forester/java/src/org/forester/sdi/SDIse.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 // Copyright (C) 2000-2001 Washington University School of Medicine
   8 // and Howard Hughes Medical Institute
   9 // All rights reserved
  10 //
  11 // This library is free software; you can redistribute it and/or
  12 // modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
  13 // License as published by the Free Software Foundation; either
  14 // version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
  15 //
  16 // This library is distributed in the hope that it will be useful,
  17 // but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  18 // MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the GNU
  19 // Lesser General Public License for more details.
  20 //
  21 // You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  22 // License along with this library; if not, write to the Free Software
  23 // Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301, USA
  24 //
  25 // Contact: phylosoft @ gmail . com
  26 // WWW: www.phylosoft.org/forester
  27
  28 package org.forester.sdi;
  29
  30 import org.forester.phylogeny.Phylogeny;
  31 import org.forester.phylogeny.PhylogenyNode;
  32 import org.forester.phylogeny.data.Event;
  33
  34 /*
  35  * Implements our algorithm for speciation - duplication inference (SDI). <p>
  36  * Reference: </p> <ul> <li>Zmasek, C.M. and Eddy, S.R. (2001) "A simple
  37  * algorithm to infer gene duplication and speciation events on a gene tree".
  38  * Bioinformatics, in press. </ul> <p> The initialization is accomplished by:
  39  * </p> <ul> <li>method "linkExtNodesOfG()" of class SDI: setting the links for
  40  * the external nodes of the gene tree <li>"preorderReID(int)" from class
  41  * Phylogeny: numbering of nodes of the species tree in preorder <li>the
  42  * optional stripping of the species tree is accomplished by method
  43  * "stripTree(Phylogeny,Phylogeny)" of class Phylogeny </ul> <p> The recursion
  44  * part is accomplished by this class' method
  45  * "geneTreePostOrderTraversal(PhylogenyNode)". <p> Requires JDK 1.2 or greater.
  46  *
  47  * @see SDI#linkNodesOfG()
  48  *
  49  * @see Phylogeny#preorderReID(int)
  50  *
  51  * @see
  52  * PhylogenyMethods#taxonomyBasedDeletionOfExternalNodes(Phylogeny,Phylogeny)
  53  *
  54  * @see #geneTreePostOrderTraversal(PhylogenyNode)
  55  *
  56  * @author Christian M. Zmasek
  57  *
  58  * @version 1.102 -- last modified: 10/02/01
  59  */
  60 public class SDIse extends SDI {
  61
  62     /**
  63      * Constructor which sets the gene tree and the species tree to be compared.
  64      * species_tree is the species tree to which the gene tree gene_tree will be
  65      * compared to - with method "infer(boolean)". Both Trees must be completely
  66      * binary and rooted. The actual inference is accomplished with method
  67      * "infer(boolean)". The mapping cost L can then be calculated with method
  68      * "computeMappingCost()".
  69      * <p>
  70      * (Last modified: 01/11/01)
  71      *
  72      * @see #infer(boolean)
  73      * @see SDI#computeMappingCostL()
  74      * @param gene_tree
  75      *            reference to a rooted binary gene Phylogeny to which assign
  76      *            duplication vs speciation, must have species names in the
  77      *            species name fields for all external nodes
  78      * @param species_tree
  79      *            reference to a rooted binary species Phylogeny which might get
  80      *            stripped in the process, must have species names in the
  81      *            species name fields for all external nodes
  82      * @throws SdiException
  83      */
  84     public SDIse( final Phylogeny gene_tree, final Phylogeny species_tree ) throws SdiException {
  85         super( gene_tree, species_tree );
  86         _duplications_sum = 0;
  87         getSpeciesTree().preOrderReId();
  88         linkNodesOfG();
  89         geneTreePostOrderTraversal( getGeneTree().getRoot() );
  90     }
  91
  92     // Helper method for updateM( boolean, PhylogenyNode, PhylogenyNode )
  93     // Calculates M for PhylogenyNode n, given that M for the two children
  94     // of n has been calculated.
  95     // (Last modified: 10/02/01)
  96     private void calculateMforNode( final PhylogenyNode n ) {
  97         if ( !n.isExternal() ) {
  98             final boolean was_duplication = n.isDuplication();
  99             PhylogenyNode a = n.getChildNode1().getLink(), b = n.getChildNode2().getLink();
 100             while ( a != b ) {
 101                 if ( a.getId() > b.getId() ) {
 102                     a = a.getParent();
 103                 }
 104                 else {
 105                     b = b.getParent();
 106                 }
 107             }
 108             n.setLink( a );
 109             Event event = null;
 110             if ( ( a == n.getChildNode1().getLink() ) || ( a == n.getChildNode2().getLink() ) ) {
 111                 event = Event.createSingleDuplicationEvent();
 112                 if ( !was_duplication ) {
 113                     ++_duplications_sum;
 114                 }
 115             }
 116             else {
 117                 event = Event.createSingleSpeciationEvent();
 118                 if ( was_duplication ) {
 119                     --_duplications_sum;
 120                 }
 121             }
 122             n.getNodeData().setEvent( event );
 123         }
 124     } // calculateMforNode( PhylogenyNode )
 125
 126     /**
 127      * Traverses the subtree of PhylogenyNode g in postorder, calculating the
 128      * mapping function M, and determines which nodes represent speciation
 129      * events and which ones duplication events.
 130      * <p>
 131      * Preconditions: Mapping M for external nodes must have been calculated and
 132      * the species tree must be labelled in preorder.
 133      * <p>
 134      * (Last modified: 01/11/01)
 135      *
 136      * @param g
 137      *            starting node of a gene tree - normally the root
 138      */
 139     void geneTreePostOrderTraversal( final PhylogenyNode g ) {
 140         PhylogenyNode a, b;
 141         if ( !g.isExternal() ) {
 142             geneTreePostOrderTraversal( g.getChildNode( 0 ) );
 143             geneTreePostOrderTraversal( g.getChildNode( 1 ) );
 144             a = g.getChildNode( 0 ).getLink();
 145             b = g.getChildNode( 1 ).getLink();
 146             while ( a != b ) {
 147                 if ( a.getId() > b.getId() ) {
 148                     a = a.getParent();
 149                 }
 150                 else {
 151                     b = b.getParent();
 152                 }
 153             }
 154             g.setLink( a );
 155             // Determines whether dup. or spec.
 156             Event event = null;
 157             if ( ( a == g.getChildNode( 0 ).getLink() ) || ( a == g.getChildNode( 1 ).getLink() ) ) {
 158                 event = Event.createSingleDuplicationEvent();
 159                 ++_duplications_sum;
 160             }
 161             else {
 162                 event = Event.createSingleSpeciationEvent();
 163             }
 164             g.getNodeData().setEvent( event );
 165         }
 166     } // geneTreePostOrderTraversal( PhylogenyNode )
 167
 168     /**
 169      * Updates the mapping function M after the root of the gene tree has been
 170      * moved by one branch. It calculates M for the root of the gene tree and
 171      * one of its two children.
 172      * <p>
 173      * To be used ONLY by method "SDIunrooted.fastInfer(Phylogeny,Phylogeny)".
 174      * <p>
 175      * (Last modfied: 10/02/01)
 176      *
 177      * @param prev_root_was_dup
 178      *            true if the previous root was a duplication, false otherwise
 179      * @param prev_root_c1
 180      *            child 1 of the previous root
 181      * @param prev_root_c2
 182      *            child 2 of the previous root
 183      * @return number of duplications which have been assigned in gene tree
 184      */
 185     int updateM( final boolean prev_root_was_dup, final PhylogenyNode prev_root_c1, final PhylogenyNode prev_root_c2 ) {
 186         final PhylogenyNode root = getGeneTree().getRoot();
 187         if ( ( root.getChildNode1() == prev_root_c1 ) || ( root.getChildNode2() == prev_root_c1 ) ) {
 188             calculateMforNode( prev_root_c1 );
 189         }
 190         else {
 191             calculateMforNode( prev_root_c2 );
 192         }
 193         Event event = null;
 194         if ( prev_root_was_dup ) {
 195             event = Event.createSingleDuplicationEvent();
 196         }
 197         else {
 198             event = Event.createSingleSpeciationEvent();
 199         }
 200         root.getNodeData().setEvent( event );
 201         calculateMforNode( root );
 202         return getDuplicationsSum();
 203     } // updateM( boolean, PhylogenyNode, PhylogenyNode )
 204 } // End of class SDIse.