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