JAL-1705 refactoring etc for fetching Ensembl --> Uniprot
[jalview.git] / src / jalview / ext / ensembl / EnsemblSeqProxy.java
index fb0b01c..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;
@@ -10,12 +11,10 @@ import jalview.datamodel.SequenceI;
 import jalview.exceptions.JalviewException;
 import jalview.io.FastaFile;
 import jalview.io.FileParse;
-import jalview.io.gff.SequenceOntology;
-import jalview.schemes.ResidueProperties;
+import jalview.io.gff.SequenceOntologyFactory;
+import jalview.io.gff.SequenceOntologyI;
 import jalview.util.DBRefUtils;
 import jalview.util.MapList;
-import jalview.util.MappingUtils;
-import jalview.util.StringUtils;
 
 import java.io.IOException;
 import java.net.MalformedURLException;
@@ -24,50 +23,52 @@ import java.util.ArrayList;
 import java.util.Arrays;
 import java.util.Collections;
 import java.util.Comparator;
-import java.util.LinkedHashMap;
 import java.util.List;
-import java.util.Map.Entry;
 
 /**
  * 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";
 
-  /*
-   * this needs special handling, as it isA sequence_variant in the
-   * Sequence Ontology, but behaves in Ensembl as if it isA transcript
-   */
-  protected static final String NMD_VARIANT = "NMD_transcript_variant";
-
   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");
 
@@ -110,10 +111,19 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
   }
 
   /**
-   * Constructor
+   * Default constructor (to use rest.ensembl.org)
    */
   public EnsemblSeqProxy()
   {
+    super();
+  }
+
+  /**
+   * Constructor given the target domain to fetch data from
+   */
+  public EnsemblSeqProxy(String d)
+  {
+    super(d);
   }
 
   /**
@@ -123,7 +133,6 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
   @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
@@ -152,17 +161,15 @@ 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 protein product and add as cross-reference
@@ -172,9 +179,11 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
       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;
   }
 
@@ -200,7 +209,7 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
        * get 'dummy' genomic sequence with exon, cds and variation features
        */
       SequenceI genomicSequence = null;
-      EnsemblOverlap gffFetcher = new EnsemblOverlap();
+      EnsemblFeatures gffFetcher = new EnsemblFeatures(getDomain());
       EnsemblFeatureType[] features = getFeaturesToFetch();
       AlignmentI geneFeatures = gffFetcher.getSequenceRecords(accId,
               features);
@@ -250,10 +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);
@@ -264,19 +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);
         
         /*
-         * compute peptide variants from dna variants and add as 
-         * sequence features on the protein sequence ta-da
+         * copy exon features to protein, compute peptide variants from dna 
+         * variants and add as features on the protein sequence ta-da
          */
-        computeProteinFeatures(querySeq, proteinSeq, mapList);
+        AlignmentUtils.computeProteinFeatures(querySeq, proteinSeq, mapList);
       }
     } catch (Exception e)
     {
@@ -287,85 +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. 
-     */
-    boolean fivePrimeIncomplete = false;
-    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()))
       {
-        int phase = 0;
-        try {
-          phase = Integer.parseInt(sf.getPhase());
-        } catch (NumberFormatException e)
-        {
-          // ignore
-        }
-        /*
-         * phase > 0 on first codon means 5' incomplete - skip to the start
-         * of the next codon; example ENST00000496384
-         */
-        int begin = sf.getBegin();
-        int end = sf.getEnd();
-        if (ranges.isEmpty() && phase > 0)
-        {
-          fivePrimeIncomplete = true;
-          begin += phase;
-          if (begin > end)
-          {
-            continue; // shouldn't happen?
-          }
-        }
-        ranges.add(new int[] { begin, end });
-        mappedDnaLength += Math.abs(end - begin) + 1;
+        seq.setSourceDBRef(xref);
       }
     }
-    int proteinLength = proteinSeq.getLength();
-    List<int[]> proteinRange = new ArrayList<int[]>();
-    int proteinStart = 1;
-    if (fivePrimeIncomplete && proteinSeq.getCharAt(0) == 'X')
-    {
-      proteinStart = 2;
-      proteinLength--;
-    }
-    proteinRange.add(new int[] { proteinStart, proteinLength });
+  }
 
-    /*
-     * dna length should map to protein (or protein plus stop codon)
-     */
-    int codesForResidues = mappedDnaLength / 3;
-    if (codesForResidues == proteinLength
-            || codesForResidues == (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;
   }
 
   /**
@@ -452,7 +423,7 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
      * 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));
@@ -526,7 +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();
@@ -552,11 +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;
@@ -601,8 +573,8 @@ 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);
   }
@@ -657,17 +629,18 @@ 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);
+      // }
+      // }
     }
   }
 
@@ -687,15 +660,22 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
       return false;
     }
 
+    // long start = System.currentTimeMillis();
     SequenceFeature[] sfs = sourceSequence.getSequenceFeatures();
-    MapList mapping = getGenomicRanges(sourceSequence, accessionId,
+    MapList mapping = getGenomicRangesFromFeatures(sourceSequence, accessionId,
             targetSequence.getStart());
     if (mapping == null)
     {
       return false;
     }
 
-    return transferFeatures(sfs, targetSequence, mapping, accessionId);
+    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;
   }
 
   /**
@@ -797,7 +777,7 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
     
     SequenceFeature[] sfs = sequence.getSequenceFeatures();
     if (sfs != null) {
-      SequenceOntology so = SequenceOntology.getInstance();
+      SequenceOntologyI so = SequenceOntologyFactory.getInstance();
       for (SequenceFeature sf :sfs) {
         if (so.isA(sf.getType(), type))
         {
@@ -813,240 +793,6 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
   }
 
   /**
-   * Maps exon features from dna to protein, and computes variants in peptide
-   * product generated by variants in dna, and adds them as sequence_variant
-   * features on the protein sequence. Returns the number of variant features
-   * added.
-   * 
-   * @param dnaSeq
-   * @param peptide
-   * @param dnaToProtein
-   */
-  static int computeProteinFeatures(SequenceI dnaSeq,
-          SequenceI peptide, MapList dnaToProtein)
-  {
-    while (dnaSeq.getDatasetSequence() != null)
-    {
-      dnaSeq = dnaSeq.getDatasetSequence();
-    }
-    while (peptide.getDatasetSequence() != null)
-    {
-      peptide = peptide.getDatasetSequence();
-    }
-  
-    mapExonsToProtein(dnaSeq, peptide, dnaToProtein);
-
-    LinkedHashMap<Integer, String[][]> variants = buildDnaVariantsMap(
-            dnaSeq, dnaToProtein);
-  
-    /*
-     * scan codon variations, compute peptide variants and add to peptide sequence
-     */
-    int count = 0;
-    for (Entry<Integer, String[][]> variant : variants.entrySet())
-    {
-      int peptidePos = variant.getKey();
-      String[][] codonVariants = variant.getValue();
-      String residue = String.valueOf(peptide.getCharAt(peptidePos - 1)); // 0-based
-      List<String> peptideVariants = computePeptideVariants(codonVariants,
-              residue);
-      if (!peptideVariants.isEmpty())
-      {
-        Collections.sort(peptideVariants);
-        String desc = StringUtils.listToDelimitedString(peptideVariants,
-                ", ");
-        SequenceFeature sf = new SequenceFeature(
-                SequenceOntology.SEQUENCE_VARIANT, desc, peptidePos,
-                peptidePos, 0f, null);
-        peptide.addSequenceFeature(sf);
-        count++;
-      }
-    }
-    return count;
-  }
-
-  /**
-   * Transfers exon features to the corresponding mapped regions of the protein
-   * sequence. This is useful because it allows visualisation of exon boundaries
-   * on the peptide (using 'colour by label' for the exon name). Returns the
-   * number of features written.
-   * 
-   * @param dnaSeq
-   * @param peptide
-   * @param dnaToProtein
-   */
-  static int mapExonsToProtein(SequenceI dnaSeq, SequenceI peptide,
-          MapList dnaToProtein)
-  {
-    SequenceFeature[] sfs = dnaSeq.getSequenceFeatures();
-    if (sfs == null)
-    {
-      return 0;
-    }
-
-    SequenceOntology so = SequenceOntology.getInstance();
-    int count = 0;
-
-    for (SequenceFeature sf : sfs)
-    {
-      if (so.isA(sf.getType(), SequenceOntology.EXON))
-      {
-        int start = sf.getBegin();
-        int end = sf.getEnd();
-        int[] mapsTo = dnaToProtein.locateInTo(start, end);
-        if (mapsTo != null)
-        {
-          SequenceFeature copy = new SequenceFeature(SequenceOntology.EXON,
-                  sf.getDescription(), mapsTo[0], mapsTo[1], 0f, null);
-          peptide.addSequenceFeature(copy);
-          count++;
-        }
-      }
-    }
-    return count;
-  }
-
-  /**
-   * Builds a map whose key is position in the protein sequence, and value is an
-   * array of all variants for the coding codon positions
-   * 
-   * @param dnaSeq
-   * @param dnaToProtein
-   * @return
-   */
-  static LinkedHashMap<Integer, String[][]> buildDnaVariantsMap(
-          SequenceI dnaSeq, MapList dnaToProtein)
-  {
-    /*
-     * map from peptide position to all variant features of the codon for it
-     * LinkedHashMap ensures we add the peptide features in sequence order
-     */
-    LinkedHashMap<Integer, String[][]> variants = new LinkedHashMap<Integer, String[][]>();
-    SequenceOntology so = SequenceOntology.getInstance();
-  
-    SequenceFeature[] dnaFeatures = dnaSeq.getSequenceFeatures();
-    if (dnaFeatures == null)
-    {
-      return variants;
-    }
-  
-    int[] lastCodon = null;
-    int lastPeptidePostion = 0;
-  
-    /*
-     * build a map of codon variations for peptides
-     */
-    for (SequenceFeature sf : dnaFeatures)
-    {
-      int dnaCol = sf.getBegin();
-      if (dnaCol != sf.getEnd())
-      {
-        // not handling multi-locus variant features
-        continue;
-      }
-      if (so.isSequenceVariant(sf.getType()))
-      {
-        int[] mapsTo = dnaToProtein.locateInTo(dnaCol, dnaCol);
-        if (mapsTo == null)
-        {
-          // feature doesn't lie within coding region
-          continue;
-        }
-        int peptidePosition = mapsTo[0];
-        String[][] codonVariants = variants.get(peptidePosition);
-        if (codonVariants == null)
-        {
-          codonVariants = new String[3][];
-          variants.put(peptidePosition, codonVariants);
-        }
-  
-        /*
-         * extract dna variants to a string array
-         */
-        String alls = (String) sf.getValue("alleles");
-        if (alls == null)
-        {
-          continue;
-        }
-        String[] alleles = alls.split(",");
-  
-        /*
-         * get this peptides codon positions e.g. [3, 4, 5] or [4, 7, 10]
-         */
-        int[] codon = peptidePosition == lastPeptidePostion ? lastCodon
-                : MappingUtils.flattenRanges(dnaToProtein.locateInFrom(
-                        peptidePosition, peptidePosition));
-        lastPeptidePostion = peptidePosition;
-        lastCodon = codon;
-  
-        /*
-         * save nucleotide (and this variant) for each codon position
-         */
-        for (int codonPos = 0; codonPos < 3; codonPos++)
-        {
-          String nucleotide = String.valueOf(dnaSeq
-                  .getCharAt(codon[codonPos] - 1));
-          if (codon[codonPos] == dnaCol)
-          {
-            /*
-             * record current dna base and its alleles
-             */
-            String[] dnaVariants = new String[alleles.length + 1];
-            dnaVariants[0] = nucleotide;
-            System.arraycopy(alleles, 0, dnaVariants, 1, alleles.length);
-            codonVariants[codonPos] = dnaVariants;
-          }
-          else if (codonVariants[codonPos] == null)
-          {
-            /*
-             * record current dna base only 
-             * (at least until we find any variation and overwrite it)
-             */
-            codonVariants[codonPos] = new String[] { nucleotide };
-          }
-        }
-      }
-    }
-    return variants;
-  }
-
-  /**
-   * Returns a non-redundant list of all peptide translations generated by the
-   * given dna variants, excluding the current residue value
-   * 
-   * @param codonVariants
-   *          an array of base values for codon positions 1, 2, 3
-   * @param residue
-   *          the current residue translation
-   * @return
-   */
-  static List<String> computePeptideVariants(
-          String[][] codonVariants, String residue)
-  {
-    List<String> result = new ArrayList<String>();
-    for (String base1 : codonVariants[0])
-    {
-      for (String base2 : codonVariants[1])
-      {
-        for (String base3 : codonVariants[2])
-        {
-          String codon = base1 + base2 + base3;
-          // TODO: report frameshift/insertion/deletion
-          // and multiple-base variants?!
-          String peptide = codon.contains("-") ? "-" : ResidueProperties
-                  .codonTranslate(codon);
-          if (peptide != null && !result.contains(peptide)
-                  && !peptide.equals(residue))
-          {
-            result.add(peptide);
-          }
-        }
-      }
-    }
-    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
@@ -1058,7 +804,8 @@ public abstract class EnsemblSeqProxy extends EnsemblRestClient
    */
   public static boolean isTranscript(String featureType)
   {
-    return NMD_VARIANT.equals(featureType)
-            || SequenceOntology.getInstance().isA(featureType, SequenceOntology.TRANSCRIPT);
+    return SequenceOntologyI.NMD_TRANSCRIPT_VARIANT.equals(featureType)
+            || SequenceOntologyFactory.getInstance().isA(featureType,
+                    SequenceOntologyI.TRANSCRIPT);
   }
 }