.addValue( MsaMethods.calculateIdentityRatio( msa, c ) );
 420         }
 421         return stats;
 422     }
 423
 424     private final static void printTableHeader() {
 425         System.out.print( ForesterUtil.pad( "Id", 20, ' ', false ) );
 426         System.out.print( "\t" );
 427         System.out.print( "Seqs" );
 428         System.out.print( "\t" );
 429         System.out.print( "Length" );
 430         System.out.print( "\t" );
 431         System.out.print( "Gaps" );
 432         System.out.print( "\t" );
 433         System.out.print( "MSA qual" );
 434         System.out.print( "\t" );
 435         System.out.println();
 436     }
 437 }