forester/java/src/org/forester/sdi/GSDI.java

   1 // $Id:
   2 // FORESTER -- software libraries and applications
   3 // for evolutionary biology research and applications.
   4 //
   5 // Copyright (C) 2008-2009 Christian M. Zmasek
   6 // Copyright (C) 2008-2009 Burnham Institute for Medical Research
   7 // All rights reserved
   8 //
   9 // This library is free software; you can redistribute it and/or
  10 // modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
  11 // License as published by the Free Software Foundation; either
  12 // version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
  13 //
  14 // This library is distributed in the hope that it will be useful,
  15 // but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16 // MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the GNU
  17 // Lesser General Public License for more details.
  18 //
  19 // You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20 // License along with this library; if not, write to the Free Software
  21 // Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301, USA
  22 //
  23 // Contact: phylosoft @ gmail . com
  24 // WWW: www.phylosoft.org/forester
  25
  26 package org.forester.sdi;
  27
  28 import java.util.ArrayList;
  29 import java.util.HashMap;
  30 import java.util.HashSet;
  31 import java.util.List;
  32 import java.util.Map;
  33 import java.util.Set;
  34
  35 import org.forester.phylogeny.Phylogeny;
  36 import org.forester.phylogeny.PhylogenyNode;
  37 import org.forester.phylogeny.data.Event;
  38 import org.forester.phylogeny.data.Taxonomy;
  39 import org.forester.phylogeny.iterators.PhylogenyNodeIterator;
  40 import org.forester.util.ForesterUtil;
  41
  42 /*
  43  * Implements our algorithm for speciation - duplication inference (SDI). <p>
  44  * The initialization is accomplished by: </p> <ul> <li>method
  45  * "linkExtNodesOfG()" of class SDI: setting the links for the external nodes of
  46  * the gene tree <li>"preorderReID(int)" from class Phylogeny: numbering of
  47  * nodes of the species tree in preorder <li>the optional stripping of the
  48  * species tree is accomplished by method "stripTree(Phylogeny,Phylogeny)" of
  49  * class Phylogeny </ul> <p> The recursion part is accomplished by this class'
  50  * method "geneTreePostOrderTraversal(PhylogenyNode)". <p> Requires JDK 1.5 or
  51  * greater.
  52  *
  53  * @see SDI#linkNodesOfG()
  54  *
  55  * @see Phylogeny#preorderReID(int)
  56  *
  57  * @see
  58  * PhylogenyMethods#taxonomyBasedDeletionOfExternalNodes(Phylogeny,Phylogeny)
  59  *
  60  * @see #geneTreePostOrderTraversal(PhylogenyNode)
  61  *
  62  * @author Christian M. Zmasek
  63  */
  64 public final class GSDI extends SDI {
  65
  66     private final boolean             _most_parsimonious_duplication_model;
  67     private final boolean             _strip_gene_tree;
  68     private final boolean             _strip_species_tree;
  69     private int                       _speciation_or_duplication_events_sum;
  70     private int                       _speciations_sum;
  71     private final List<PhylogenyNode> _stripped_gene_tree_nodes;
  72     private final List<PhylogenyNode> _stripped_species_tree_nodes;
  73     private final Set<PhylogenyNode>  _mapped_species_tree_nodes;
  74     private TaxonomyComparisonBase    _tax_comp_base;
  75
  76     public GSDI( final Phylogeny gene_tree,
  77                  final Phylogeny species_tree,
  78                  final boolean most_parsimonious_duplication_model,
  79                  final boolean strip_gene_tree,
  80                  final boolean strip_species_tree ) throws SDIException {
  81         super( gene_tree, species_tree );
  82         _speciation_or_duplication_events_sum = 0;
  83         _speciations_sum = 0;
  84         _most_parsimonious_duplication_model = most_parsimonious_duplication_model;
  85         _duplications_sum = 0;
  86         _strip_gene_tree = strip_gene_tree;
  87         _strip_species_tree = strip_species_tree;
  88         _stripped_gene_tree_nodes = new ArrayList<PhylogenyNode>();
  89         _stripped_species_tree_nodes = new ArrayList<PhylogenyNode>();
  90         _mapped_species_tree_nodes = new HashSet<PhylogenyNode>();
  91         getSpeciesTree().preOrderReId();
  92         linkNodesOfG();
  93         geneTreePostOrderTraversal();
  94     }
  95
  96     GSDI( final Phylogeny gene_tree, final Phylogeny species_tree, final boolean most_parsimonious_duplication_model )
  97             throws SDIException {
  98         this( gene_tree, species_tree, most_parsimonious_duplication_model, false, false );
  99     }
 100
 101     // s is the node on the species tree g maps to.
 102     private final void determineEvent( final PhylogenyNode s, final PhylogenyNode g ) {
 103         boolean oyako = false;
 104         if ( ( g.getChildNode1().getLink() == s ) || ( g.getChildNode2().getLink() == s ) ) {
 105             oyako = true;
 106         }
 107         if ( g.getLink().getNumberOfDescendants() == 2 ) {
 108             if ( oyako ) {
 109                 g.getNodeData().setEvent( createDuplicationEvent() );
 110             }
 111             else {
 112                 g.getNodeData().setEvent( createSpeciationEvent() );
 113             }
 114         }
 115         else {
 116             if ( oyako ) {
 117                 final Set<PhylogenyNode> set = new HashSet<PhylogenyNode>();
 118                 for( PhylogenyNode n : g.getChildNode1().getAllExternalDescendants() ) {
 119                     n = n.getLink();
 120                     while ( n.getParent() != s ) {
 121                         n = n.getParent();
 122                         if ( n.isRoot() ) {
 123                             break;
 124                         }
 125                     }
 126                     set.add( n );
 127                 }
 128                 boolean multiple = false;
 129                 for( PhylogenyNode n : g.getChildNode2().getAllExternalDescendants() ) {
 130                     n = n.getLink();
 131                     while ( n.getParent() != s ) {
 132                         n = n.getParent();
 133                         if ( n.isRoot() ) {
 134                             break;
 135                         }
 136                     }
 137                     if ( set.contains( n ) ) {
 138                         multiple = true;
 139                         break;
 140                     }
 141                 }
 142                 if ( multiple ) {
 143                     g.getNodeData().setEvent( createDuplicationEvent() );
 144                 }
 145                 else {
 146                     if ( _most_parsimonious_duplication_model ) {
 147                         g.getNodeData().setEvent( createSpeciationEvent() );
 148                     }
 149                     else {
 150                         g.getNodeData().setEvent( createSingleSpeciationOrDuplicationEvent() );
 151                     }
 152                 }
 153             }
 154             else {
 155                 g.getNodeData().setEvent( createSpeciationEvent() );
 156             }
 157         }
 158     }
 159
 160     /**
 161      * Traverses the subtree of PhylogenyNode g in postorder, calculating the
 162      * mapping function M, and determines which nodes represent speciation
 163      * events and which ones duplication events.
 164      * <p>
 165      * Preconditions: Mapping M for external nodes must have been calculated and
 166      * the species tree must be labeled in preorder.
 167      * <p>
 168      *
 169      */
 170     final void geneTreePostOrderTraversal() {
 171         for( final PhylogenyNodeIterator it = getGeneTree().iteratorPostorder(); it.hasNext(); ) {
 172             final PhylogenyNode g = it.next();
 173             if ( g.isInternal() ) {
 174                 PhylogenyNode s1 = g.getChildNode1().getLink();
 175                 PhylogenyNode s2 = g.getChildNode2().getLink();
 176                 while ( s1 != s2 ) {
 177                     if ( s1.getId() > s2.getId() ) {
 178                         s1 = s1.getParent();
 179                     }
 180                     else {
 181                         s2 = s2.getParent();
 182                     }
 183                 }
 184                 g.setLink( s1 );
 185                 determineEvent( s1, g );
 186             }
 187         }
 188     }
 189
 190     private final Event createDuplicationEvent() {
 191         final Event event = Event.createSingleDuplicationEvent();
 192         ++_duplications_sum;
 193         return event;
 194     }
 195
 196     private final Event createSingleSpeciationOrDuplicationEvent() {
 197         final Event event = Event.createSingleSpeciationOrDuplicationEvent();
 198         ++_speciation_or_duplication_events_sum;
 199         return event;
 200     }
 201
 202     private final Event createSpeciationEvent() {
 203         final Event event = Event.createSingleSpeciationEvent();
 204         ++_speciations_sum;
 205         return event;
 206     }
 207
 208     public final int getSpeciationOrDuplicationEventsSum() {
 209         return _speciation_or_duplication_events_sum;
 210     }
 211
 212     public final int getSpeciationsSum() {
 213         return _speciations_sum;
 214     }
 215
 216     /**
 217      * This allows for linking of internal nodes of the species tree (as opposed
 218      * to just external nodes, as in the method it overrides.
 219      * @throws SDIException
 220      *
 221      */
 222     @Override
 223     final void linkNodesOfG() throws SDIException {
 224         final Map<String, PhylogenyNode> species_to_node_map = new HashMap<String, PhylogenyNode>();
 225         final List<PhylogenyNode> species_tree_ext_nodes = new ArrayList<PhylogenyNode>();
 226         _tax_comp_base = determineTaxonomyComparisonBase( _gene_tree );
 227         // Stringyfied taxonomy is the key, node is the value.
 228         for( final PhylogenyNodeIterator iter = _species_tree.iteratorExternalForward(); iter.hasNext(); ) {
 229             final PhylogenyNode s = iter.next();
 230             species_tree_ext_nodes.add( s );
 231             final String tax_str = taxonomyToString( s, _tax_comp_base );
 232             if ( !ForesterUtil.isEmpty( tax_str ) ) {
 233                 if ( species_to_node_map.containsKey( tax_str ) ) {
 234                     throw new SDIException( "taxonomy \"" + s + "\" is not unique in species tree" );
 235                 }
 236                 species_to_node_map.put( tax_str, s );
 237             }
 238         }
 239         // Retrieve the reference to the node with a matching stringyfied taxonomy.
 240         for( final PhylogenyNodeIterator iter = _gene_tree.iteratorExternalForward(); iter.hasNext(); ) {
 241             final PhylogenyNode g = iter.next();
 242             if ( !g.getNodeData().isHasTaxonomy() ) {
 243                 if ( _strip_gene_tree ) {
 244                     _stripped_gene_tree_nodes.add( g );
 245                 }
 246                 else {
 247                     throw new SDIException( "gene tree node \"" + g + "\" has no taxonomic data" );
 248                 }
 249             }
 250             else {
 251                 final String tax_str = taxonomyToString( g, _tax_comp_base );
 252                 if ( ForesterUtil.isEmpty( tax_str ) ) {
 253                     if ( _strip_gene_tree ) {
 254                         _stripped_gene_tree_nodes.add( g );
 255                     }
 256                     else {
 257                         throw new SDIException( "gene tree node \"" + g + "\" has no appropriate taxonomic data" );
 258                     }
 259                 }
 260                 else {
 261                     final PhylogenyNode s = species_to_node_map.get( tax_str );
 262                     if ( s == null ) {
 263                         if ( _strip_gene_tree ) {
 264                             _stripped_gene_tree_nodes.add( g );
 265                         }
 266                         else {
 267                             throw new SDIException( "taxonomy \"" + g.getNodeData().getTaxonomy()
 268                                     + "\" not present in species tree" );
 269                         }
 270                     }
 271                     else {
 272                         g.setLink( s );
 273                         _mapped_species_tree_nodes.add( s );
 274                     }
 275                 }
 276             }
 277         } // for loop
 278         if ( _strip_gene_tree ) {
 279             stripGeneTree();
 280         }
 281         if ( _strip_species_tree ) {
 282             stripSpeciesTree( species_tree_ext_nodes );
 283         }
 284     }
 285
 286     public TaxonomyComparisonBase getTaxCompBase() {
 287         return _tax_comp_base;
 288     }
 289
 290     private void stripSpeciesTree( final List<PhylogenyNode> species_tree_ext_nodes ) {
 291         for( final PhylogenyNode s : species_tree_ext_nodes ) {
 292             if ( !_mapped_species_tree_nodes.contains( s ) ) {
 293                 _species_tree.deleteSubtree( s, true );
 294                 _stripped_species_tree_nodes.add( s );
 295             }
 296         }
 297     }
 298
 299     public List<PhylogenyNode> getStrippedSpeciesTreeNodes() {
 300         return _stripped_species_tree_nodes;
 301     }
 302
 303     private void stripGeneTree() {
 304         for( final PhylogenyNode g : _stripped_gene_tree_nodes ) {
 305             _gene_tree.deleteSubtree( g, true );
 306         }
 307     }
 308
 309     public Set<PhylogenyNode> getMappedExternalSpeciesTreeNodes() {
 310         return _mapped_species_tree_nodes;
 311     }
 312
 313     public static TaxonomyComparisonBase determineTaxonomyComparisonBase( final Phylogeny gene_tree ) {
 314         int with_id_count = 0;
 315         int with_code_count = 0;
 316         int with_sn_count = 0;
 317         int max = 0;
 318         for( final PhylogenyNodeIterator iter = gene_tree.iteratorExternalForward(); iter.hasNext(); ) {
 319             final PhylogenyNode g = iter.next();
 320             if ( g.getNodeData().isHasTaxonomy() ) {
 321                 final Taxonomy tax = g.getNodeData().getTaxonomy();
 322                 if ( ( tax.getIdentifier() != null ) && !ForesterUtil.isEmpty( tax.getIdentifier().getValue() ) ) {
 323                     if ( ++with_id_count > max ) {
 324                         max = with_id_count;
 325                     }
 326                 }
 327                 if ( !ForesterUtil.isEmpty( tax.getTaxonomyCode() ) ) {
 328                     if ( ++with_code_count > max ) {
 329                         max = with_code_count;
 330                     }
 331                 }
 332                 if ( !ForesterUtil.isEmpty( tax.getScientificName() ) ) {
 333                     if ( ++with_sn_count > max ) {
 334                         max = with_sn_count;
 335                     }
 336                 }
 337             }
 338         }
 339         if ( max == 0 ) {
 340             throw new IllegalArgumentException( "gene tree has no taxonomic data" );
 341         }
 342         else if ( max == 1 ) {
 343             throw new IllegalArgumentException( "gene tree has only one node with taxonomic data" );
 344         }
 345         else if ( max == with_sn_count ) {
 346             return SDI.TaxonomyComparisonBase.SCIENTIFIC_NAME;
 347         }
 348         else if ( max == with_id_count ) {
 349             return SDI.TaxonomyComparisonBase.ID;
 350         }
 351         else {
 352             return SDI.TaxonomyComparisonBase.CODE;
 353         }
 354     }
 355
 356     public List<PhylogenyNode> getStrippedExternalGeneTreeNodes() {
 357         return _stripped_gene_tree_nodes;
 358     }
 359
 360     @Override
 361     public final String toString() {
 362         final StringBuffer sb = new StringBuffer();
 363         sb.append( "Most parsimonious duplication model: " + _most_parsimonious_duplication_model );
 364         sb.append( ForesterUtil.getLineSeparator() );
 365         sb.append( "Speciations sum                    : " + getSpeciationsSum() );
 366         sb.append( ForesterUtil.getLineSeparator() );
 367         sb.append( "Duplications sum                   : " + getDuplicationsSum() );
 368         sb.append( ForesterUtil.getLineSeparator() );
 369         if ( !_most_parsimonious_duplication_model ) {
 370             sb.append( "Speciation or duplications sum     : " + getSpeciationOrDuplicationEventsSum() );
 371             sb.append( ForesterUtil.getLineSeparator() );
 372         }
 373         sb.append( "mapping cost L                     : " + computeMappingCostL() );
 374         return sb.toString();
 375     }
 376 }