src/jalview/analysis/StructureFrequency.java

   1 /*
   2  * Jalview - A Sequence Alignment Editor and Viewer (Version 2.7)
   3  * Copyright (C) 2011 J Procter, AM Waterhouse, J Engelhardt, LM Lui, G Barton, M Clamp, S Searle
   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 of the License, or (at your option) any later version.
  10  *
  11  * Jalview is distributed in the hope that it will be useful, but
  12  * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty
  13  * of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR
  14  * PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
  15  *
  16  * You should have received a copy of the GNU General Public License along with Jalview.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
  17  */
  18
  19 package jalview.analysis;
  20
  21 import java.util.*;
  22
  23 import jalview.datamodel.*;
  24
  25 /**
  26  * Takes in a vector or array of sequences and column start and column end and
  27  * returns a new Hashtable[] of size maxSeqLength, if Hashtable not supplied.
  28  * This class is used extensively in calculating alignment colourschemes that
  29  * depend on the amount of conservation in each alignment column.
  30  *
  31  * @author $author$
  32  * @version $Revision$
  33  */
  34 public class StructureFrequency
  35 {
  36   // No need to store 1000s of strings which are not
  37   // visible to the user.
  38   public static final String MAXCOUNT = "C";
  39
  40   public static final String MAXRESIDUE = "R";
  41
  42   public static final String PID_GAPS = "G";
  43
  44   public static final String PID_NOGAPS = "N";
  45
  46   public static final String PROFILE = "P";
  47
  48   public static final String PAIRPROFILE = "B";
  49
  50   /**
  51    * Returns the 3' position of a base pair
  52    *
  53    * @param pairs
  54    *          Secondary structure annotation
  55    * @param indice
  56    *          5' position of a base pair
  57    * @return 3' position of a base pair
  58    */
  59   public static int findPair(SequenceFeature[] pairs, int indice)
  60   {
  61     for (int i = 0; i < pairs.length; i++)
  62     {
  63       if (pairs[i].getBegin() == indice)
  64       {
  65         return pairs[i].getEnd();
  66       }
  67     }
  68     return -1;
  69   }
  70
  71   /**
  72    * Method to calculate a 'base pair consensus row', very similar to nucleotide
  73    * consensus but takes into account a given structure
  74    *
  75    * @param sequences
  76    * @param start
  77    * @param end
  78    * @param result
  79    * @param profile
  80    * @param rnaStruc
  81    */
  82   public static final void calculate(SequenceI[] sequences, int start,
  83           int end, Hashtable[] result, boolean profile,
  84           AlignmentAnnotation rnaStruc)
  85   {
  86     Hashtable residueHash;
  87     String maxResidue;
  88     char[] seq, struc = rnaStruc.getRNAStruc().toCharArray();
  89     SequenceFeature[] rna = rnaStruc._rnasecstr;
  90     char c, s, cEnd;
  91     int count, nonGap = 0, i, bpEnd = -1, j, jSize = sequences.length;
  92     int[] values;
  93     int[][] pairs;
  94     float percentage;
  95
  96     for (i = start; i < end; i++) // foreach column
  97     {
  98       residueHash = new Hashtable();
  99       maxResidue = "-";
 100       values = new int[255];
 101       pairs = new int[255][255];
 102       bpEnd = -1;
 103       if (i < struc.length)
 104       {
 105         s = struc[i];
 106       }
 107       else
 108       {
 109         s = '-';
 110       }
 111       if (s == '.' || s == ' ')
 112       {
 113         s = '-';
 114       }
 115
 116       if (s != '(')
 117       {
 118         if (s == '-')
 119         {
 120           values['-']++;
 121         }
 122       }
 123       else
 124       {
 125         bpEnd = findPair(rna, i);
 126         if (bpEnd>-1)
 127         {
 128         for (j = 0; j < jSize; j++) // foreach row
 129         {
 130           if (sequences[j] == null)
 131           {
 132             System.err
 133                     .println("WARNING: Consensus skipping null sequence - possible race condition.");
 134             continue;
 135           }
 136           c = sequences[j].getCharAt(i);
 137           {
 138
 139             // standard representation for gaps in sequence and structure
 140             if (c == '.' || c == ' ')
 141             {
 142               c = '-';
 143             }
 144
 145             if (c == '-')
 146             {
 147               values['-']++;
 148               continue;
 149             }
 150             cEnd = sequences[j].getCharAt(bpEnd);
 151             if (checkBpType(c, cEnd))
 152             {
 153               values['(']++; // H means it's a helix (structured)
 154             }
 155             pairs[c][cEnd]++;
 156
 157             maxResidue = "(";
 158           }
 159         }
 160         }
 161         // nonGap++;
 162       }
 163       // UPDATE this for new values
 164       if (profile)
 165       {
 166         residueHash.put(PROFILE, new int[][]
 167         { values, new int[]
 168         { jSize, (jSize - values['-']) } });
 169
 170         residueHash.put(PAIRPROFILE, pairs);
 171       }
 172
 173       count = values['('];
 174
 175       residueHash.put(MAXCOUNT, new Integer(count));
 176       residueHash.put(MAXRESIDUE, maxResidue);
 177
 178       percentage = ((float) count * 100) / (float) jSize;
 179       residueHash.put(PID_GAPS, new Float(percentage));
 180
 181       // percentage = ((float) count * 100) / (float) nongap;
 182       // residueHash.put(PID_NOGAPS, new Float(percentage));
 183       if (result[i] == null)
 184       {
 185         result[i] = residueHash;
 186       }
 187       if (bpEnd > 0)
 188       {
 189         values[')'] = values['('];
 190         values['('] = 0;
 191
 192         residueHash = new Hashtable();
 193         maxResidue = ")";
 194
 195         if (profile)
 196         {
 197           residueHash.put(PROFILE, new int[][]
 198           { values, new int[]
 199           { jSize, (jSize - values['-']) } });
 200
 201           residueHash.put(PAIRPROFILE, pairs);
 202         }
 203
 204         residueHash.put(MAXCOUNT, new Integer(count));
 205         residueHash.put(MAXRESIDUE, maxResidue);
 206
 207         percentage = ((float) count * 100) / (float) jSize;
 208         residueHash.put(PID_GAPS, new Float(percentage));
 209
 210         result[bpEnd] = residueHash;
 211       }
 212     }
 213   }
 214
 215   /**
 216    * Method to check if a base-pair is a canonical or a wobble bp
 217    *
 218    * @param up
 219    *          5' base
 220    * @param down
 221    *          3' base
 222    * @return True if it is a canonical/wobble bp
 223    */
 224   public static boolean checkBpType(char up, char down)
 225   {
 226     if (up > 'Z')
 227     {
 228       up -= 32;
 229     }
 230     if (down > 'Z')
 231     {
 232       down -= 32;
 233     }
 234
 235     switch (up)
 236     {
 237     case 'A':
 238       switch (down)
 239       {
 240       case 'T':
 241         return true;
 242       case 'U':
 243         return true;
 244       }
 245       break;
 246     case 'C':
 247       switch (down)
 248       {
 249       case 'G':
 250         return true;
 251       }
 252       break;
 253     case 'T':
 254       switch (down)
 255       {
 256       case 'A':
 257         return true;
 258       case 'G':
 259         return true;
 260       }
 261       break;
 262     case 'G':
 263       switch (down)
 264       {
 265       case 'C':
 266         return true;
 267       case 'T':
 268         return true;
 269       case 'U':
 270         return true;
 271       }
 272       break;
 273     case 'U':
 274       switch (down)
 275       {
 276       case 'A':
 277         return true;
 278       case 'G':
 279         return true;
 280       }
 281       break;
 282     }
 283     return false;
 284   }
 285
 286   /**
 287    * Compute all or part of the annotation row from the given consensus
 288    * hashtable
 289    *
 290    * @param consensus
 291    *          - pre-allocated annotation row
 292    * @param hconsensus
 293    * @param iStart
 294    * @param width
 295    * @param ignoreGapsInConsensusCalculation
 296    * @param includeAllConsSymbols
 297    */
 298   public static void completeConsensus(AlignmentAnnotation consensus,
 299           Hashtable[] hconsensus, int iStart, int width,
 300           boolean ignoreGapsInConsensusCalculation,
 301           boolean includeAllConsSymbols)
 302   {
 303     float tval, value;
 304     if (consensus == null || consensus.annotations == null
 305             || consensus.annotations.length < width)
 306     {
 307       // called with a bad alignment annotation row - wait for it to be
 308       // initialised properly
 309       return;
 310     }
 311     for (int i = iStart; i < width; i++)
 312     {
 313       if (i >= hconsensus.length)
 314       {
 315         // happens if sequences calculated over were shorter than alignment
 316         // width
 317         consensus.annotations[i] = null;
 318         continue;
 319       }
 320       value = 0;
 321       if (ignoreGapsInConsensusCalculation)
 322       {
 323         value = ((Float) hconsensus[i].get(StructureFrequency.PID_NOGAPS))
 324                 .floatValue();
 325       }
 326       else
 327       {
 328         value = ((Float) hconsensus[i].get(StructureFrequency.PID_GAPS))
 329                 .floatValue();
 330       }
 331
 332       String maxRes = hconsensus[i].get(StructureFrequency.MAXRESIDUE)
 333               .toString();
 334       String mouseOver = hconsensus[i].get(StructureFrequency.MAXRESIDUE)
 335               + " ";
 336       if (maxRes.length() > 1)
 337       {
 338         mouseOver = "[" + maxRes + "] ";
 339         maxRes = "+";
 340       }
 341       int[][] profile = (int[][]) hconsensus[i]
 342               .get(StructureFrequency.PROFILE);
 343       int[][] pairs = (int[][]) hconsensus[i]
 344               .get(StructureFrequency.PAIRPROFILE);
 345
 346       if (pairs != null && includeAllConsSymbols) // Just responsible for the
 347       // tooltip
 348       // TODO Update tooltips for Structure row
 349       {
 350         mouseOver = "";
 351
 352         /* TODO It's not sure what is the purpose of the alphabet and wheter it is useful for structure?
 353          *
 354          * if (alphabet != null) { for (int c = 0; c < alphabet.length; c++) {
 355          * tval = ((float) profile[0][alphabet[c]]) 100f / (float)
 356          * profile[1][ignoreGapsInConsensusCalculation ? 1 : 0]; mouseOver +=
 357          * ((c == 0) ? "" : "; ") + alphabet[c] + " " + ((int) tval) + "%"; } }
 358          * else {
 359          */
 360         Object[] ca = new Object[625];
 361         float[] vl = new float[625];
 362         int x = 0;
 363         for (int c = 65; c < 90; c++)
 364         {
 365           for (int d = 65; d < 90; d++)
 366           {
 367             ca[x] = new int[]
 368             { c, d };
 369             vl[x] = (float) pairs[c][d];
 370             x++;
 371           }
 372         }
 373         jalview.util.QuickSort.sort(vl, ca);
 374         int p = 0;
 375
 376         for (int c = 624; c > 0; c--)
 377         {
 378           if (vl[c] > 0)
 379           {
 380             tval = ((float) vl[c] * 100f / (float) profile[1][ignoreGapsInConsensusCalculation ? 1
 381                     : 0]);
 382             mouseOver += ((p == 0) ? "" : "; ") + (char) ((int[]) ca[c])[0]
 383                     + (char) ((int[]) ca[c])[1] + " " + ((int) tval) + "%";
 384             p++;
 385
 386           }
 387         }
 388
 389         // }
 390       }
 391       else
 392       {
 393         mouseOver += ((int) value + "%");
 394       }
 395       consensus.annotations[i] = new Annotation(maxRes, mouseOver, ' ',
 396               value);
 397     }
 398   }
 399
 400   /**
 401    * get the sorted base-pair profile for the given position of the consensus
 402    *
 403    * @param hconsensus
 404    * @return profile of the given column
 405    */
 406   public static int[] extractProfile(Hashtable hconsensus,
 407           boolean ignoreGapsInConsensusCalculation)
 408   {
 409     int[] rtnval = new int[74]; // 2*(5*5)+2
 410     int[][] profile = (int[][]) hconsensus.get(StructureFrequency.PROFILE);
 411     int[][] pairs = (int[][]) hconsensus
 412             .get(StructureFrequency.PAIRPROFILE);
 413
 414     if (profile == null)
 415       return null;
 416
 417     // TODO fix the object length, also do it in completeConsensus
 418     Object[] ca = new Object[625];
 419     float[] vl = new float[625];
 420     int x = 0;
 421     for (int c = 65; c < 90; c++)
 422     {
 423       for (int d = 65; d < 90; d++)
 424       {
 425         ca[x] = new int[]
 426         { c, d };
 427         vl[x] = (float) pairs[c][d];
 428         x++;
 429       }
 430     }
 431     jalview.util.QuickSort.sort(vl, ca);
 432
 433     rtnval[0] = 2;
 434     rtnval[1] = 0;
 435     for (int c = 624; c > 0; c--)
 436     {
 437       if (vl[c] > 0)
 438       {
 439         rtnval[rtnval[0]++] = ((int[]) ca[c])[0];
 440         rtnval[rtnval[0]++] = ((int[]) ca[c])[1];
 441         rtnval[rtnval[0]] = (int) ((float) vl[c] * 100f / (float) profile[1][ignoreGapsInConsensusCalculation ? 1
 442                 : 0]);
 443         rtnval[1]+=rtnval[rtnval[0]++];
 444       }
 445     }
 446
 447     return rtnval;
 448   }
 449
 450   public static void main(String args[])
 451   {
 452     // Short test to see if checkBpType works
 453     ArrayList<String> test = new ArrayList<String>();
 454     test.add("A");
 455     test.add("c");
 456     test.add("g");
 457     test.add("T");
 458     test.add("U");
 459     for (String i : test)
 460     {
 461       for (String j : test)
 462       {
 463         System.out.println(i + "-" + j + ": "
 464                 + StructureFrequency.checkBpType(i.charAt(0), j.charAt(0)));
 465       }
 466     }
 467   }
 468 }