src/jalview/analysis/scoremodels/ScoreMatrix.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.scoremodels;
  22
  23 import jalview.api.AlignmentViewPanel;
  24 import jalview.api.analysis.PairwiseScoreModelI;
  25 import jalview.api.analysis.ScoreModelI;
  26 import jalview.api.analysis.SimilarityParamsI;
  27 import jalview.datamodel.AlignmentView;
  28 import jalview.math.Matrix;
  29 import jalview.math.MatrixI;
  30 import jalview.util.Comparison;
  31
  32 import java.util.Arrays;
  33
  34 /**
  35  * A class that models a substitution score matrix for any given alphabet of
  36  * symbols. Instances of this class are immutable and thread-safe, so the same
  37  * object is returned from calls to getInstance().
  38  */
  39 public class ScoreMatrix extends SimilarityScoreModel
  40         implements PairwiseScoreModelI
  41 {
  42   private static final char GAP_CHARACTER = Comparison.GAP_DASH;
  43
  44   /*
  45    * an arbitrary score to assign for identity of an unknown symbol
  46    * (this is the value on the diagonal in the * column of the NCBI matrix)
  47    * (though a case could be made for using the minimum diagonal value)
  48    */
  49   private static final int UNKNOWN_IDENTITY_SCORE = 1;
  50
  51   /*
  52    * Jalview 2.10.1 treated gaps as X (peptide) or N (nucleotide)
  53    * for pairwise scoring; 2.10.2 uses gap score (last column) in
  54    * score matrix (JAL-2397)
  55    * Set this flag to true (via Groovy) for 2.10.1 behaviour
  56    */
  57   private static boolean scoreGapAsAny = false;
  58
  59   public static final short UNMAPPED = (short) -1;
  60
  61   private static final String BAD_ASCII_ERROR = "Unexpected character %s in getPairwiseScore";
  62
  63   private static final int MAX_ASCII = 127;
  64
  65   /*
  66    * the name of the model as shown in menus
  67    * each score model in use should have a unique name
  68    */
  69   private String name;
  70
  71   /*
  72    * a description for the model as shown in tooltips
  73    */
  74   private String description;
  75
  76   /*
  77    * the characters that the model provides scores for
  78    */
  79   private char[] symbols;
  80
  81   /*
  82    * the score matrix; both dimensions must equal the number of symbols
  83    * matrix[i][j] is the substitution score for replacing symbols[i] with symbols[j]
  84    */
  85   private float[][] matrix;
  86
  87   /*
  88    * quick lookup to convert from an ascii character value to the index
  89    * of the corresponding symbol in the score matrix
  90    */
  91   private short[] symbolIndex;
  92
  93   /*
  94    * true for Protein Score matrix, false for dna score matrix
  95    */
  96   private boolean peptide;
  97
  98   private float minValue;
  99
 100   private float maxValue;
 101
 102   private boolean symmetric;
 103
 104   /**
 105    * Constructor given a name, symbol alphabet, and matrix of scores for pairs
 106    * of symbols. The matrix should be square and of the same size as the
 107    * alphabet, for example 20x20 for a 20 symbol alphabet.
 108    *
 109    * @param theName
 110    *          Unique, human readable name for the matrix
 111    * @param alphabet
 112    *          the symbols to which scores apply
 113    * @param values
 114    *          Pairwise scores indexed according to the symbol alphabet
 115    */
 116   public ScoreMatrix(String theName, char[] alphabet, float[][] values)
 117   {
 118     this(theName, null, alphabet, values);
 119   }
 120
 121   /**
 122    * Constructor given a name, description, symbol alphabet, and matrix of
 123    * scores for pairs of symbols. The matrix should be square and of the same
 124    * size as the alphabet, for example 20x20 for a 20 symbol alphabet.
 125    *
 126    * @param theName
 127    *          Unique, human readable name for the matrix
 128    * @param theDescription
 129    *          descriptive display name suitable for use in menus
 130    * @param alphabet
 131    *          the symbols to which scores apply
 132    * @param values
 133    *          Pairwise scores indexed according to the symbol alphabet
 134    */
 135   public ScoreMatrix(String theName, String theDescription, char[] alphabet,
 136           float[][] values)
 137   {
 138     if (alphabet.length != values.length)
 139     {
 140       throw new IllegalArgumentException(
 141               "score matrix size must match alphabet size");
 142     }
 143     for (float[] row : values)
 144     {
 145       if (row.length != alphabet.length)
 146       {
 147         throw new IllegalArgumentException(
 148                 "score matrix size must be square");
 149       }
 150     }
 151
 152     this.matrix = values;
 153     this.name = theName;
 154     this.description = theDescription;
 155     this.symbols = alphabet;
 156
 157     symbolIndex = buildSymbolIndex(alphabet);
 158
 159     findMinMax();
 160
 161     symmetric = checkSymmetry();
 162
 163     /*
 164      * crude heuristic for now...
 165      */
 166     peptide = alphabet.length >= 20;
 167   }
 168
 169   /**
 170    * Answers true if the matrix is symmetric, else false. Usually, substitution
 171    * matrices are symmetric, which allows calculations to be short cut.
 172    *
 173    * @return
 174    */
 175   private boolean checkSymmetry()
 176   {
 177     for (int i = 0; i < matrix.length; i++)
 178     {
 179       for (int j = i; j < matrix.length; j++)
 180       {
 181         if (matrix[i][j] != matrix[j][i])
 182         {
 183           return false;
 184         }
 185       }
 186     }
 187     return true;
 188   }
 189
 190   /**
 191    * Record the minimum and maximum score values
 192    */
 193   protected void findMinMax()
 194   {
 195     float min = Float.MAX_VALUE;
 196     float max = -Float.MAX_VALUE;
 197     if (matrix != null)
 198     {
 199       for (float[] row : matrix)
 200       {
 201         if (row != null)
 202         {
 203           for (float f : row)
 204           {
 205             min = Math.min(min, f);
 206             max = Math.max(max, f);
 207           }
 208         }
 209       }
 210     }
 211     minValue = min;
 212     maxValue = max;
 213   }
 214
 215   /**
 216    * Returns an array A where A[i] is the position in the alphabet array of the
 217    * character whose value is i. For example if the alphabet is { 'A', 'D', 'X'
 218    * } then A['D'] = A[68] = 1.
 219    * <p>
 220    * Unmapped characters (not in the alphabet) get an index of -1.
 221    * <p>
 222    * Mappings are added automatically for lower case symbols (for non case
 223    * sensitive scoring), unless they are explicitly present in the alphabet (are
 224    * scored separately in the score matrix).
 225    * <p>
 226    * the gap character (space, dash or dot) included in the alphabet (if any) is
 227    * recorded in a field
 228    *
 229    * @param alphabet
 230    * @return
 231    */
 232   short[] buildSymbolIndex(char[] alphabet)
 233   {
 234     short[] index = new short[MAX_ASCII + 1];
 235     Arrays.fill(index, UNMAPPED);
 236     short pos = 0;
 237     for (char c : alphabet)
 238     {
 239       if (c <= MAX_ASCII)
 240       {
 241         index[c] = pos;
 242       }
 243
 244       /*
 245        * also map lower-case character (unless separately mapped)
 246        */
 247       if (c >= 'A' && c <= 'Z')
 248       {
 249         short lowerCase = (short) (c + ('a' - 'A'));
 250         if (index[lowerCase] == UNMAPPED)
 251         {
 252           index[lowerCase] = pos;
 253         }
 254       }
 255       pos++;
 256     }
 257     return index;
 258   }
 259
 260   @Override
 261   public String getName()
 262   {
 263     return name;
 264   }
 265
 266   @Override
 267   public String getDescription()
 268   {
 269     return description;
 270   }
 271
 272   @Override
 273   public boolean isDNA()
 274   {
 275     return !peptide;
 276   }
 277
 278   @Override
 279   public boolean isProtein()
 280   {
 281     return peptide;
 282   }
 283
 284   /**
 285    * Returns a copy of the score matrix as used in getPairwiseScore. If using
 286    * this matrix directly, callers <em>must</em> also call
 287    * <code>getMatrixIndex</code> in order to get the matrix index for each
 288    * character (symbol).
 289    *
 290    * @return
 291    * @see #getMatrixIndex(char)
 292    */
 293   public float[][] getMatrix()
 294   {
 295     float[][] v = new float[matrix.length][matrix.length];
 296     for (int i = 0; i < matrix.length; i++)
 297     {
 298       v[i] = Arrays.copyOf(matrix[i], matrix[i].length);
 299     }
 300     return v;
 301   }
 302
 303   /**
 304    * Answers the matrix index for a given character, or -1 if unmapped in the
 305    * matrix. Use this method only if using <code>getMatrix</code> in order to
 306    * compute scores directly (without symbol lookup) for efficiency.
 307    *
 308    * @param c
 309    * @return
 310    * @see #getMatrix()
 311    */
 312   public int getMatrixIndex(char c)
 313   {
 314     if (c < symbolIndex.length)
 315     {
 316       return symbolIndex[c];
 317     }
 318     else
 319     {
 320       return UNMAPPED;
 321     }
 322   }
 323
 324   /**
 325    * Returns the pairwise score for substituting c with d. If either c or d is
 326    * an unexpected character, returns 1 for identity (c == d), else the minimum
 327    * score value in the matrix.
 328    */
 329   @Override
 330   public float getPairwiseScore(char c, char d)
 331   {
 332     if (c >= symbolIndex.length)
 333     {
 334       System.err.println(String.format(BAD_ASCII_ERROR, c));
 335       return 0;
 336     }
 337     if (d >= symbolIndex.length)
 338     {
 339       System.err.println(String.format(BAD_ASCII_ERROR, d));
 340       return 0;
 341     }
 342
 343     int cIndex = symbolIndex[c];
 344     int dIndex = symbolIndex[d];
 345     if (cIndex != UNMAPPED && dIndex != UNMAPPED)
 346     {
 347       return matrix[cIndex][dIndex];
 348     }
 349
 350     /*
 351      * one or both symbols not found in the matrix
 352      * currently scoring as 1 (for identity) or the minimum
 353      * matrix score value (otherwise)
 354      * (a case could be made for using minimum row/column value instead)
 355      */
 356     return c == d ? UNKNOWN_IDENTITY_SCORE : getMinimumScore();
 357   }
 358
 359   /**
 360    * pretty print the matrix
 361    */
 362   @Override
 363   public String toString()
 364   {
 365     return outputMatrix(false);
 366   }
 367
 368   /**
 369    * Print the score matrix, optionally formatted as html, with the alphabet
 370    * symbols as column headings and at the start of each row.
 371    * <p>
 372    * The non-html format should give an output which can be parsed as a score
 373    * matrix file
 374    *
 375    * @param html
 376    * @return
 377    */
 378   public String outputMatrix(boolean html)
 379   {
 380     StringBuilder sb = new StringBuilder(512);
 381
 382     /*
 383      * heading row with alphabet
 384      */
 385     if (html)
 386     {
 387       sb.append("<table border=\"1\">");
 388       sb.append(html ? "<tr><th></th>" : "");
 389     }
 390     else
 391     {
 392       sb.append("ScoreMatrix ").append(getName()).append("\n");
 393     }
 394     for (char sym : symbols)
 395     {
 396       if (html)
 397       {
 398         sb.append("<th>&nbsp;").append(sym).append("&nbsp;</th>");
 399       }
 400       else
 401       {
 402         sb.append("\t").append(sym);
 403       }
 404     }
 405     sb.append(html ? "</tr>\n" : "\n");
 406
 407     /*
 408      * table of scores
 409      */
 410     for (char c1 : symbols)
 411     {
 412       if (html)
 413       {
 414         sb.append("<tr><td>");
 415       }
 416       sb.append(c1).append(html ? "</td>" : "");
 417       for (char c2 : symbols)
 418       {
 419         sb.append(html ? "<td>" : "\t")
 420                 .append(matrix[symbolIndex[c1]][symbolIndex[c2]])
 421                 .append(html ? "</td>" : "");
 422       }
 423       sb.append(html ? "</tr>\n" : "\n");
 424     }
 425     if (html)
 426     {
 427       sb.append("</table>");
 428     }
 429     return sb.toString();
 430   }
 431
 432   /**
 433    * Answers the number of symbols coded for (also equal to the number of rows
 434    * and columns of the score matrix)
 435    *
 436    * @return
 437    */
 438   public int getSize()
 439   {
 440     return symbols.length;
 441   }
 442
 443   /**
 444    * Computes an NxN matrix where N is the number of sequences, and entry [i, j]
 445    * is sequence[i] pairwise multiplied with sequence[j], as a sum of scores
 446    * computed using the current score matrix. For example
 447    * <ul>
 448    * <li>Sequences:</li>
 449    * <li>FKL</li>
 450    * <li>R-D</li>
 451    * <li>QIA</li>
 452    * <li>GWC</li>
 453    * <li>Score matrix is BLOSUM62</li>
 454    * <li>Gaps treated same as X (unknown)</li>
 455    * <li>product [0, 0] = F.F + K.K + L.L = 6 + 5 + 4 = 15</li>
 456    * <li>product [1, 1] = R.R + -.- + D.D = 5 + -1 + 6 = 10</li>
 457    * <li>product [2, 2] = Q.Q + I.I + A.A = 5 + 4 + 4 = 13</li>
 458    * <li>product [3, 3] = G.G + W.W + C.C = 6 + 11 + 9 = 26</li>
 459    * <li>product[0, 1] = F.R + K.- + L.D = -3 + -1 + -3 = -8
 460    * <li>and so on</li>
 461    * </ul>
 462    * This method is thread-safe.
 463    */
 464   @Override
 465   public MatrixI findSimilarities(AlignmentView seqstrings,
 466           SimilarityParamsI options)
 467   {
 468     char gapChar = scoreGapAsAny ? (seqstrings.isNa() ? 'N' : 'X')
 469             : GAP_CHARACTER;
 470     String[] seqs = seqstrings.getSequenceStrings(gapChar);
 471     return findSimilarities(seqs, options);
 472   }
 473
 474   /**
 475    * Computes pairwise similarities of a set of sequences using the given
 476    * parameters
 477    *
 478    * @param seqs
 479    * @param params
 480    * @return
 481    */
 482   protected MatrixI findSimilarities(String[] seqs,
 483           SimilarityParamsI params)
 484   {
 485     double[][] values = new double[seqs.length][seqs.length];
 486     for (int row = 0; row < seqs.length; row++)
 487     {
 488       for (int col = symmetric ? row : 0; col < seqs.length; col++)
 489       {
 490         double total = computeSimilarity(seqs[row], seqs[col], params);
 491         values[row][col] = total;
 492         if (symmetric)
 493         {
 494           values[col][row] = total;
 495         }
 496       }
 497     }
 498     return new Matrix(values);
 499   }
 500
 501   /**
 502    * Calculates the pairwise similarity of two strings using the given
 503    * calculation parameters
 504    *
 505    * @param seq1
 506    * @param seq2
 507    * @param params
 508    * @return
 509    */
 510   protected double computeSimilarity(String seq1, String seq2,
 511           SimilarityParamsI params)
 512   {
 513     int len1 = seq1.length();
 514     int len2 = seq2.length();
 515     double total = 0;
 516
 517     int width = Math.max(len1, len2);
 518     for (int i = 0; i < width; i++)
 519     {
 520       if (i >= len1 || i >= len2)
 521       {
 522         /*
 523          * off the end of one sequence; stop if we are only matching
 524          * on the shorter sequence length, else treat as trailing gap
 525          */
 526         if (params.denominateByShortestLength())
 527         {
 528           break;
 529         }
 530       }
 531
 532       char c1 = i >= len1 ? GAP_CHARACTER : seq1.charAt(i);
 533       char c2 = i >= len2 ? GAP_CHARACTER : seq2.charAt(i);
 534       boolean gap1 = Comparison.isGap(c1);
 535       boolean gap2 = Comparison.isGap(c2);
 536
 537       if (gap1 && gap2)
 538       {
 539         /*
 540          * gap-gap: include if options say so, else ignore
 541          */
 542         if (!params.includeGappedColumns())
 543         {
 544           continue;
 545         }
 546       }
 547       else if (gap1 || gap2)
 548       {
 549         /*
 550          * gap-residue: score if options say so
 551          */
 552         if (!params.includeGaps())
 553         {
 554           continue;
 555         }
 556       }
 557       float score = getPairwiseScore(c1, c2);
 558       total += score;
 559     }
 560     return total;
 561   }
 562
 563   /**
 564    * Answers a hashcode computed from the symbol alphabet and the matrix score
 565    * values
 566    */
 567   @Override
 568   public int hashCode()
 569   {
 570     int hs = Arrays.hashCode(symbols);
 571     for (float[] row : matrix)
 572     {
 573       hs = hs * 31 + Arrays.hashCode(row);
 574     }
 575     return hs;
 576   }
 577
 578   /**
 579    * Answers true if the argument is a ScoreMatrix with the same symbol alphabet
 580    * and score values, else false
 581    */
 582   @Override
 583   public boolean equals(Object obj)
 584   {
 585     if (!(obj instanceof ScoreMatrix))
 586     {
 587       return false;
 588     }
 589     ScoreMatrix sm = (ScoreMatrix) obj;
 590     if (Arrays.equals(symbols, sm.symbols)
 591             && Arrays.deepEquals(matrix, sm.matrix))
 592     {
 593       return true;
 594     }
 595     return false;
 596   }
 597
 598   /**
 599    * Returns the alphabet the matrix scores for, as a string of characters
 600    *
 601    * @return
 602    */
 603   String getSymbols()
 604   {
 605     return new String(symbols);
 606   }
 607
 608   public float getMinimumScore()
 609   {
 610     return minValue;
 611   }
 612
 613   public float getMaximumScore()
 614   {
 615     return maxValue;
 616   }
 617
 618   @Override
 619   public ScoreModelI getInstance(AlignmentViewPanel avp)
 620   {
 621     return this;
 622   }
 623
 624   public boolean isSymmetric()
 625   {
 626     return symmetric;
 627   }
 628 }