JAL-1705 refactoring etc for fetching Ensembl --> Uniprot
[jalview.git] / src / jalview / ext / ensembl / EnsemblSeqProxy.java
index 7153a9e..4af6525 100644 (file)
@@ -1,5 +1,6 @@
 package jalview.ext.ensembl;
 
+import jalview.analysis.AlignmentUtils;
 import jalview.datamodel.Alignment;
 import jalview.datamodel.AlignmentI;
 import jalview.datamodel.DBRefEntry;
@@ -10,7 +11,8 @@ import jalview.datamodel.SequenceI;
 import jalview.exceptions.JalviewException;
 import jalview.io.FastaFile;
 import jalview.io.FileParse;
-import jalview.io.gff.SequenceOntology;
+import jalview.io.gff.SequenceOntologyFactory;
+import jalview.io.gff.SequenceOntologyI;
 import jalview.util.DBRefUtils;
 import jalview.util.MapList;
 
@@ -26,33 +28,47 @@ import java.util.List;
 /**
  * Base class for Ensembl sequence fetchers
  * 
+ * @see http://rest.ensembl.org/documentation/info/sequence_id
  * @author gmcarstairs
  */
 public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
 {
+  private static final List<String> CROSS_REFERENCES = Arrays
+          .asList(new String[] { "CCDS", "Uniprot/SWISSPROT",
+              "Uniprot/SPTREMBL" });
+
+  protected static final String CONSEQUENCE_TYPE = "consequence_type";
+
   protected static final String PARENT = "Parent";
 
   protected static final String ID = "ID";
 
+  protected static final String NAME = "Name";
+
+  protected static final String DESCRIPTION = "description";
+
+  /*
+   * enum for 'type' parameter to the /sequence REST service
+   */
   public enum EnsemblSeqType
   {
     /**
-     * type=genomic for the full dna including introns
+     * type=genomic to fetch full dna including introns
      */
     GENOMIC("genomic"),
 
     /**
-     * type=cdna for transcribed dna including UTRs
+     * type=cdna to fetch dna including UTRs
      */
     CDNA("cdna"),
 
     /**
-     * type=cds for coding dna excluding UTRs
+     * type=cds to fetch coding dna excluding UTRs
      */
     CDS("cds"),
 
     /**
-     * type=protein for the peptide product sequence
+     * type=protein to fetch peptide product sequence
      */
     PROTEIN("protein");
 
@@ -94,31 +110,35 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
 
   }
 
-  /*
-   * genomic sequence, with features retrieved from the REST overlap service
+  /**
+   * Default constructor (to use rest.ensembl.org)
    */
-  private SequenceI genomicSequence;
+  public EnsemblSeqProxy()
+  {
+    super();
+  }
 
   /**
-   * Constructor
+   * Constructor given the target domain to fetch data from
    */
-  public EnsemblSeqProxy()
+  public EnsemblSeqProxy(String d)
   {
+    super(d);
   }
 
   /**
    * Makes the sequence queries to Ensembl's REST service and returns an
-   * alignment consisting of the returned sequences
+   * alignment consisting of the returned sequences.
    */
   @Override
   public AlignmentI getSequenceRecords(String query) throws Exception
   {
-    long now = System.currentTimeMillis();
     // TODO use a String... query vararg instead?
 
     // danger: accession separator used as a regex here, a string elsewhere
     // in this case it is ok (it is just a space), but (e.g.) '\' would not be
-    List<String> allIds = Arrays.asList(query.split(getAccessionSeparator()));
+    List<String> allIds = Arrays.asList(query
+            .split(getAccessionSeparator()));
     AlignmentI alignment = null;
     inProgress = true;
 
@@ -141,28 +161,29 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
                 + " chunks. Unexpected problem (" + r.getLocalizedMessage()
                 + ")";
         System.err.println(msg);
-        if (alignment != null)
-        {
-          break; // return what we got
-        }
-        else
-        {
-          throw new JalviewException(msg, r);
-        }
+        break;
       }
     }
 
+    if (alignment == null)
+    {
+      return null;
+    }
+
     /*
-     * fetch and transfer genomic sequence features
+     * fetch and transfer genomic sequence features,
+     * fetch protein product and add as cross-reference
      */
     for (String accId : allIds)
     {
       addFeaturesAndProduct(accId, alignment);
     }
 
-    inProgress = false;
-    System.out.println(getClass().getName() + " took "
-            + (System.currentTimeMillis() - now) + "ms to fetch");
+    for (SequenceI seq : alignment.getSequences())
+    {
+      getCrossReferences(seq);
+    }
+
     return alignment;
   }
 
@@ -177,27 +198,30 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
    */
   protected void addFeaturesAndProduct(String accId, AlignmentI alignment)
   {
+    if (alignment == null)
+    {
+      return;
+    }
+
     try
     {
       /*
        * get 'dummy' genomic sequence with exon, cds and variation features
        */
-      if (genomicSequence == null)
+      SequenceI genomicSequence = null;
+      EnsemblFeatures gffFetcher = new EnsemblFeatures(getDomain());
+      EnsemblFeatureType[] features = getFeaturesToFetch();
+      AlignmentI geneFeatures = gffFetcher.getSequenceRecords(accId,
+              features);
+      if (geneFeatures.getHeight() > 0)
       {
-        EnsemblOverlap gffFetcher = new EnsemblOverlap();
-        EnsemblFeatureType[] features = getFeaturesToFetch();
-        AlignmentI geneFeatures = gffFetcher.getSequenceRecords(accId,
-                features);
-        if (geneFeatures.getHeight() > 0)
-        {
-          /*
-           * transfer features to the query sequence
-           */
-          genomicSequence = geneFeatures.getSequenceAt(0);
-        }
+        genomicSequence = geneFeatures.getSequenceAt(0);
       }
       if (genomicSequence != null)
       {
+        /*
+         * transfer features to the query sequence
+         */
         SequenceI querySeq = alignment.findName(accId);
         if (transferFeatures(accId, genomicSequence, querySeq))
         {
@@ -235,10 +259,11 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
     String accId = querySeq.getName();
     try
     {
-      AlignmentI protein = new EnsemblProtein().getSequenceRecords(accId);
+      AlignmentI protein = new EnsemblProtein(getDomain())
+              .getSequenceRecords(accId);
       if (protein == null || protein.getHeight() == 0)
       {
-        System.out.println("Failed to retrieve protein for " + accId);
+        System.out.println("No protein product found for " + accId);
         return;
       }
       SequenceI proteinSeq = protein.getSequenceAt(0);
@@ -249,13 +274,22 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
       proteinSeq.createDatasetSequence();
       querySeq.createDatasetSequence();
 
-      MapList mapList = mapCdsToProtein(querySeq, proteinSeq);
+      MapList mapList = AlignmentUtils.mapCdsToProtein(querySeq, proteinSeq);
       if (mapList != null)
       {
-        Mapping map = new Mapping(proteinSeq.getDatasetSequence(), mapList);
+        // clunky: ensure Uniprot xref if we have one is on mapped sequence
+        SequenceI ds = proteinSeq.getDatasetSequence();
+        ds.setSourceDBRef(proteinSeq.getSourceDBRef());
+        Mapping map = new Mapping(ds, mapList);
         DBRefEntry dbr = new DBRefEntry(getDbSource(), getDbVersion(),
                 accId, map);
         querySeq.getDatasetSequence().addDBRef(dbr);
+        
+        /*
+         * copy exon features to protein, compute peptide variants from dna 
+         * variants and add as features on the protein sequence ta-da
+         */
+        AlignmentUtils.computeProteinFeatures(querySeq, proteinSeq, mapList);
       }
     } catch (Exception e)
     {
@@ -266,55 +300,43 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
   }
 
   /**
-   * Returns a mapping from dna to protein by inspecting sequence features of
-   * type "CDS" on the dna.
+   * Get database xrefs from Ensembl, and attach them to the sequence
    * 
-   * @param dnaSeq
-   * @param proteinSeq
-   * @return
+   * @param seq
    */
-  protected MapList mapCdsToProtein(SequenceI dnaSeq, SequenceI proteinSeq)
+  protected void getCrossReferences(SequenceI seq)
   {
-    SequenceFeature[] sfs = dnaSeq.getSequenceFeatures();
-    if (sfs == null)
+    while (seq.getDatasetSequence() != null)
     {
-      return null;
+      seq = seq.getDatasetSequence();
     }
 
-    List<int[]> ranges = new ArrayList<int[]>(50);
-    SequenceOntology so = SequenceOntology.getInstance();
-
-    int mappedDnaLength = 0;
-    
-    /*
-     * Map CDS columns of dna to peptide. No need to worry about reverse strand
-     * dna here since the retrieved sequence is as transcribed (reverse
-     * complement for reverse strand), i.e in the same sense as the peptide. 
-     */
-    for (SequenceFeature sf : sfs)
+    EnsemblXref xrefFetcher = new EnsemblXref(getDomain());
+    List<DBRefEntry> xrefs = xrefFetcher.getCrossReferences(seq.getName(),
+            getCrossReferenceDatabases());
+    for (DBRefEntry xref : xrefs)
     {
+      seq.addDBRef(xref);
       /*
-       * process a CDS feature (or a sub-type of CDS)
+       * Save any Uniprot xref to be the reference for SIFTS mapping
        */
-      if (so.isA(sf.getType(), SequenceOntology.CDS))
+      if (DBRefSource.UNIPROT.equals(xref.getSource()))
       {
-        ranges.add(new int[] { sf.getBegin(), sf.getEnd() });
-        mappedDnaLength += Math.abs(sf.getEnd() - sf.getBegin()) + 1;
+        seq.setSourceDBRef(xref);
       }
     }
-    int proteinLength = proteinSeq.getLength();
-    List<int[]> proteinRange = new ArrayList<int[]>();
-    proteinRange.add(new int[] { 1, proteinLength });
+  }
 
-    /*
-     * dna length should map to protein (or protein minus stop codon)
-     */
-    if (mappedDnaLength == 3 * proteinLength
-            || mappedDnaLength == 3 * (proteinLength + 1))
-    {
-      return new MapList(ranges, proteinRange, 3, 1);
-    }
-    return null;
+  /**
+   * Returns a list of database names to be used when fetching cross-references.
+   * Specifically, the names are used to filter data returned by the Ensembl
+   * xrefs REST service on the value in field 'dbname'.
+   * 
+   * @return
+   */
+  protected List<String> getCrossReferenceDatabases()
+  {
+    return CROSS_REFERENCES;
   }
 
   /**
@@ -349,6 +371,15 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
               "Only retrieved %d sequences for %d query strings", fr
                       .getSeqs().size(), ids.size()));
     }
+
+    if (fr.getSeqs().size() == 1 && fr.getSeqs().get(0).getLength() == 0)
+    {
+      /*
+       * POST request has returned an empty FASTA file e.g. for invalid id
+       */
+      throw new IOException("No data returned for " + ids);
+    }
+
     if (fr.getSeqs().size() > 0)
     {
       AlignmentI seqal = new Alignment(
@@ -387,10 +418,16 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
   @Override
   protected URL getUrl(List<String> ids) throws MalformedURLException
   {
-    // ids are not used - they go in the POST body instead
+    /*
+     * a single id is included in the URL path
+     * multiple ids go in the POST body instead
+     */
     StringBuffer urlstring = new StringBuffer(128);
-    urlstring.append(SEQUENCE_ID_URL);
-
+    urlstring.append(getDomain() + "/sequence/id");
+    if (ids.size() == 1)
+    {
+      urlstring.append("/").append(ids.get(0));
+    }
     // @see https://github.com/Ensembl/ensembl-rest/wiki/Output-formats
     urlstring.append("?type=").append(getSourceEnsemblType().getType());
     urlstring.append(("&Accept=text/x-fasta"));
@@ -417,9 +454,9 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
   }
 
   @Override
-  protected String getRequestMimeType()
+  protected String getRequestMimeType(boolean multipleIds)
   {
-    return "application/json";
+    return multipleIds ? "application/json" : "text/x-fasta";
   }
 
   @Override
@@ -460,7 +497,7 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
    *          the start position of the sequence we are mapping to
    * @return
    */
-  protected MapList getGenomicRanges(SequenceI sourceSequence,
+  protected MapList getGenomicRangesFromFeatures(SequenceI sourceSequence,
           String accId, int start)
   {
     SequenceFeature[] sfs = sourceSequence.getSequenceFeatures();
@@ -470,11 +507,10 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
     }
 
     /*
-     * generously size for initial number of cds regions
+     * generously initial size for number of cds regions
      * (worst case titin Q8WZ42 has c. 313 exons)
      */
     List<int[]> regions = new ArrayList<int[]>(100);
-    int sourceLength = sourceSequence.getLength();
     int mappedLength = 0;
     int direction = 1; // forward
     boolean directionSet = false;
@@ -487,11 +523,12 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
        */
       if (identifiesSequence(sf, accId))
       {
-          int strand = sf.getStrand();
-  
-          if (directionSet && strand != direction)
-          {
-            // abort - mix of forward and backward
+        int strand = sf.getStrand();
+        strand = strand == 0 ? 1 : strand; // treat unknown as forward
+
+        if (directionSet && strand != direction)
+        {
+          // abort - mix of forward and backward
           System.err.println("Error: forward and backward strand for "
                   + accId);
             return null;
@@ -512,11 +549,11 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
         }
         mappedLength += Math.abs(sf.getEnd() - sf.getBegin() + 1);
 
-        if (mappedLength >= sourceLength)
+        if (!isSpliceable())
         {
           /*
-           * break for the case of matching gene features v gene sequence
-           * - only need to locate the 'gene' feature for accId
+           * 'gene' sequence is contiguous so we can stop as soon as its
+           * identifying feature has been found
            */
           break;
         }
@@ -536,13 +573,22 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
      */
     Collections.sort(regions, new RangeSorter(direction == 1));
   
-    List<int[]> to = new ArrayList<int[]>();
-    to.add(new int[] { start, start + mappedLength - 1 });
+    List<int[]> to = Arrays.asList(new int[] { start,
+        start + mappedLength - 1 });
   
     return new MapList(regions, to, 1, 1);
   }
 
   /**
+   * Answers true if the sequence being retrieved may occupy discontiguous
+   * regions on the genomic sequence.
+   */
+  protected boolean isSpliceable()
+  {
+    return true;
+  }
+
+  /**
    * Returns true if the sequence feature marks positions of the genomic
    * sequence feature which are within the sequence being retrieved. For
    * example, an 'exon' feature whose parent is the target transcript marks the
@@ -556,21 +602,22 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
           String accId);
 
   /**
-   * Transfers the sequence feature to the target sequence, adjusting its start
-   * and end range based on the 'overlap' ranges. Features which do not overlap
-   * the target sequence are ignored, as are features with a parent other than
-   * the target sequence id.
+   * Transfers the sequence feature to the target sequence, locating its start
+   * and end range based on the mapping. Features which do not overlap the
+   * target sequence are ignored.
    * 
    * @param sf
    * @param targetSequence
-   * @param overlap
+   * @param mapping
+   *          mapping from the sequence feature's coordinates to the target
+   *          sequence
    */
   protected void transferFeature(SequenceFeature sf,
-          SequenceI targetSequence, MapList overlap)
+          SequenceI targetSequence, MapList mapping)
   {
     int start = sf.getBegin();
     int end = sf.getEnd();
-    int[] mappedRange = overlap.locateInTo(start, end);
+    int[] mappedRange = mapping.locateInTo(start, end);
   
     if (mappedRange != null)
     {
@@ -582,19 +629,19 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
       /*
        * for sequence_variant, make an additional feature with consequence
        */
-      if (SequenceOntology.getInstance().isSequenceVariant(sf.getType()))
-      {
-        String consequence = (String) sf.getValue("consequence_type");
-        if (consequence != null)
-        {
-          SequenceFeature sf2 = new SequenceFeature("consequence",
-                  consequence, copy.getBegin(), copy.getEnd(), 0f,
-                  null);
-          targetSequence.addSequenceFeature(sf2);
-        }
-      }
+      // if (SequenceOntologyFactory.getInstance().isA(sf.getType(),
+      // SequenceOntologyI.SEQUENCE_VARIANT))
+      // {
+      // String consequence = (String) sf.getValue(CONSEQUENCE_TYPE);
+      // if (consequence != null)
+      // {
+      // SequenceFeature sf2 = new SequenceFeature("consequence",
+      // consequence, copy.getBegin(), copy.getEnd(), 0f,
+      // null);
+      // targetSequence.addSequenceFeature(sf2);
+      // }
+      // }
     }
-  
   }
 
   /**
@@ -613,21 +660,45 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
       return false;
     }
 
+    // long start = System.currentTimeMillis();
     SequenceFeature[] sfs = sourceSequence.getSequenceFeatures();
-    MapList overlap = getGenomicRanges(sourceSequence, accessionId,
+    MapList mapping = getGenomicRangesFromFeatures(sourceSequence, accessionId,
             targetSequence.getStart());
-    if (overlap == null)
+    if (mapping == null)
     {
       return false;
     }
 
-    final boolean forwardStrand = overlap.isFromForwardStrand();
+    boolean result = transferFeatures(sfs, targetSequence, mapping,
+            accessionId);
+    // System.out.println("transferFeatures (" + (sfs.length) + " --> "
+    // + targetSequence.getSequenceFeatures().length + ") to "
+    // + targetSequence.getName()
+    // + " took " + (System.currentTimeMillis() - start) + "ms");
+    return result;
+  }
+
+  /**
+   * Transfer features to the target sequence. The start/end positions are
+   * converted using the mapping. Features which do not overlap are ignored.
+   * Features whose parent is not the specified identifier are also ignored.
+   * 
+   * @param features
+   * @param targetSequence
+   * @param mapping
+   * @param parentId
+   * @return
+   */
+  protected boolean transferFeatures(SequenceFeature[] features,
+          SequenceI targetSequence, MapList mapping, String parentId)
+  {
+    final boolean forwardStrand = mapping.isFromForwardStrand();
 
     /*
      * sort features by start position (descending if reverse strand) 
      * before transferring (in forwards order) to the target sequence
      */
-    Arrays.sort(sfs, new Comparator<SequenceFeature>()
+    Arrays.sort(features, new Comparator<SequenceFeature>()
     {
       @Override
       public int compare(SequenceFeature o1, SequenceFeature o2)
@@ -638,11 +709,11 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
     });
 
     boolean transferred = false;
-    for (SequenceFeature sf : sfs)
+    for (SequenceFeature sf : features)
     {
-      if (retainFeature(sf, accessionId))
+      if (retainFeature(sf, parentId))
       {
-        transferFeature(sf, targetSequence, overlap);
+        transferFeature(sf, targetSequence, mapping);
         transferred = true;
       }
     }
@@ -650,15 +721,31 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
   }
 
   /**
-   * Answers true if the feature is one to attach to the retrieved sequence
+   * Answers true if the feature type is one we want to keep for the sequence.
+   * Some features are only retrieved in order to identify the sequence range,
+   * and may then be discarded as redundant information (e.g. "CDS" feature for
+   * a CDS sequence).
+   */
+  @SuppressWarnings("unused")
+  protected boolean retainFeature(SequenceFeature sf, String accessionId)
+  {
+    return true; // override as required
+  }
+
+  /**
+   * Answers true if the feature has a Parent which refers to the given
+   * accession id, or if the feature has no parent. Answers false if the
+   * feature's Parent is for a different accession id.
    * 
-   * @param type
+   * @param sf
+   * @param identifier
    * @return
    */
-  protected boolean retainFeature(SequenceFeature sf, String accessionId)
+  protected boolean featureMayBelong(SequenceFeature sf, String identifier)
   {
     String parent = (String) sf.getValue(PARENT);
-    if (parent != null && !parent.contains(accessionId))
+    // using contains to allow for prefix "gene:", "transcript:" etc
+    if (parent != null && !parent.contains(identifier))
     {
       // this genomic feature belongs to a different transcript
       return false;
@@ -673,10 +760,52 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
             + " sequence with variant features";
   }
 
-  public AlignmentI getSequenceRecords(String transcriptId,
-          SequenceI geneSeq) throws Exception
+  /**
+   * Returns a (possibly empty) list of features on the sequence which have the
+   * specified sequence ontology type (or a sub-type of it), and the given
+   * identifier as parent
+   * 
+   * @param sequence
+   * @param type
+   * @param parentId
+   * @return
+   */
+  protected List<SequenceFeature> findFeatures(SequenceI sequence,
+          String type, String parentId)
+  {
+    List<SequenceFeature> result = new ArrayList<SequenceFeature>();
+    
+    SequenceFeature[] sfs = sequence.getSequenceFeatures();
+    if (sfs != null) {
+      SequenceOntologyI so = SequenceOntologyFactory.getInstance();
+      for (SequenceFeature sf :sfs) {
+        if (so.isA(sf.getType(), type))
+        {
+          String parent = (String) sf.getValue(PARENT);
+          if (parent.equals(parentId))
+          {
+            result.add(sf);
+          }
+        }
+      }
+    }
+    return result;
+  }
+
+  /**
+   * Answers true if the feature type is either 'NMD_transcript_variant' or
+   * 'transcript' or one of its sub-types in the Sequence Ontology. This is
+   * needed because NMD_transcript_variant behaves like 'transcript' in Ensembl
+   * although strictly speaking it is not (it is a sub-type of
+   * sequence_variant).
+   * 
+   * @param featureType
+   * @return
+   */
+  public static boolean isTranscript(String featureType)
   {
-    this.genomicSequence = geneSeq;
-    return getSequenceRecords(transcriptId);
+    return SequenceOntologyI.NMD_TRANSCRIPT_VARIANT.equals(featureType)
+            || SequenceOntologyFactory.getInstance().isA(featureType,
+                    SequenceOntologyI.TRANSCRIPT);
   }
 }