17aab155d78b2d468971df9f39389319b648d9d3
[jalview.git] / src / jalview / analysis / AlignmentUtils.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;
22
23 import static jalview.io.gff.GffConstants.CLINICAL_SIGNIFICANCE;
24
25 import jalview.api.DBRefEntryI;
26 import jalview.datamodel.AlignedCodon;
27 import jalview.datamodel.AlignedCodonFrame;
28 import jalview.datamodel.AlignedCodonFrame.SequenceToSequenceMapping;
29 import jalview.datamodel.Alignment;
30 import jalview.datamodel.AlignmentAnnotation;
31 import jalview.datamodel.AlignmentI;
32 import jalview.datamodel.DBRefEntry;
33 import jalview.datamodel.IncompleteCodonException;
34 import jalview.datamodel.Mapping;
35 import jalview.datamodel.Sequence;
36 import jalview.datamodel.SequenceFeature;
37 import jalview.datamodel.SequenceGroup;
38 import jalview.datamodel.SequenceI;
39 import jalview.io.gff.SequenceOntologyFactory;
40 import jalview.io.gff.SequenceOntologyI;
41 import jalview.schemes.ResidueProperties;
42 import jalview.util.Comparison;
43 import jalview.util.DBRefUtils;
44 import jalview.util.MapList;
45 import jalview.util.MappingUtils;
46 import jalview.util.StringUtils;
47
48 import java.io.UnsupportedEncodingException;
49 import java.net.URLEncoder;
50 import java.util.ArrayList;
51 import java.util.Arrays;
52 import java.util.Collection;
53 import java.util.Collections;
54 import java.util.Comparator;
55 import java.util.HashMap;
56 import java.util.HashSet;
57 import java.util.Iterator;
58 import java.util.LinkedHashMap;
59 import java.util.List;
60 import java.util.Map;
61 import java.util.Map.Entry;
62 import java.util.NoSuchElementException;
63 import java.util.Set;
64 import java.util.TreeMap;
65
66 /**
67  * grab bag of useful alignment manipulation operations Expect these to be
68  * refactored elsewhere at some point.
69  * 
70  * @author jimp
71  * 
72  */
73 public class AlignmentUtils
74 {
75
76   private static final String SEQUENCE_VARIANT = "sequence_variant:";
77   private static final String ID = "ID";
78
79   /**
80    * A data model to hold the 'normal' base value at a position, and an optional
81    * sequence variant feature
82    */
83   static class DnaVariant
84   {
85     String base;
86
87     SequenceFeature variant;
88
89     DnaVariant(String nuc)
90     {
91       base = nuc;
92     }
93
94     DnaVariant(String nuc, SequenceFeature var)
95     {
96       base = nuc;
97       variant = var;
98     }
99   }
100
101   /**
102    * given an existing alignment, create a new alignment including all, or up to
103    * flankSize additional symbols from each sequence's dataset sequence
104    * 
105    * @param core
106    * @param flankSize
107    * @return AlignmentI
108    */
109   public static AlignmentI expandContext(AlignmentI core, int flankSize)
110   {
111     List<SequenceI> sq = new ArrayList<SequenceI>();
112     int maxoffset = 0;
113     for (SequenceI s : core.getSequences())
114     {
115       SequenceI newSeq = s.deriveSequence();
116       final int newSeqStart = newSeq.getStart() - 1;
117       if (newSeqStart > maxoffset
118               && newSeq.getDatasetSequence().getStart() < s.getStart())
119       {
120         maxoffset = newSeqStart;
121       }
122       sq.add(newSeq);
123     }
124     if (flankSize > -1)
125     {
126       maxoffset = Math.min(maxoffset, flankSize);
127     }
128
129     /*
130      * now add offset left and right to create an expanded alignment
131      */
132     for (SequenceI s : sq)
133     {
134       SequenceI ds = s;
135       while (ds.getDatasetSequence() != null)
136       {
137         ds = ds.getDatasetSequence();
138       }
139       int s_end = s.findPosition(s.getStart() + s.getLength());
140       // find available flanking residues for sequence
141       int ustream_ds = s.getStart() - ds.getStart();
142       int dstream_ds = ds.getEnd() - s_end;
143
144       // build new flanked sequence
145
146       // compute gap padding to start of flanking sequence
147       int offset = maxoffset - ustream_ds;
148
149       // padding is gapChar x ( maxoffset - min(ustream_ds, flank)
150       if (flankSize >= 0)
151       {
152         if (flankSize < ustream_ds)
153         {
154           // take up to flankSize residues
155           offset = maxoffset - flankSize;
156           ustream_ds = flankSize;
157         }
158         if (flankSize <= dstream_ds)
159         {
160           dstream_ds = flankSize - 1;
161         }
162       }
163       // TODO use Character.toLowerCase to avoid creating String objects?
164       char[] upstream = new String(ds.getSequence(s.getStart() - 1
165               - ustream_ds, s.getStart() - 1)).toLowerCase().toCharArray();
166       char[] downstream = new String(ds.getSequence(s_end - 1, s_end
167               + dstream_ds)).toLowerCase().toCharArray();
168       char[] coreseq = s.getSequence();
169       char[] nseq = new char[offset + upstream.length + downstream.length
170               + coreseq.length];
171       char c = core.getGapCharacter();
172
173       int p = 0;
174       for (; p < offset; p++)
175       {
176         nseq[p] = c;
177       }
178
179       System.arraycopy(upstream, 0, nseq, p, upstream.length);
180       System.arraycopy(coreseq, 0, nseq, p + upstream.length,
181               coreseq.length);
182       System.arraycopy(downstream, 0, nseq, p + coreseq.length
183               + upstream.length, downstream.length);
184       s.setSequence(new String(nseq));
185       s.setStart(s.getStart() - ustream_ds);
186       s.setEnd(s_end + downstream.length);
187     }
188     AlignmentI newAl = new jalview.datamodel.Alignment(
189             sq.toArray(new SequenceI[0]));
190     for (SequenceI s : sq)
191     {
192       if (s.getAnnotation() != null)
193       {
194         for (AlignmentAnnotation aa : s.getAnnotation())
195         {
196           aa.adjustForAlignment(); // JAL-1712 fix
197           newAl.addAnnotation(aa);
198         }
199       }
200     }
201     newAl.setDataset(core.getDataset());
202     return newAl;
203   }
204
205   /**
206    * Returns the index (zero-based position) of a sequence in an alignment, or
207    * -1 if not found.
208    * 
209    * @param al
210    * @param seq
211    * @return
212    */
213   public static int getSequenceIndex(AlignmentI al, SequenceI seq)
214   {
215     int result = -1;
216     int pos = 0;
217     for (SequenceI alSeq : al.getSequences())
218     {
219       if (alSeq == seq)
220       {
221         result = pos;
222         break;
223       }
224       pos++;
225     }
226     return result;
227   }
228
229   /**
230    * Returns a map of lists of sequences in the alignment, keyed by sequence
231    * name. For use in mapping between different alignment views of the same
232    * sequences.
233    * 
234    * @see jalview.datamodel.AlignmentI#getSequencesByName()
235    */
236   public static Map<String, List<SequenceI>> getSequencesByName(
237           AlignmentI al)
238   {
239     Map<String, List<SequenceI>> theMap = new LinkedHashMap<String, List<SequenceI>>();
240     for (SequenceI seq : al.getSequences())
241     {
242       String name = seq.getName();
243       if (name != null)
244       {
245         List<SequenceI> seqs = theMap.get(name);
246         if (seqs == null)
247         {
248           seqs = new ArrayList<SequenceI>();
249           theMap.put(name, seqs);
250         }
251         seqs.add(seq);
252       }
253     }
254     return theMap;
255   }
256
257   /**
258    * Build mapping of protein to cDNA alignment. Mappings are made between
259    * sequences where the cDNA translates to the protein sequence. Any new
260    * mappings are added to the protein alignment. Returns true if any mappings
261    * either already exist or were added, else false.
262    * 
263    * @param proteinAlignment
264    * @param cdnaAlignment
265    * @return
266    */
267   public static boolean mapProteinAlignmentToCdna(
268           final AlignmentI proteinAlignment, final AlignmentI cdnaAlignment)
269   {
270     if (proteinAlignment == null || cdnaAlignment == null)
271     {
272       return false;
273     }
274
275     Set<SequenceI> mappedDna = new HashSet<SequenceI>();
276     Set<SequenceI> mappedProtein = new HashSet<SequenceI>();
277
278     /*
279      * First pass - map sequences where cross-references exist. This include
280      * 1-to-many mappings to support, for example, variant cDNA.
281      */
282     boolean mappingPerformed = mapProteinToCdna(proteinAlignment,
283             cdnaAlignment, mappedDna, mappedProtein, true);
284
285     /*
286      * Second pass - map sequences where no cross-references exist. This only
287      * does 1-to-1 mappings and assumes corresponding sequences are in the same
288      * order in the alignments.
289      */
290     mappingPerformed |= mapProteinToCdna(proteinAlignment, cdnaAlignment,
291             mappedDna, mappedProtein, false);
292     return mappingPerformed;
293   }
294
295   /**
296    * Make mappings between compatible sequences (where the cDNA translation
297    * matches the protein).
298    * 
299    * @param proteinAlignment
300    * @param cdnaAlignment
301    * @param mappedDna
302    *          a set of mapped DNA sequences (to add to)
303    * @param mappedProtein
304    *          a set of mapped Protein sequences (to add to)
305    * @param xrefsOnly
306    *          if true, only map sequences where xrefs exist
307    * @return
308    */
309   protected static boolean mapProteinToCdna(
310           final AlignmentI proteinAlignment,
311           final AlignmentI cdnaAlignment, Set<SequenceI> mappedDna,
312           Set<SequenceI> mappedProtein, boolean xrefsOnly)
313   {
314     boolean mappingExistsOrAdded = false;
315     List<SequenceI> thisSeqs = proteinAlignment.getSequences();
316     for (SequenceI aaSeq : thisSeqs)
317     {
318       boolean proteinMapped = false;
319       AlignedCodonFrame acf = new AlignedCodonFrame();
320
321       for (SequenceI cdnaSeq : cdnaAlignment.getSequences())
322       {
323         /*
324          * Always try to map if sequences have xref to each other; this supports
325          * variant cDNA or alternative splicing for a protein sequence.
326          * 
327          * If no xrefs, try to map progressively, assuming that alignments have
328          * mappable sequences in corresponding order. These are not
329          * many-to-many, as that would risk mixing species with similar cDNA
330          * sequences.
331          */
332         if (xrefsOnly && !AlignmentUtils.haveCrossRef(aaSeq, cdnaSeq))
333         {
334           continue;
335         }
336
337         /*
338          * Don't map non-xrefd sequences more than once each. This heuristic
339          * allows us to pair up similar sequences in ordered alignments.
340          */
341         if (!xrefsOnly
342                 && (mappedProtein.contains(aaSeq) || mappedDna
343                         .contains(cdnaSeq)))
344         {
345           continue;
346         }
347         if (mappingExists(proteinAlignment.getCodonFrames(),
348                 aaSeq.getDatasetSequence(), cdnaSeq.getDatasetSequence()))
349         {
350           mappingExistsOrAdded = true;
351         }
352         else
353         {
354           MapList map = mapCdnaToProtein(aaSeq, cdnaSeq);
355           if (map != null)
356           {
357             acf.addMap(cdnaSeq, aaSeq, map);
358             mappingExistsOrAdded = true;
359             proteinMapped = true;
360             mappedDna.add(cdnaSeq);
361             mappedProtein.add(aaSeq);
362           }
363         }
364       }
365       if (proteinMapped)
366       {
367         proteinAlignment.addCodonFrame(acf);
368       }
369     }
370     return mappingExistsOrAdded;
371   }
372
373   /**
374    * Answers true if the mappings include one between the given (dataset)
375    * sequences.
376    */
377   public static boolean mappingExists(List<AlignedCodonFrame> mappings,
378           SequenceI aaSeq, SequenceI cdnaSeq)
379   {
380     if (mappings != null)
381     {
382       for (AlignedCodonFrame acf : mappings)
383       {
384         if (cdnaSeq == acf.getDnaForAaSeq(aaSeq))
385         {
386           return true;
387         }
388       }
389     }
390     return false;
391   }
392
393   /**
394    * Builds a mapping (if possible) of a cDNA to a protein sequence.
395    * <ul>
396    * <li>first checks if the cdna translates exactly to the protein sequence</li>
397    * <li>else checks for translation after removing a STOP codon</li>
398    * <li>else checks for translation after removing a START codon</li>
399    * <li>if that fails, inspect CDS features on the cDNA sequence</li>
400    * </ul>
401    * Returns null if no mapping is determined.
402    * 
403    * @param proteinSeq
404    *          the aligned protein sequence
405    * @param cdnaSeq
406    *          the aligned cdna sequence
407    * @return
408    */
409   public static MapList mapCdnaToProtein(SequenceI proteinSeq,
410           SequenceI cdnaSeq)
411   {
412     /*
413      * Here we handle either dataset sequence set (desktop) or absent (applet).
414      * Use only the char[] form of the sequence to avoid creating possibly large
415      * String objects.
416      */
417     final SequenceI proteinDataset = proteinSeq.getDatasetSequence();
418     char[] aaSeqChars = proteinDataset != null ? proteinDataset
419             .getSequence() : proteinSeq.getSequence();
420     final SequenceI cdnaDataset = cdnaSeq.getDatasetSequence();
421     char[] cdnaSeqChars = cdnaDataset != null ? cdnaDataset.getSequence()
422             : cdnaSeq.getSequence();
423     if (aaSeqChars == null || cdnaSeqChars == null)
424     {
425       return null;
426     }
427
428     /*
429      * cdnaStart/End, proteinStartEnd are base 1 (for dataset sequence mapping)
430      */
431     final int mappedLength = 3 * aaSeqChars.length;
432     int cdnaLength = cdnaSeqChars.length;
433     int cdnaStart = cdnaSeq.getStart();
434     int cdnaEnd = cdnaSeq.getEnd();
435     final int proteinStart = proteinSeq.getStart();
436     final int proteinEnd = proteinSeq.getEnd();
437
438     /*
439      * If lengths don't match, try ignoring stop codon (if present)
440      */
441     if (cdnaLength != mappedLength && cdnaLength > 2)
442     {
443       String lastCodon = String.valueOf(cdnaSeqChars, cdnaLength - 3, 3)
444               .toUpperCase();
445       for (String stop : ResidueProperties.STOP)
446       {
447         if (lastCodon.equals(stop))
448         {
449           cdnaEnd -= 3;
450           cdnaLength -= 3;
451           break;
452         }
453       }
454     }
455
456     /*
457      * If lengths still don't match, try ignoring start codon.
458      */
459     int startOffset = 0;
460     if (cdnaLength != mappedLength
461             && cdnaLength > 2
462             && String.valueOf(cdnaSeqChars, 0, 3).toUpperCase()
463                     .equals(ResidueProperties.START))
464     {
465       startOffset += 3;
466       cdnaStart += 3;
467       cdnaLength -= 3;
468     }
469
470     if (translatesAs(cdnaSeqChars, startOffset, aaSeqChars))
471     {
472       /*
473        * protein is translation of dna (+/- start/stop codons)
474        */
475       MapList map = new MapList(new int[] { cdnaStart, cdnaEnd }, new int[]
476       { proteinStart, proteinEnd }, 3, 1);
477       return map;
478     }
479
480     /*
481      * translation failed - try mapping CDS annotated regions of dna
482      */
483     return mapCdsToProtein(cdnaSeq, proteinSeq);
484   }
485
486   /**
487    * Test whether the given cdna sequence, starting at the given offset,
488    * translates to the given amino acid sequence, using the standard translation
489    * table. Designed to fail fast i.e. as soon as a mismatch position is found.
490    * 
491    * @param cdnaSeqChars
492    * @param cdnaStart
493    * @param aaSeqChars
494    * @return
495    */
496   protected static boolean translatesAs(char[] cdnaSeqChars, int cdnaStart,
497           char[] aaSeqChars)
498   {
499     if (cdnaSeqChars == null || aaSeqChars == null)
500     {
501       return false;
502     }
503
504     int aaPos = 0;
505     int dnaPos = cdnaStart;
506     for (; dnaPos < cdnaSeqChars.length - 2
507             && aaPos < aaSeqChars.length; dnaPos += 3, aaPos++)
508     {
509       String codon = String.valueOf(cdnaSeqChars, dnaPos, 3);
510       final String translated = ResidueProperties.codonTranslate(codon);
511
512       /*
513        * allow * in protein to match untranslatable in dna
514        */
515       final char aaRes = aaSeqChars[aaPos];
516       if ((translated == null || "STOP".equals(translated)) && aaRes == '*')
517       {
518         continue;
519       }
520       if (translated == null || !(aaRes == translated.charAt(0)))
521       {
522         // debug
523         // System.out.println(("Mismatch at " + i + "/" + aaResidue + ": "
524         // + codon + "(" + translated + ") != " + aaRes));
525         return false;
526       }
527     }
528
529     /*
530      * check we matched all of the protein sequence
531      */
532     if (aaPos != aaSeqChars.length)
533     {
534       return false;
535     }
536
537     /*
538      * check we matched all of the dna except
539      * for optional trailing STOP codon
540      */
541     if (dnaPos == cdnaSeqChars.length)
542     {
543       return true;
544     }
545     if (dnaPos == cdnaSeqChars.length - 3)
546     {
547       String codon = String.valueOf(cdnaSeqChars, dnaPos, 3);
548       if ("STOP".equals(ResidueProperties.codonTranslate(codon)))
549       {
550         return true;
551       }
552     }
553     return false;
554   }
555
556   /**
557    * Align sequence 'seq' to match the alignment of a mapped sequence. Note this
558    * currently assumes that we are aligning cDNA to match protein.
559    * 
560    * @param seq
561    *          the sequence to be realigned
562    * @param al
563    *          the alignment whose sequence alignment is to be 'copied'
564    * @param gap
565    *          character string represent a gap in the realigned sequence
566    * @param preserveUnmappedGaps
567    * @param preserveMappedGaps
568    * @return true if the sequence was realigned, false if it could not be
569    */
570   public static boolean alignSequenceAs(SequenceI seq, AlignmentI al,
571           String gap, boolean preserveMappedGaps,
572           boolean preserveUnmappedGaps)
573   {
574     /*
575      * Get any mappings from the source alignment to the target (dataset)
576      * sequence.
577      */
578     // TODO there may be one AlignedCodonFrame per dataset sequence, or one with
579     // all mappings. Would it help to constrain this?
580     List<AlignedCodonFrame> mappings = al.getCodonFrame(seq);
581     if (mappings == null || mappings.isEmpty())
582     {
583       return false;
584     }
585
586     /*
587      * Locate the aligned source sequence whose dataset sequence is mapped. We
588      * just take the first match here (as we can't align like more than one
589      * sequence).
590      */
591     SequenceI alignFrom = null;
592     AlignedCodonFrame mapping = null;
593     for (AlignedCodonFrame mp : mappings)
594     {
595       alignFrom = mp.findAlignedSequence(seq, al);
596       if (alignFrom != null)
597       {
598         mapping = mp;
599         break;
600       }
601     }
602
603     if (alignFrom == null)
604     {
605       return false;
606     }
607     alignSequenceAs(seq, alignFrom, mapping, gap, al.getGapCharacter(),
608             preserveMappedGaps, preserveUnmappedGaps);
609     return true;
610   }
611
612   /**
613    * Align sequence 'alignTo' the same way as 'alignFrom', using the mapping to
614    * match residues and codons. Flags control whether existing gaps in unmapped
615    * (intron) and mapped (exon) regions are preserved or not. Gaps between
616    * intron and exon are only retained if both flags are set.
617    * 
618    * @param alignTo
619    * @param alignFrom
620    * @param mapping
621    * @param myGap
622    * @param sourceGap
623    * @param preserveUnmappedGaps
624    * @param preserveMappedGaps
625    */
626   public static void alignSequenceAs(SequenceI alignTo,
627           SequenceI alignFrom, AlignedCodonFrame mapping, String myGap,
628           char sourceGap, boolean preserveMappedGaps,
629           boolean preserveUnmappedGaps)
630   {
631     // TODO generalise to work for Protein-Protein, dna-dna, dna-protein
632
633     // aligned and dataset sequence positions, all base zero
634     int thisSeqPos = 0;
635     int sourceDsPos = 0;
636
637     int basesWritten = 0;
638     char myGapChar = myGap.charAt(0);
639     int ratio = myGap.length();
640
641     int fromOffset = alignFrom.getStart() - 1;
642     int toOffset = alignTo.getStart() - 1;
643     int sourceGapMappedLength = 0;
644     boolean inExon = false;
645     final char[] thisSeq = alignTo.getSequence();
646     final char[] thatAligned = alignFrom.getSequence();
647     StringBuilder thisAligned = new StringBuilder(2 * thisSeq.length);
648
649     /*
650      * Traverse the 'model' aligned sequence
651      */
652     for (char sourceChar : thatAligned)
653     {
654       if (sourceChar == sourceGap)
655       {
656         sourceGapMappedLength += ratio;
657         continue;
658       }
659
660       /*
661        * Found a non-gap character. Locate its mapped region if any.
662        */
663       sourceDsPos++;
664       // Note mapping positions are base 1, our sequence positions base 0
665       int[] mappedPos = mapping.getMappedRegion(alignTo, alignFrom,
666               sourceDsPos + fromOffset);
667       if (mappedPos == null)
668       {
669         /*
670          * unmapped position; treat like a gap
671          */
672         sourceGapMappedLength += ratio;
673         // System.err.println("Can't align: no codon mapping to residue "
674         // + sourceDsPos + "(" + sourceChar + ")");
675         // return;
676         continue;
677       }
678
679       int mappedCodonStart = mappedPos[0]; // position (1...) of codon start
680       int mappedCodonEnd = mappedPos[mappedPos.length - 1]; // codon end pos
681       StringBuilder trailingCopiedGap = new StringBuilder();
682
683       /*
684        * Copy dna sequence up to and including this codon. Optionally, include
685        * gaps before the codon starts (in introns) and/or after the codon starts
686        * (in exons).
687        * 
688        * Note this only works for 'linear' splicing, not reverse or interleaved.
689        * But then 'align dna as protein' doesn't make much sense otherwise.
690        */
691       int intronLength = 0;
692       while (basesWritten + toOffset < mappedCodonEnd
693               && thisSeqPos < thisSeq.length)
694       {
695         final char c = thisSeq[thisSeqPos++];
696         if (c != myGapChar)
697         {
698           basesWritten++;
699           int sourcePosition = basesWritten + toOffset;
700           if (sourcePosition < mappedCodonStart)
701           {
702             /*
703              * Found an unmapped (intron) base. First add in any preceding gaps
704              * (if wanted).
705              */
706             if (preserveUnmappedGaps && trailingCopiedGap.length() > 0)
707             {
708               thisAligned.append(trailingCopiedGap.toString());
709               intronLength += trailingCopiedGap.length();
710               trailingCopiedGap = new StringBuilder();
711             }
712             intronLength++;
713             inExon = false;
714           }
715           else
716           {
717             final boolean startOfCodon = sourcePosition == mappedCodonStart;
718             int gapsToAdd = calculateGapsToInsert(preserveMappedGaps,
719                     preserveUnmappedGaps, sourceGapMappedLength, inExon,
720                     trailingCopiedGap.length(), intronLength, startOfCodon);
721             for (int i = 0; i < gapsToAdd; i++)
722             {
723               thisAligned.append(myGapChar);
724             }
725             sourceGapMappedLength = 0;
726             inExon = true;
727           }
728           thisAligned.append(c);
729           trailingCopiedGap = new StringBuilder();
730         }
731         else
732         {
733           if (inExon && preserveMappedGaps)
734           {
735             trailingCopiedGap.append(myGapChar);
736           }
737           else if (!inExon && preserveUnmappedGaps)
738           {
739             trailingCopiedGap.append(myGapChar);
740           }
741         }
742       }
743     }
744
745     /*
746      * At end of model aligned sequence. Copy any remaining target sequence, optionally
747      * including (intron) gaps.
748      */
749     while (thisSeqPos < thisSeq.length)
750     {
751       final char c = thisSeq[thisSeqPos++];
752       if (c != myGapChar || preserveUnmappedGaps)
753       {
754         thisAligned.append(c);
755       }
756       sourceGapMappedLength--;
757     }
758
759     /*
760      * finally add gaps to pad for any trailing source gaps or
761      * unmapped characters
762      */
763     if (preserveUnmappedGaps)
764     {
765       while (sourceGapMappedLength > 0)
766       {
767         thisAligned.append(myGapChar);
768         sourceGapMappedLength--;
769       }
770     }
771
772     /*
773      * All done aligning, set the aligned sequence.
774      */
775     alignTo.setSequence(new String(thisAligned));
776   }
777
778   /**
779    * Helper method to work out how many gaps to insert when realigning.
780    * 
781    * @param preserveMappedGaps
782    * @param preserveUnmappedGaps
783    * @param sourceGapMappedLength
784    * @param inExon
785    * @param trailingCopiedGap
786    * @param intronLength
787    * @param startOfCodon
788    * @return
789    */
790   protected static int calculateGapsToInsert(boolean preserveMappedGaps,
791           boolean preserveUnmappedGaps, int sourceGapMappedLength,
792           boolean inExon, int trailingGapLength, int intronLength,
793           final boolean startOfCodon)
794   {
795     int gapsToAdd = 0;
796     if (startOfCodon)
797     {
798       /*
799        * Reached start of codon. Ignore trailing gaps in intron unless we are
800        * preserving gaps in both exon and intron. Ignore them anyway if the
801        * protein alignment introduces a gap at least as large as the intronic
802        * region.
803        */
804       if (inExon && !preserveMappedGaps)
805       {
806         trailingGapLength = 0;
807       }
808       if (!inExon && !(preserveMappedGaps && preserveUnmappedGaps))
809       {
810         trailingGapLength = 0;
811       }
812       if (inExon)
813       {
814         gapsToAdd = Math.max(sourceGapMappedLength, trailingGapLength);
815       }
816       else
817       {
818         if (intronLength + trailingGapLength <= sourceGapMappedLength)
819         {
820           gapsToAdd = sourceGapMappedLength - intronLength;
821         }
822         else
823         {
824           gapsToAdd = Math.min(intronLength + trailingGapLength
825                   - sourceGapMappedLength, trailingGapLength);
826         }
827       }
828     }
829     else
830     {
831       /*
832        * second or third base of codon; check for any gaps in dna
833        */
834       if (!preserveMappedGaps)
835       {
836         trailingGapLength = 0;
837       }
838       gapsToAdd = Math.max(sourceGapMappedLength, trailingGapLength);
839     }
840     return gapsToAdd;
841   }
842
843   /**
844    * Realigns the given protein to match the alignment of the dna, using codon
845    * mappings to translate aligned codon positions to protein residues.
846    * 
847    * @param protein
848    *          the alignment whose sequences are realigned by this method
849    * @param dna
850    *          the dna alignment whose alignment we are 'copying'
851    * @return the number of sequences that were realigned
852    */
853   public static int alignProteinAsDna(AlignmentI protein, AlignmentI dna)
854   {
855     if (protein.isNucleotide() || !dna.isNucleotide())
856     {
857       System.err.println("Wrong alignment type in alignProteinAsDna");
858       return 0;
859     }
860     List<SequenceI> unmappedProtein = new ArrayList<SequenceI>();
861     Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons = buildCodonColumnsMap(
862             protein, dna, unmappedProtein);
863     return alignProteinAs(protein, alignedCodons, unmappedProtein);
864   }
865
866   /**
867    * Realigns the given dna to match the alignment of the protein, using codon
868    * mappings to translate aligned peptide positions to codons.
869    * 
870    * @param dna
871    *          the alignment whose sequences are realigned by this method
872    * @param protein
873    *          the protein alignment whose alignment we are 'copying'
874    * @return the number of sequences that were realigned
875    */
876   public static int alignCdsAsProtein(AlignmentI dna, AlignmentI protein)
877   {
878     if (protein.isNucleotide() || !dna.isNucleotide())
879     {
880       System.err.println("Wrong alignment type in alignProteinAsDna");
881       return 0;
882     }
883     // todo: implement this
884     List<AlignedCodonFrame> mappings = protein.getCodonFrames();
885     int alignedCount = 0;
886     for (SequenceI dnaSeq : dna.getSequences())
887     {
888       if (alignCdsSequenceAsProtein(dnaSeq, protein, mappings,
889               dna.getGapCharacter()))
890       {
891         alignedCount++;
892       }
893     }
894     return alignedCount;
895   }
896
897   /**
898    * Helper method to align (if possible) the dna sequence to match the
899    * alignment of a mapped protein sequence. This is currently limited to
900    * handling coding sequence only.
901    * 
902    * @param cdsSeq
903    * @param protein
904    * @param mappings
905    * @param gapChar
906    * @return
907    */
908   static boolean alignCdsSequenceAsProtein(SequenceI cdsSeq,
909           AlignmentI protein, List<AlignedCodonFrame> mappings, char gapChar)
910   {
911     SequenceI cdsDss = cdsSeq.getDatasetSequence();
912     if (cdsDss == null)
913     {
914       System.err
915               .println("alignCdsSequenceAsProtein needs aligned sequence!");
916       return false;
917     }
918     
919     List<AlignedCodonFrame> dnaMappings = MappingUtils
920             .findMappingsForSequence(cdsSeq, mappings);
921     for (AlignedCodonFrame mapping : dnaMappings)
922     {
923       SequenceI peptide = mapping.findAlignedSequence(cdsSeq, protein);
924       int peptideLength = peptide.getLength();
925       if (peptide != null)
926       {
927         Mapping map = mapping.getMappingBetween(cdsSeq, peptide);
928         if (map != null)
929         {
930           MapList mapList = map.getMap();
931           if (map.getTo() == peptide.getDatasetSequence())
932           {
933             mapList = mapList.getInverse();
934           }
935           int cdsLength = cdsDss.getLength();
936           int mappedFromLength = MappingUtils.getLength(mapList
937                   .getFromRanges());
938           int mappedToLength = MappingUtils
939                   .getLength(mapList.getToRanges());
940           boolean addStopCodon = (cdsLength == mappedFromLength * 3 + 3)
941                   || (peptide.getDatasetSequence().getLength() == mappedFromLength - 1);
942           if (cdsLength != mappedToLength && !addStopCodon)
943           {
944             System.err
945                     .println(String
946                             .format("Can't align cds as protein (length mismatch %d/%d): %s",
947                                     cdsLength, mappedToLength,
948                                     cdsSeq.getName()));
949           }
950
951           /*
952            * pre-fill the aligned cds sequence with gaps
953            */
954           char[] alignedCds = new char[peptideLength * 3
955                   + (addStopCodon ? 3 : 0)];
956           Arrays.fill(alignedCds, gapChar);
957
958           /*
959            * walk over the aligned peptide sequence and insert mapped 
960            * codons for residues in the aligned cds sequence 
961            */
962           char[] alignedPeptide = peptide.getSequence();
963           char[] nucleotides = cdsDss.getSequence();
964           int copiedBases = 0;
965           int cdsStart = cdsDss.getStart();
966           int proteinPos = peptide.getStart() - 1;
967           int cdsCol = 0;
968           for (char residue : alignedPeptide)
969           {
970             if (Comparison.isGap(residue))
971             {
972               cdsCol += 3;
973             }
974             else
975             {
976               proteinPos++;
977               int[] codon = mapList.locateInTo(proteinPos, proteinPos);
978               if (codon == null)
979               {
980                 // e.g. incomplete start codon, X in peptide
981                 cdsCol += 3;
982               }
983               else
984               {
985                 for (int j = codon[0]; j <= codon[1]; j++)
986                 {
987                   char mappedBase = nucleotides[j - cdsStart];
988                   alignedCds[cdsCol++] = mappedBase;
989                   copiedBases++;
990                 }
991               }
992             }
993           }
994
995           /*
996            * append stop codon if not mapped from protein,
997            * closing it up to the end of the mapped sequence
998            */
999           if (copiedBases == nucleotides.length - 3)
1000           {
1001             for (int i = alignedCds.length - 1; i >= 0; i--)
1002             {
1003               if (!Comparison.isGap(alignedCds[i]))
1004               {
1005                 cdsCol = i + 1; // gap just after end of sequence
1006                 break;
1007               }
1008             }
1009             for (int i = nucleotides.length - 3; i < nucleotides.length; i++)
1010             {
1011               alignedCds[cdsCol++] = nucleotides[i];
1012             }
1013           }
1014           cdsSeq.setSequence(new String(alignedCds));
1015           return true;
1016         }
1017       }
1018     }
1019     return false;
1020   }
1021
1022   /**
1023    * Builds a map whose key is an aligned codon position (3 alignment column
1024    * numbers base 0), and whose value is a map from protein sequence to each
1025    * protein's peptide residue for that codon. The map generates an ordering of
1026    * the codons, and allows us to read off the peptides at each position in
1027    * order to assemble 'aligned' protein sequences.
1028    * 
1029    * @param protein
1030    *          the protein alignment
1031    * @param dna
1032    *          the coding dna alignment
1033    * @param unmappedProtein
1034    *          any unmapped proteins are added to this list
1035    * @return
1036    */
1037   protected static Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> buildCodonColumnsMap(
1038           AlignmentI protein, AlignmentI dna,
1039           List<SequenceI> unmappedProtein)
1040   {
1041     /*
1042      * maintain a list of any proteins with no mappings - these will be
1043      * rendered 'as is' in the protein alignment as we can't align them
1044      */
1045     unmappedProtein.addAll(protein.getSequences());
1046
1047     List<AlignedCodonFrame> mappings = protein.getCodonFrames();
1048
1049     /*
1050      * Map will hold, for each aligned codon position e.g. [3, 5, 6], a map of
1051      * {dnaSequence, {proteinSequence, codonProduct}} at that position. The
1052      * comparator keeps the codon positions ordered.
1053      */
1054     Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons = new TreeMap<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>>(
1055             new CodonComparator());
1056
1057     for (SequenceI dnaSeq : dna.getSequences())
1058     {
1059       for (AlignedCodonFrame mapping : mappings)
1060       {
1061         SequenceI prot = mapping.findAlignedSequence(dnaSeq, protein);
1062         if (prot != null)
1063         {
1064           Mapping seqMap = mapping.getMappingForSequence(dnaSeq);
1065           addCodonPositions(dnaSeq, prot, protein.getGapCharacter(),
1066                   seqMap, alignedCodons);
1067           unmappedProtein.remove(prot);
1068         }
1069       }
1070     }
1071
1072     /*
1073      * Finally add any unmapped peptide start residues (e.g. for incomplete
1074      * codons) as if at the codon position before the second residue
1075      */
1076     // TODO resolve JAL-2022 so this fudge can be removed
1077     int mappedSequenceCount = protein.getHeight() - unmappedProtein.size();
1078     addUnmappedPeptideStarts(alignedCodons, mappedSequenceCount);
1079     
1080     return alignedCodons;
1081   }
1082
1083   /**
1084    * Scans for any protein mapped from position 2 (meaning unmapped start
1085    * position e.g. an incomplete codon), and synthesizes a 'codon' for it at the
1086    * preceding position in the alignment
1087    * 
1088    * @param alignedCodons
1089    *          the codon-to-peptide map
1090    * @param mappedSequenceCount
1091    *          the number of distinct sequences in the map
1092    */
1093   protected static void addUnmappedPeptideStarts(
1094           Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons,
1095           int mappedSequenceCount)
1096   {
1097     // TODO delete this ugly hack once JAL-2022 is resolved
1098     // i.e. we can model startPhase > 0 (incomplete start codon)
1099
1100     List<SequenceI> sequencesChecked = new ArrayList<SequenceI>();
1101     AlignedCodon lastCodon = null;
1102     Map<SequenceI, AlignedCodon> toAdd = new HashMap<SequenceI, AlignedCodon>();
1103
1104     for (Entry<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> entry : alignedCodons
1105             .entrySet())
1106     {
1107       for (Entry<SequenceI, AlignedCodon> sequenceCodon : entry.getValue()
1108               .entrySet())
1109       {
1110         SequenceI seq = sequenceCodon.getKey();
1111         if (sequencesChecked.contains(seq))
1112         {
1113           continue;
1114         }
1115         sequencesChecked.add(seq);
1116         AlignedCodon codon = sequenceCodon.getValue();
1117         if (codon.peptideCol > 1)
1118         {
1119           System.err
1120                   .println("Problem mapping protein with >1 unmapped start positions: "
1121                           + seq.getName());
1122         }
1123         else if (codon.peptideCol == 1)
1124         {
1125           /*
1126            * first position (peptideCol == 0) was unmapped - add it
1127            */
1128           if (lastCodon != null)
1129           {
1130             AlignedCodon firstPeptide = new AlignedCodon(lastCodon.pos1,
1131                     lastCodon.pos2, lastCodon.pos3, String.valueOf(seq
1132                             .getCharAt(0)), 0);
1133             toAdd.put(seq, firstPeptide);
1134           }
1135           else
1136           {
1137             /*
1138              * unmapped residue at start of alignment (no prior column) -
1139              * 'insert' at nominal codon [0, 0, 0]
1140              */
1141             AlignedCodon firstPeptide = new AlignedCodon(0, 0, 0,
1142                     String.valueOf(seq.getCharAt(0)), 0);
1143             toAdd.put(seq, firstPeptide);
1144           }
1145         }
1146         if (sequencesChecked.size() == mappedSequenceCount)
1147         {
1148           // no need to check past first mapped position in all sequences
1149           break;
1150         }
1151       }
1152       lastCodon = entry.getKey();
1153     }
1154
1155     /*
1156      * add any new codons safely after iterating over the map
1157      */
1158     for (Entry<SequenceI, AlignedCodon> startCodon : toAdd.entrySet())
1159     {
1160       addCodonToMap(alignedCodons, startCodon.getValue(),
1161               startCodon.getKey());
1162     }
1163   }
1164
1165   /**
1166    * Update the aligned protein sequences to match the codon alignments given in
1167    * the map.
1168    * 
1169    * @param protein
1170    * @param alignedCodons
1171    *          an ordered map of codon positions (columns), with sequence/peptide
1172    *          values present in each column
1173    * @param unmappedProtein
1174    * @return
1175    */
1176   protected static int alignProteinAs(AlignmentI protein,
1177           Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons,
1178           List<SequenceI> unmappedProtein)
1179   {
1180     /*
1181      * Prefill aligned sequences with gaps before inserting aligned protein
1182      * residues.
1183      */
1184     int alignedWidth = alignedCodons.size();
1185     char[] gaps = new char[alignedWidth];
1186     Arrays.fill(gaps, protein.getGapCharacter());
1187     String allGaps = String.valueOf(gaps);
1188     for (SequenceI seq : protein.getSequences())
1189     {
1190       if (!unmappedProtein.contains(seq))
1191       {
1192         seq.setSequence(allGaps);
1193       }
1194     }
1195
1196     int column = 0;
1197     for (AlignedCodon codon : alignedCodons.keySet())
1198     {
1199       final Map<SequenceI, AlignedCodon> columnResidues = alignedCodons
1200               .get(codon);
1201       for (Entry<SequenceI, AlignedCodon> entry : columnResidues.entrySet())
1202       {
1203         // place translated codon at its column position in sequence
1204         entry.getKey().getSequence()[column] = entry.getValue().product
1205                 .charAt(0);
1206       }
1207       column++;
1208     }
1209     return 0;
1210   }
1211
1212   /**
1213    * Populate the map of aligned codons by traversing the given sequence
1214    * mapping, locating the aligned positions of mapped codons, and adding those
1215    * positions and their translation products to the map.
1216    * 
1217    * @param dna
1218    *          the aligned sequence we are mapping from
1219    * @param protein
1220    *          the sequence to be aligned to the codons
1221    * @param gapChar
1222    *          the gap character in the dna sequence
1223    * @param seqMap
1224    *          a mapping to a sequence translation
1225    * @param alignedCodons
1226    *          the map we are building up
1227    */
1228   static void addCodonPositions(SequenceI dna, SequenceI protein,
1229           char gapChar, Mapping seqMap,
1230           Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons)
1231   {
1232     Iterator<AlignedCodon> codons = seqMap.getCodonIterator(dna, gapChar);
1233
1234     /*
1235      * add codon positions, and their peptide translations, to the alignment
1236      * map, while remembering the first codon mapped
1237      */
1238     while (codons.hasNext())
1239     {
1240       try
1241       {
1242         AlignedCodon codon = codons.next();
1243         addCodonToMap(alignedCodons, codon, protein);
1244       } catch (IncompleteCodonException e)
1245       {
1246         // possible incomplete trailing codon - ignore
1247       } catch (NoSuchElementException e)
1248       {
1249         // possibly peptide lacking STOP
1250       }
1251     }
1252   }
1253
1254   /**
1255    * Helper method to add a codon-to-peptide entry to the aligned codons map
1256    * 
1257    * @param alignedCodons
1258    * @param codon
1259    * @param protein
1260    */
1261   protected static void addCodonToMap(
1262           Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons,
1263           AlignedCodon codon, SequenceI protein)
1264   {
1265     Map<SequenceI, AlignedCodon> seqProduct = alignedCodons.get(codon);
1266     if (seqProduct == null)
1267     {
1268       seqProduct = new HashMap<SequenceI, AlignedCodon>();
1269       alignedCodons.put(codon, seqProduct);
1270     }
1271     seqProduct.put(protein, codon);
1272   }
1273
1274   /**
1275    * Returns true if a cDNA/Protein mapping either exists, or could be made,
1276    * between at least one pair of sequences in the two alignments. Currently,
1277    * the logic is:
1278    * <ul>
1279    * <li>One alignment must be nucleotide, and the other protein</li>
1280    * <li>At least one pair of sequences must be already mapped, or mappable</li>
1281    * <li>Mappable means the nucleotide translation matches the protein sequence</li>
1282    * <li>The translation may ignore start and stop codons if present in the
1283    * nucleotide</li>
1284    * </ul>
1285    * 
1286    * @param al1
1287    * @param al2
1288    * @return
1289    */
1290   public static boolean isMappable(AlignmentI al1, AlignmentI al2)
1291   {
1292     if (al1 == null || al2 == null)
1293     {
1294       return false;
1295     }
1296
1297     /*
1298      * Require one nucleotide and one protein
1299      */
1300     if (al1.isNucleotide() == al2.isNucleotide())
1301     {
1302       return false;
1303     }
1304     AlignmentI dna = al1.isNucleotide() ? al1 : al2;
1305     AlignmentI protein = dna == al1 ? al2 : al1;
1306     List<AlignedCodonFrame> mappings = protein.getCodonFrames();
1307     for (SequenceI dnaSeq : dna.getSequences())
1308     {
1309       for (SequenceI proteinSeq : protein.getSequences())
1310       {
1311         if (isMappable(dnaSeq, proteinSeq, mappings))
1312         {
1313           return true;
1314         }
1315       }
1316     }
1317     return false;
1318   }
1319
1320   /**
1321    * Returns true if the dna sequence is mapped, or could be mapped, to the
1322    * protein sequence.
1323    * 
1324    * @param dnaSeq
1325    * @param proteinSeq
1326    * @param mappings
1327    * @return
1328    */
1329   protected static boolean isMappable(SequenceI dnaSeq,
1330           SequenceI proteinSeq, List<AlignedCodonFrame> mappings)
1331   {
1332     if (dnaSeq == null || proteinSeq == null)
1333     {
1334       return false;
1335     }
1336
1337     SequenceI dnaDs = dnaSeq.getDatasetSequence() == null ? dnaSeq : dnaSeq
1338             .getDatasetSequence();
1339     SequenceI proteinDs = proteinSeq.getDatasetSequence() == null ? proteinSeq
1340             : proteinSeq.getDatasetSequence();
1341
1342     for (AlignedCodonFrame mapping : mappings)
1343     {
1344       if (proteinDs == mapping.getAaForDnaSeq(dnaDs))
1345       {
1346         /*
1347          * already mapped
1348          */
1349         return true;
1350       }
1351     }
1352
1353     /*
1354      * Just try to make a mapping (it is not yet stored), test whether
1355      * successful.
1356      */
1357     return mapCdnaToProtein(proteinDs, dnaDs) != null;
1358   }
1359
1360   /**
1361    * Finds any reference annotations associated with the sequences in
1362    * sequenceScope, that are not already added to the alignment, and adds them
1363    * to the 'candidates' map. Also populates a lookup table of annotation
1364    * labels, keyed by calcId, for use in constructing tooltips or the like.
1365    * 
1366    * @param sequenceScope
1367    *          the sequences to scan for reference annotations
1368    * @param labelForCalcId
1369    *          (optional) map to populate with label for calcId
1370    * @param candidates
1371    *          map to populate with annotations for sequence
1372    * @param al
1373    *          the alignment to check for presence of annotations
1374    */
1375   public static void findAddableReferenceAnnotations(
1376           List<SequenceI> sequenceScope,
1377           Map<String, String> labelForCalcId,
1378           final Map<SequenceI, List<AlignmentAnnotation>> candidates,
1379           AlignmentI al)
1380   {
1381     if (sequenceScope == null)
1382     {
1383       return;
1384     }
1385
1386     /*
1387      * For each sequence in scope, make a list of any annotations on the
1388      * underlying dataset sequence which are not already on the alignment.
1389      * 
1390      * Add to a map of { alignmentSequence, <List of annotations to add> }
1391      */
1392     for (SequenceI seq : sequenceScope)
1393     {
1394       SequenceI dataset = seq.getDatasetSequence();
1395       if (dataset == null)
1396       {
1397         continue;
1398       }
1399       AlignmentAnnotation[] datasetAnnotations = dataset.getAnnotation();
1400       if (datasetAnnotations == null)
1401       {
1402         continue;
1403       }
1404       final List<AlignmentAnnotation> result = new ArrayList<AlignmentAnnotation>();
1405       for (AlignmentAnnotation dsann : datasetAnnotations)
1406       {
1407         /*
1408          * Find matching annotations on the alignment. If none is found, then
1409          * add this annotation to the list of 'addable' annotations for this
1410          * sequence.
1411          */
1412         final Iterable<AlignmentAnnotation> matchedAlignmentAnnotations = al
1413                 .findAnnotations(seq, dsann.getCalcId(), dsann.label);
1414         if (!matchedAlignmentAnnotations.iterator().hasNext())
1415         {
1416           result.add(dsann);
1417           if (labelForCalcId != null)
1418           {
1419             labelForCalcId.put(dsann.getCalcId(), dsann.label);
1420           }
1421         }
1422       }
1423       /*
1424        * Save any addable annotations for this sequence
1425        */
1426       if (!result.isEmpty())
1427       {
1428         candidates.put(seq, result);
1429       }
1430     }
1431   }
1432
1433   /**
1434    * Adds annotations to the top of the alignment annotations, in the same order
1435    * as their related sequences.
1436    * 
1437    * @param annotations
1438    *          the annotations to add
1439    * @param alignment
1440    *          the alignment to add them to
1441    * @param selectionGroup
1442    *          current selection group (or null if none)
1443    */
1444   public static void addReferenceAnnotations(
1445           Map<SequenceI, List<AlignmentAnnotation>> annotations,
1446           final AlignmentI alignment, final SequenceGroup selectionGroup)
1447   {
1448     for (SequenceI seq : annotations.keySet())
1449     {
1450       for (AlignmentAnnotation ann : annotations.get(seq))
1451       {
1452         AlignmentAnnotation copyAnn = new AlignmentAnnotation(ann);
1453         int startRes = 0;
1454         int endRes = ann.annotations.length;
1455         if (selectionGroup != null)
1456         {
1457           startRes = selectionGroup.getStartRes();
1458           endRes = selectionGroup.getEndRes();
1459         }
1460         copyAnn.restrict(startRes, endRes);
1461
1462         /*
1463          * Add to the sequence (sets copyAnn.datasetSequence), unless the
1464          * original annotation is already on the sequence.
1465          */
1466         if (!seq.hasAnnotation(ann))
1467         {
1468           seq.addAlignmentAnnotation(copyAnn);
1469         }
1470         // adjust for gaps
1471         copyAnn.adjustForAlignment();
1472         // add to the alignment and set visible
1473         alignment.addAnnotation(copyAnn);
1474         copyAnn.visible = true;
1475       }
1476     }
1477   }
1478
1479   /**
1480    * Set visibility of alignment annotations of specified types (labels), for
1481    * specified sequences. This supports controls like
1482    * "Show all secondary structure", "Hide all Temp factor", etc.
1483    * 
1484    * @al the alignment to scan for annotations
1485    * @param types
1486    *          the types (labels) of annotations to be updated
1487    * @param forSequences
1488    *          if not null, only annotations linked to one of these sequences are
1489    *          in scope for update; if null, acts on all sequence annotations
1490    * @param anyType
1491    *          if this flag is true, 'types' is ignored (label not checked)
1492    * @param doShow
1493    *          if true, set visibility on, else set off
1494    */
1495   public static void showOrHideSequenceAnnotations(AlignmentI al,
1496           Collection<String> types, List<SequenceI> forSequences,
1497           boolean anyType, boolean doShow)
1498   {
1499     AlignmentAnnotation[] anns = al.getAlignmentAnnotation();
1500     if (anns != null)
1501     {
1502       for (AlignmentAnnotation aa : anns)
1503       {
1504         if (anyType || types.contains(aa.label))
1505         {
1506           if ((aa.sequenceRef != null)
1507                   && (forSequences == null || forSequences
1508                           .contains(aa.sequenceRef)))
1509           {
1510             aa.visible = doShow;
1511           }
1512         }
1513       }
1514     }
1515   }
1516
1517   /**
1518    * Returns true if either sequence has a cross-reference to the other
1519    * 
1520    * @param seq1
1521    * @param seq2
1522    * @return
1523    */
1524   public static boolean haveCrossRef(SequenceI seq1, SequenceI seq2)
1525   {
1526     // Note: moved here from class CrossRef as the latter class has dependencies
1527     // not availability to the applet's classpath
1528     return hasCrossRef(seq1, seq2) || hasCrossRef(seq2, seq1);
1529   }
1530
1531   /**
1532    * Returns true if seq1 has a cross-reference to seq2. Currently this assumes
1533    * that sequence name is structured as Source|AccessionId.
1534    * 
1535    * @param seq1
1536    * @param seq2
1537    * @return
1538    */
1539   public static boolean hasCrossRef(SequenceI seq1, SequenceI seq2)
1540   {
1541     if (seq1 == null || seq2 == null)
1542     {
1543       return false;
1544     }
1545     String name = seq2.getName();
1546     final DBRefEntry[] xrefs = seq1.getDBRefs();
1547     if (xrefs != null)
1548     {
1549       for (DBRefEntry xref : xrefs)
1550       {
1551         String xrefName = xref.getSource() + "|" + xref.getAccessionId();
1552         // case-insensitive test, consistent with DBRefEntry.equalRef()
1553         if (xrefName.equalsIgnoreCase(name))
1554         {
1555           return true;
1556         }
1557       }
1558     }
1559     return false;
1560   }
1561
1562   /**
1563    * Constructs an alignment consisting of the mapped (CDS) regions in the given
1564    * nucleotide sequences, and updates mappings to match. The CDS sequences are
1565    * added to the original alignment's dataset, which is shared by the new
1566    * alignment. Mappings from nucleotide to CDS, and from CDS to protein, are
1567    * added to the alignment dataset.
1568    * 
1569    * @param dna
1570    *          aligned nucleotide (dna or cds) sequences
1571    * @param dataset
1572    *          the alignment dataset the sequences belong to
1573    * @param products
1574    *          (optional) to restrict results to CDS that map to specified
1575    *          protein products
1576    * @return an alignment whose sequences are the cds-only parts of the dna
1577    *         sequences (or null if no mappings are found)
1578    */
1579   public static AlignmentI makeCdsAlignment(SequenceI[] dna,
1580           AlignmentI dataset, SequenceI[] products)
1581   {
1582     if (dataset == null || dataset.getDataset() != null)
1583     {
1584       throw new IllegalArgumentException(
1585               "IMPLEMENTATION ERROR: dataset.getDataset() must be null!");
1586     }
1587     List<SequenceI> foundSeqs = new ArrayList<SequenceI>();
1588     List<SequenceI> cdsSeqs = new ArrayList<SequenceI>();
1589     List<AlignedCodonFrame> mappings = dataset.getCodonFrames();
1590     HashSet<SequenceI> productSeqs = null;
1591     if (products != null)
1592     {
1593       productSeqs = new HashSet<SequenceI>();
1594       for (SequenceI seq : products)
1595       {
1596         productSeqs.add(seq.getDatasetSequence() == null ? seq : seq
1597                 .getDatasetSequence());
1598       }
1599     }
1600
1601     /*
1602      * Construct CDS sequences from mappings on the alignment dataset.
1603      * The logic is:
1604      * - find the protein product(s) mapped to from each dna sequence
1605      * - if the mapping covers the whole dna sequence (give or take start/stop
1606      *   codon), take the dna as the CDS sequence
1607      * - else search dataset mappings for a suitable dna sequence, i.e. one
1608      *   whose whole sequence is mapped to the protein 
1609      * - if no sequence found, construct one from the dna sequence and mapping
1610      *   (and add it to dataset so it is found if this is repeated)
1611      */
1612     for (SequenceI dnaSeq : dna)
1613     {
1614       SequenceI dnaDss = dnaSeq.getDatasetSequence() == null ? dnaSeq
1615               : dnaSeq.getDatasetSequence();
1616
1617       List<AlignedCodonFrame> seqMappings = MappingUtils
1618               .findMappingsForSequence(dnaSeq, mappings);
1619       for (AlignedCodonFrame mapping : seqMappings)
1620       {
1621         List<Mapping> mappingsFromSequence = mapping
1622                 .getMappingsFromSequence(dnaSeq);
1623
1624         for (Mapping aMapping : mappingsFromSequence)
1625         {
1626           MapList mapList = aMapping.getMap();
1627           if (mapList.getFromRatio() == 1)
1628           {
1629             /*
1630              * not a dna-to-protein mapping (likely dna-to-cds)
1631              */
1632             continue;
1633           }
1634
1635           /*
1636            * skip if mapping is not to one of the target set of proteins
1637            */
1638           SequenceI proteinProduct = aMapping.getTo();
1639           if (productSeqs != null && !productSeqs.contains(proteinProduct))
1640           {
1641             continue;
1642           }
1643
1644           /*
1645            * try to locate the CDS from the dataset mappings;
1646            * guard against duplicate results (for the case that protein has
1647            * dbrefs to both dna and cds sequences)
1648            */
1649           SequenceI cdsSeq = findCdsForProtein(mappings, dnaSeq,
1650                   seqMappings, aMapping);
1651           if (cdsSeq != null)
1652           {
1653             if (!foundSeqs.contains(cdsSeq))
1654             {
1655               foundSeqs.add(cdsSeq);
1656               SequenceI derivedSequence = cdsSeq.deriveSequence();
1657               cdsSeqs.add(derivedSequence);
1658               if (!dataset.getSequences().contains(cdsSeq))
1659               {
1660                 dataset.addSequence(cdsSeq);
1661               }
1662             }
1663             continue;
1664           }
1665
1666           /*
1667            * didn't find mapped CDS sequence - construct it and add
1668            * its dataset sequence to the dataset
1669            */
1670           cdsSeq = makeCdsSequence(dnaSeq.getDatasetSequence(), aMapping);
1671           SequenceI cdsSeqDss = cdsSeq.createDatasetSequence();
1672           cdsSeqs.add(cdsSeq);
1673           if (!dataset.getSequences().contains(cdsSeqDss))
1674           {
1675             dataset.addSequence(cdsSeqDss);
1676           }
1677
1678           /*
1679            * add a mapping from CDS to the (unchanged) mapped to range
1680            */
1681           List<int[]> cdsRange = Collections.singletonList(new int[] { 1,
1682               cdsSeq.getLength() });
1683           MapList cdsToProteinMap = new MapList(cdsRange, mapList.getToRanges(),
1684                   mapList.getFromRatio(), mapList.getToRatio());
1685           AlignedCodonFrame cdsToProteinMapping = new AlignedCodonFrame();
1686           cdsToProteinMapping.addMap(cdsSeq, proteinProduct, cdsToProteinMap);
1687
1688           /*
1689            * guard against duplicating the mapping if repeating this action
1690            */
1691           if (!mappings.contains(cdsToProteinMapping))
1692           {
1693             mappings.add(cdsToProteinMapping);
1694           }
1695
1696           /*
1697            * copy protein's dbrefs to CDS sequence
1698            * this enables Get Cross-References from CDS alignment
1699            */
1700           DBRefEntry[] proteinRefs = DBRefUtils.selectDbRefs(false,
1701                   proteinProduct.getDBRefs());
1702           if (proteinRefs != null)
1703           {
1704             for (DBRefEntry ref : proteinRefs)
1705             {
1706               DBRefEntry cdsToProteinRef = new DBRefEntry(ref);
1707               cdsToProteinRef.setMap(new Mapping(proteinProduct,
1708                       cdsToProteinMap));
1709               cdsSeqDss.addDBRef(cdsToProteinRef);
1710             }
1711           }
1712
1713           /*
1714            * add another mapping from original 'from' range to CDS
1715            */
1716           AlignedCodonFrame dnaToCdsMapping = new AlignedCodonFrame();
1717           MapList dnaToCdsMap = new MapList(mapList.getFromRanges(),
1718                   cdsRange, 1,
1719                   1);
1720           dnaToCdsMapping.addMap(dnaSeq.getDatasetSequence(), cdsSeq,
1721                   dnaToCdsMap);
1722           if (!mappings.contains(dnaToCdsMapping))
1723           {
1724             mappings.add(dnaToCdsMapping);
1725           }
1726
1727           /*
1728            * add DBRef with mapping from protein to CDS
1729            * (this enables Get Cross-References from protein alignment)
1730            * This is tricky because we can't have two DBRefs with the
1731            * same source and accession, so need a different accession for
1732            * the CDS from the dna sequence
1733            */
1734           DBRefEntryI dnaRef = dnaDss.getSourceDBRef();
1735           if (dnaRef != null)
1736           {
1737             // assuming cds version same as dna ?!?
1738             DBRefEntry proteinToCdsRef = new DBRefEntry(dnaRef.getSource(),
1739                     dnaRef.getVersion(), cdsSeq.getName());
1740             proteinToCdsRef.setMap(new Mapping(cdsSeqDss, cdsToProteinMap
1741                     .getInverse()));
1742             proteinProduct.addDBRef(proteinToCdsRef);
1743           }
1744
1745           /*
1746            * transfer any features on dna that overlap the CDS
1747            */
1748           transferFeatures(dnaSeq, cdsSeq, cdsToProteinMap, null,
1749                   SequenceOntologyI.CDS);
1750         }
1751       }
1752     }
1753
1754     AlignmentI cds = new Alignment(cdsSeqs.toArray(new SequenceI[cdsSeqs
1755             .size()]));
1756     cds.setDataset(dataset);
1757
1758     return cds;
1759   }
1760
1761   /**
1762    * A helper method that finds a CDS sequence in the alignment dataset that is
1763    * mapped to the given protein sequence, and either is, or has a mapping from,
1764    * the given dna sequence.
1765    * 
1766    * @param mappings
1767    *          set of all mappings on the dataset
1768    * @param dnaSeq
1769    *          a dna (or cds) sequence we are searching from
1770    * @param seqMappings
1771    *          the set of mappings involving dnaSeq
1772    * @param aMapping
1773    *          an initial candidate from seqMappings
1774    * @return
1775    */
1776   static SequenceI findCdsForProtein(List<AlignedCodonFrame> mappings,
1777           SequenceI dnaSeq, List<AlignedCodonFrame> seqMappings,
1778           Mapping aMapping)
1779   {
1780     /*
1781      * TODO a better dna-cds-protein mapping data representation to allow easy
1782      * navigation; until then this clunky looping around lists of mappings
1783      */
1784     SequenceI seqDss = dnaSeq.getDatasetSequence() == null ? dnaSeq
1785             : dnaSeq.getDatasetSequence();
1786     SequenceI proteinProduct = aMapping.getTo();
1787
1788     /*
1789      * is this mapping from the whole dna sequence (i.e. CDS)?
1790      * allowing for possible stop codon on dna but not peptide
1791      */
1792     int mappedFromLength = MappingUtils.getLength(aMapping.getMap()
1793             .getFromRanges());
1794     int dnaLength = seqDss.getLength();
1795     if (mappedFromLength == dnaLength || mappedFromLength == dnaLength - 3)
1796     {
1797       return seqDss;
1798     }
1799
1800     /*
1801      * looks like we found the dna-to-protein mapping; search for the
1802      * corresponding cds-to-protein mapping
1803      */
1804     List<AlignedCodonFrame> mappingsToPeptide = MappingUtils
1805             .findMappingsForSequence(proteinProduct, mappings);
1806     for (AlignedCodonFrame acf : mappingsToPeptide)
1807     {
1808       for (SequenceToSequenceMapping map : acf.getMappings())
1809       {
1810         Mapping mapping = map.getMapping();
1811         if (mapping != aMapping && mapping.getMap().getFromRatio() == 3
1812                 && proteinProduct == mapping.getTo()
1813                 && seqDss != map.getFromSeq())
1814         {
1815           mappedFromLength = MappingUtils.getLength(mapping.getMap()
1816                   .getFromRanges());
1817           if (mappedFromLength == map.getFromSeq().getLength())
1818           {
1819             /*
1820             * found a 3:1 mapping to the protein product which covers
1821             * the whole dna sequence i.e. is from CDS; finally check it
1822             * is from the dna start sequence
1823             */
1824             SequenceI cdsSeq = map.getFromSeq();
1825             List<AlignedCodonFrame> dnaToCdsMaps = MappingUtils
1826                     .findMappingsForSequence(cdsSeq, seqMappings);
1827             if (!dnaToCdsMaps.isEmpty())
1828             {
1829               return cdsSeq;
1830             }
1831           }
1832         }
1833       }
1834     }
1835     return null;
1836   }
1837
1838   /**
1839    * Helper method that makes a CDS sequence as defined by the mappings from the
1840    * given sequence i.e. extracts the 'mapped from' ranges (which may be on
1841    * forward or reverse strand).
1842    * 
1843    * @param seq
1844    * @param mapping
1845    * @return CDS sequence (as a dataset sequence)
1846    */
1847   static SequenceI makeCdsSequence(SequenceI seq, Mapping mapping)
1848   {
1849     char[] seqChars = seq.getSequence();
1850     List<int[]> fromRanges = mapping.getMap().getFromRanges();
1851     int cdsWidth = MappingUtils.getLength(fromRanges);
1852     char[] newSeqChars = new char[cdsWidth];
1853
1854     int newPos = 0;
1855     for (int[] range : fromRanges)
1856     {
1857       if (range[0] <= range[1])
1858       {
1859         // forward strand mapping - just copy the range
1860         int length = range[1] - range[0] + 1;
1861         System.arraycopy(seqChars, range[0] - 1, newSeqChars, newPos,
1862                 length);
1863         newPos += length;
1864       }
1865       else
1866       {
1867         // reverse strand mapping - copy and complement one by one
1868         for (int i = range[0]; i >= range[1]; i--)
1869         {
1870           newSeqChars[newPos++] = Dna.getComplement(seqChars[i - 1]);
1871         }
1872       }
1873     }
1874
1875     /*
1876      * assign 'from id' held in the mapping if set (e.g. EMBL protein_id),
1877      * else generate a sequence name
1878      */
1879     String mapFromId = mapping.getMappedFromId();
1880     String seqId = "CDS|" + (mapFromId != null ? mapFromId : seq.getName());
1881     SequenceI newSeq = new Sequence(seqId, newSeqChars, 1, newPos);
1882     // newSeq.setDescription(mapFromId);
1883
1884     return newSeq;
1885   }
1886
1887   /**
1888    * Transfers co-located features on 'fromSeq' to 'toSeq', adjusting the
1889    * feature start/end ranges, optionally omitting specified feature types.
1890    * Returns the number of features copied.
1891    * 
1892    * @param fromSeq
1893    * @param toSeq
1894    * @param select
1895    *          if not null, only features of this type are copied (including
1896    *          subtypes in the Sequence Ontology)
1897    * @param mapping
1898    *          the mapping from 'fromSeq' to 'toSeq'
1899    * @param omitting
1900    */
1901   public static int transferFeatures(SequenceI fromSeq, SequenceI toSeq,
1902           MapList mapping, String select, String... omitting)
1903   {
1904     SequenceI copyTo = toSeq;
1905     while (copyTo.getDatasetSequence() != null)
1906     {
1907       copyTo = copyTo.getDatasetSequence();
1908     }
1909
1910     SequenceOntologyI so = SequenceOntologyFactory.getInstance();
1911     int count = 0;
1912     SequenceFeature[] sfs = fromSeq.getSequenceFeatures();
1913     if (sfs != null)
1914     {
1915       for (SequenceFeature sf : sfs)
1916       {
1917         String type = sf.getType();
1918         if (select != null && !so.isA(type, select))
1919         {
1920           continue;
1921         }
1922         boolean omit = false;
1923         for (String toOmit : omitting)
1924         {
1925           if (type.equals(toOmit))
1926           {
1927             omit = true;
1928           }
1929         }
1930         if (omit)
1931         {
1932           continue;
1933         }
1934
1935         /*
1936          * locate the mapped range - null if either start or end is
1937          * not mapped (no partial overlaps are calculated)
1938          */
1939         int start = sf.getBegin();
1940         int end = sf.getEnd();
1941         int[] mappedTo = mapping.locateInTo(start, end);
1942         /*
1943          * if whole exon range doesn't map, try interpreting it
1944          * as 5' or 3' exon overlapping the CDS range
1945          */
1946         if (mappedTo == null)
1947         {
1948           mappedTo = mapping.locateInTo(end, end);
1949           if (mappedTo != null)
1950           {
1951             /*
1952              * end of exon is in CDS range - 5' overlap
1953              * to a range from the start of the peptide
1954              */
1955             mappedTo[0] = 1;
1956           }
1957         }
1958         if (mappedTo == null)
1959         {
1960           mappedTo = mapping.locateInTo(start, start);
1961           if (mappedTo != null)
1962           {
1963             /*
1964              * start of exon is in CDS range - 3' overlap
1965              * to a range up to the end of the peptide
1966              */
1967             mappedTo[1] = toSeq.getLength();
1968           }
1969         }
1970         if (mappedTo != null)
1971         {
1972           SequenceFeature copy = new SequenceFeature(sf);
1973           copy.setBegin(Math.min(mappedTo[0], mappedTo[1]));
1974           copy.setEnd(Math.max(mappedTo[0], mappedTo[1]));
1975           copyTo.addSequenceFeature(copy);
1976           count++;
1977         }
1978       }
1979     }
1980     return count;
1981   }
1982
1983   /**
1984    * Returns a mapping from dna to protein by inspecting sequence features of
1985    * type "CDS" on the dna.
1986    * 
1987    * @param dnaSeq
1988    * @param proteinSeq
1989    * @return
1990    */
1991   public static MapList mapCdsToProtein(SequenceI dnaSeq,
1992           SequenceI proteinSeq)
1993   {
1994     List<int[]> ranges = findCdsPositions(dnaSeq);
1995     int mappedDnaLength = MappingUtils.getLength(ranges);
1996
1997     int proteinLength = proteinSeq.getLength();
1998     int proteinStart = proteinSeq.getStart();
1999     int proteinEnd = proteinSeq.getEnd();
2000
2001     /*
2002      * incomplete start codon may mean X at start of peptide
2003      * we ignore both for mapping purposes
2004      */
2005     if (proteinSeq.getCharAt(0) == 'X')
2006     {
2007       // todo JAL-2022 support startPhase > 0
2008       proteinStart++;
2009       proteinLength--;
2010     }
2011     List<int[]> proteinRange = new ArrayList<int[]>();
2012
2013     /*
2014      * dna length should map to protein (or protein plus stop codon)
2015      */
2016     int codesForResidues = mappedDnaLength / 3;
2017     if (codesForResidues == (proteinLength + 1))
2018     {
2019       // assuming extra codon is for STOP and not in peptide
2020       codesForResidues--;
2021     }
2022     if (codesForResidues == proteinLength)
2023     {
2024       proteinRange.add(new int[] { proteinStart, proteinEnd });
2025       return new MapList(ranges, proteinRange, 3, 1);
2026     }
2027     return null;
2028   }
2029
2030   /**
2031    * Returns a list of CDS ranges found (as sequence positions base 1), i.e. of
2032    * start/end positions of sequence features of type "CDS" (or a sub-type of
2033    * CDS in the Sequence Ontology). The ranges are sorted into ascending start
2034    * position order, so this method is only valid for linear CDS in the same
2035    * sense as the protein product.
2036    * 
2037    * @param dnaSeq
2038    * @return
2039    */
2040   public static List<int[]> findCdsPositions(SequenceI dnaSeq)
2041   {
2042     List<int[]> result = new ArrayList<int[]>();
2043     SequenceFeature[] sfs = dnaSeq.getSequenceFeatures();
2044     if (sfs == null)
2045     {
2046       return result;
2047     }
2048
2049     SequenceOntologyI so = SequenceOntologyFactory.getInstance();
2050     int startPhase = 0;
2051
2052     for (SequenceFeature sf : sfs)
2053     {
2054       /*
2055        * process a CDS feature (or a sub-type of CDS)
2056        */
2057       if (so.isA(sf.getType(), SequenceOntologyI.CDS))
2058       {
2059         int phase = 0;
2060         try
2061         {
2062           phase = Integer.parseInt(sf.getPhase());
2063         } catch (NumberFormatException e)
2064         {
2065           // ignore
2066         }
2067         /*
2068          * phase > 0 on first codon means 5' incomplete - skip to the start
2069          * of the next codon; example ENST00000496384
2070          */
2071         int begin = sf.getBegin();
2072         int end = sf.getEnd();
2073         if (result.isEmpty())
2074         {
2075           begin += phase;
2076           if (begin > end)
2077           {
2078             // shouldn't happen!
2079             System.err
2080                     .println("Error: start phase extends beyond start CDS in "
2081                             + dnaSeq.getName());
2082           }
2083         }
2084         result.add(new int[] { begin, end });
2085       }
2086     }
2087
2088     /*
2089      * remove 'startPhase' positions (usually 0) from the first range 
2090      * so we begin at the start of a complete codon
2091      */
2092     if (!result.isEmpty())
2093     {
2094       // TODO JAL-2022 correctly model start phase > 0
2095       result.get(0)[0] += startPhase;
2096     }
2097
2098     /*
2099      * Finally sort ranges by start position. This avoids a dependency on 
2100      * keeping features in order on the sequence (if they are in order anyway,
2101      * the sort will have almost no work to do). The implicit assumption is CDS
2102      * ranges are assembled in order. Other cases should not use this method,
2103      * but instead construct an explicit mapping for CDS (e.g. EMBL parsing).
2104      */
2105     Collections.sort(result, new Comparator<int[]>()
2106     {
2107       @Override
2108       public int compare(int[] o1, int[] o2)
2109       {
2110         return Integer.compare(o1[0], o2[0]);
2111       }
2112     });
2113     return result;
2114   }
2115
2116   /**
2117    * Maps exon features from dna to protein, and computes variants in peptide
2118    * product generated by variants in dna, and adds them as sequence_variant
2119    * features on the protein sequence. Returns the number of variant features
2120    * added.
2121    * 
2122    * @param dnaSeq
2123    * @param peptide
2124    * @param dnaToProtein
2125    */
2126   public static int computeProteinFeatures(SequenceI dnaSeq,
2127           SequenceI peptide, MapList dnaToProtein)
2128   {
2129     while (dnaSeq.getDatasetSequence() != null)
2130     {
2131       dnaSeq = dnaSeq.getDatasetSequence();
2132     }
2133     while (peptide.getDatasetSequence() != null)
2134     {
2135       peptide = peptide.getDatasetSequence();
2136     }
2137
2138     transferFeatures(dnaSeq, peptide, dnaToProtein, SequenceOntologyI.EXON);
2139
2140     /*
2141      * compute protein variants from dna variants and codon mappings;
2142      * NB - alternatively we could retrieve this using the REST service e.g.
2143      * http://rest.ensembl.org/overlap/translation
2144      * /ENSP00000288602?feature=transcript_variation;content-type=text/xml
2145      * which would be a bit slower but possibly more reliable
2146      */
2147
2148     /*
2149      * build a map with codon variations for each potentially varying peptide
2150      */
2151     LinkedHashMap<Integer, List<DnaVariant>[]> variants = buildDnaVariantsMap(
2152             dnaSeq, dnaToProtein);
2153
2154     /*
2155      * scan codon variations, compute peptide variants and add to peptide sequence
2156      */
2157     int count = 0;
2158     for (Entry<Integer, List<DnaVariant>[]> variant : variants.entrySet())
2159     {
2160       int peptidePos = variant.getKey();
2161       List<DnaVariant>[] codonVariants = variant.getValue();
2162       count += computePeptideVariants(peptide, peptidePos, codonVariants);
2163     }
2164
2165     /*
2166      * sort to get sequence features in start position order
2167      * - would be better to store in Sequence as a TreeSet or NCList?
2168      */
2169     if (peptide.getSequenceFeatures() != null)
2170     {
2171       Arrays.sort(peptide.getSequenceFeatures(),
2172               new Comparator<SequenceFeature>()
2173               {
2174                 @Override
2175                 public int compare(SequenceFeature o1, SequenceFeature o2)
2176                 {
2177                   int c = Integer.compare(o1.getBegin(), o2.getBegin());
2178                   return c == 0 ? Integer.compare(o1.getEnd(), o2.getEnd())
2179                           : c;
2180                 }
2181               });
2182     }
2183     return count;
2184   }
2185
2186   /**
2187    * Computes non-synonymous peptide variants from codon variants and adds them
2188    * as sequence_variant features on the protein sequence (one feature per
2189    * allele variant). Selected attributes (variant id, clinical significance)
2190    * are copied over to the new features.
2191    * 
2192    * @param peptide
2193    *          the protein sequence
2194    * @param peptidePos
2195    *          the position to compute peptide variants for
2196    * @param codonVariants
2197    *          a list of dna variants per codon position
2198    * @return the number of features added
2199    */
2200   static int computePeptideVariants(SequenceI peptide, int peptidePos,
2201           List<DnaVariant>[] codonVariants)
2202   {
2203     String residue = String.valueOf(peptide.getCharAt(peptidePos - 1));
2204     int count = 0;
2205     String base1 = codonVariants[0].get(0).base;
2206     String base2 = codonVariants[1].get(0).base;
2207     String base3 = codonVariants[2].get(0).base;
2208
2209     /*
2210      * variants in first codon base
2211      */
2212     for (DnaVariant var : codonVariants[0])
2213     {
2214       if (var.variant != null)
2215       {
2216         String alleles = (String) var.variant.getValue("alleles");
2217         if (alleles != null)
2218         {
2219           for (String base : alleles.split(","))
2220           {
2221             String codon = base + base2 + base3;
2222             if (addPeptideVariant(peptide, peptidePos, residue, var, codon))
2223             {
2224               count++;
2225             }
2226           }
2227         }
2228       }
2229     }
2230
2231     /*
2232      * variants in second codon base
2233      */
2234     for (DnaVariant var : codonVariants[1])
2235     {
2236       if (var.variant != null)
2237       {
2238         String alleles = (String) var.variant.getValue("alleles");
2239         if (alleles != null)
2240         {
2241           for (String base : alleles.split(","))
2242           {
2243             String codon = base1 + base + base3;
2244             if (addPeptideVariant(peptide, peptidePos, residue, var, codon))
2245             {
2246               count++;
2247             }
2248           }
2249         }
2250       }
2251     }
2252
2253     /*
2254      * variants in third codon base
2255      */
2256     for (DnaVariant var : codonVariants[2])
2257     {
2258       if (var.variant != null)
2259       {
2260         String alleles = (String) var.variant.getValue("alleles");
2261         if (alleles != null)
2262         {
2263           for (String base : alleles.split(","))
2264           {
2265             String codon = base1 + base2 + base;
2266             if (addPeptideVariant(peptide, peptidePos, residue, var, codon))
2267             {
2268               count++;
2269             }
2270           }
2271         }
2272       }
2273     }
2274
2275     return count;
2276   }
2277
2278   /**
2279    * Helper method that adds a peptide variant feature, provided the given codon
2280    * translates to a value different to the current residue (is a non-synonymous
2281    * variant). ID and clinical_significance attributes of the dna variant (if
2282    * present) are copied to the new feature.
2283    * 
2284    * @param peptide
2285    * @param peptidePos
2286    * @param residue
2287    * @param var
2288    * @param codon
2289    * @return true if a feature was added, else false
2290    */
2291   static boolean addPeptideVariant(SequenceI peptide, int peptidePos,
2292           String residue, DnaVariant var, String codon)
2293   {
2294     /*
2295      * get peptide translation of codon e.g. GAT -> D
2296      * note that variants which are not single alleles,
2297      * e.g. multibase variants or HGMD_MUTATION etc
2298      * are currently ignored here
2299      */
2300     String trans = codon.contains("-") ? "-"
2301             : (codon.length() > 3 ? null : ResidueProperties
2302                     .codonTranslate(codon));
2303     if (trans != null && !trans.equals(residue))
2304     {
2305       String residue3Char = StringUtils
2306               .toSentenceCase(ResidueProperties.aa2Triplet.get(residue));
2307       String trans3Char = StringUtils
2308               .toSentenceCase(ResidueProperties.aa2Triplet.get(trans));
2309       String desc = "p." + residue3Char + peptidePos + trans3Char;
2310       // set score to 0f so 'graduated colour' option is offered! JAL-2060
2311       SequenceFeature sf = new SequenceFeature(
2312               SequenceOntologyI.SEQUENCE_VARIANT, desc, peptidePos,
2313               peptidePos, 0f, "Jalview");
2314       StringBuilder attributes = new StringBuilder(32);
2315       String id = (String) var.variant.getValue(ID);
2316       if (id != null)
2317       {
2318         if (id.startsWith(SEQUENCE_VARIANT))
2319         {
2320           id = id.substring(SEQUENCE_VARIANT.length());
2321         }
2322         sf.setValue(ID, id);
2323         attributes.append(ID).append("=").append(id);
2324         // TODO handle other species variants
2325         StringBuilder link = new StringBuilder(32);
2326         try
2327         {
2328           link.append(desc).append(" ").append(id)
2329                   .append("|http://www.ensembl.org/Homo_sapiens/Variation/Summary?v=")
2330                   .append(URLEncoder.encode(id, "UTF-8"));
2331           sf.addLink(link.toString());
2332         } catch (UnsupportedEncodingException e)
2333         {
2334           // as if
2335         }
2336       }
2337       String clinSig = (String) var.variant
2338               .getValue(CLINICAL_SIGNIFICANCE);
2339       if (clinSig != null)
2340       {
2341         sf.setValue(CLINICAL_SIGNIFICANCE, clinSig);
2342         attributes.append(";").append(CLINICAL_SIGNIFICANCE).append("=")
2343                 .append(clinSig);
2344       }
2345       peptide.addSequenceFeature(sf);
2346       if (attributes.length() > 0)
2347       {
2348         sf.setAttributes(attributes.toString());
2349       }
2350       return true;
2351     }
2352     return false;
2353   }
2354
2355   /**
2356    * Builds a map whose key is position in the protein sequence, and value is a
2357    * list of the base and all variants for each corresponding codon position
2358    * 
2359    * @param dnaSeq
2360    * @param dnaToProtein
2361    * @return
2362    */
2363   static LinkedHashMap<Integer, List<DnaVariant>[]> buildDnaVariantsMap(
2364           SequenceI dnaSeq, MapList dnaToProtein)
2365   {
2366     /*
2367      * map from peptide position to all variants of the codon which codes for it
2368      * LinkedHashMap ensures we keep the peptide features in sequence order
2369      */
2370     LinkedHashMap<Integer, List<DnaVariant>[]> variants = new LinkedHashMap<Integer, List<DnaVariant>[]>();
2371     SequenceOntologyI so = SequenceOntologyFactory.getInstance();
2372
2373     SequenceFeature[] dnaFeatures = dnaSeq.getSequenceFeatures();
2374     if (dnaFeatures == null)
2375     {
2376       return variants;
2377     }
2378
2379     int dnaStart = dnaSeq.getStart();
2380     int[] lastCodon = null;
2381     int lastPeptidePostion = 0;
2382
2383     /*
2384      * build a map of codon variations for peptides
2385      */
2386     for (SequenceFeature sf : dnaFeatures)
2387     {
2388       int dnaCol = sf.getBegin();
2389       if (dnaCol != sf.getEnd())
2390       {
2391         // not handling multi-locus variant features
2392         continue;
2393       }
2394       if (so.isA(sf.getType(), SequenceOntologyI.SEQUENCE_VARIANT))
2395       {
2396         int[] mapsTo = dnaToProtein.locateInTo(dnaCol, dnaCol);
2397         if (mapsTo == null)
2398         {
2399           // feature doesn't lie within coding region
2400           continue;
2401         }
2402         int peptidePosition = mapsTo[0];
2403         List<DnaVariant>[] codonVariants = variants.get(peptidePosition);
2404         if (codonVariants == null)
2405         {
2406           codonVariants = new ArrayList[3];
2407           codonVariants[0] = new ArrayList<DnaVariant>();
2408           codonVariants[1] = new ArrayList<DnaVariant>();
2409           codonVariants[2] = new ArrayList<DnaVariant>();
2410           variants.put(peptidePosition, codonVariants);
2411         }
2412
2413         /*
2414          * extract dna variants to a string array
2415          */
2416         String alls = (String) sf.getValue("alleles");
2417         if (alls == null)
2418         {
2419           continue;
2420         }
2421         String[] alleles = alls.toUpperCase().split(",");
2422         int i = 0;
2423         for (String allele : alleles)
2424         {
2425           alleles[i++] = allele.trim(); // lose any space characters "A, G"
2426         }
2427
2428         /*
2429          * get this peptide's codon positions e.g. [3, 4, 5] or [4, 7, 10]
2430          */
2431         int[] codon = peptidePosition == lastPeptidePostion ? lastCodon
2432                 : MappingUtils.flattenRanges(dnaToProtein.locateInFrom(
2433                         peptidePosition, peptidePosition));
2434         lastPeptidePostion = peptidePosition;
2435         lastCodon = codon;
2436
2437         /*
2438          * save nucleotide (and any variant) for each codon position
2439          */
2440         for (int codonPos = 0; codonPos < 3; codonPos++)
2441         {
2442           String nucleotide = String.valueOf(
2443                   dnaSeq.getCharAt(codon[codonPos] - dnaStart))
2444                   .toUpperCase();
2445           List<DnaVariant> codonVariant = codonVariants[codonPos];
2446           if (codon[codonPos] == dnaCol)
2447           {
2448             if (!codonVariant.isEmpty()
2449                     && codonVariant.get(0).variant == null)
2450             {
2451               /*
2452                * already recorded base value, add this variant
2453                */
2454               codonVariant.get(0).variant = sf;
2455             }
2456             else
2457             {
2458               /*
2459                * add variant with base value
2460                */
2461               codonVariant.add(new DnaVariant(nucleotide, sf));
2462             }
2463           }
2464           else if (codonVariant.isEmpty())
2465           {
2466             /*
2467              * record (possibly non-varying) base value
2468              */
2469             codonVariant.add(new DnaVariant(nucleotide));
2470           }
2471         }
2472       }
2473     }
2474     return variants;
2475   }
2476
2477   /**
2478    * Makes an alignment with a copy of the given sequences, adding in any
2479    * non-redundant sequences which are mapped to by the cross-referenced
2480    * sequences.
2481    * 
2482    * @param seqs
2483    * @param xrefs
2484    * @param dataset
2485    *          the alignment dataset shared by the new copy
2486    * @return
2487    */
2488   public static AlignmentI makeCopyAlignment(SequenceI[] seqs,
2489           SequenceI[] xrefs, AlignmentI dataset)
2490   {
2491     AlignmentI copy = new Alignment(new Alignment(seqs));
2492     copy.setDataset(dataset);
2493
2494     SequenceIdMatcher matcher = new SequenceIdMatcher(seqs);
2495     if (xrefs != null)
2496     {
2497       for (SequenceI xref : xrefs)
2498       {
2499         DBRefEntry[] dbrefs = xref.getDBRefs();
2500         if (dbrefs != null)
2501         {
2502           for (DBRefEntry dbref : dbrefs)
2503           {
2504             if (dbref.getMap() == null || dbref.getMap().getTo() == null)
2505             {
2506               continue;
2507             }
2508             SequenceI mappedTo = dbref.getMap().getTo();
2509             SequenceI match = matcher.findIdMatch(mappedTo);
2510             if (match == null)
2511             {
2512               matcher.add(mappedTo);
2513               copy.addSequence(mappedTo);
2514             }
2515           }
2516         }
2517       }
2518     }
2519     return copy;
2520   }
2521
2522   /**
2523    * Try to align sequences in 'unaligned' to match the alignment of their
2524    * mapped regions in 'aligned'. For example, could use this to align CDS
2525    * sequences which are mapped to their parent cDNA sequences.
2526    * 
2527    * This method handles 1:1 mappings (dna-to-dna or protein-to-protein). For
2528    * dna-to-protein or protein-to-dna use alternative methods.
2529    * 
2530    * @param unaligned
2531    *          sequences to be aligned
2532    * @param aligned
2533    *          holds aligned sequences and their mappings
2534    * @return
2535    */
2536   public static int alignAs(AlignmentI unaligned, AlignmentI aligned)
2537   {
2538     /*
2539      * easy case - aligning a copy of aligned sequences
2540      */
2541     if (alignAsSameSequences(unaligned, aligned))
2542     {
2543       return unaligned.getHeight();
2544     }
2545
2546     /*
2547      * fancy case - aligning via mappings between sequences
2548      */
2549     List<SequenceI> unmapped = new ArrayList<SequenceI>();
2550     Map<Integer, Map<SequenceI, Character>> columnMap = buildMappedColumnsMap(
2551             unaligned, aligned, unmapped);
2552     int width = columnMap.size();
2553     char gap = unaligned.getGapCharacter();
2554     int realignedCount = 0;
2555
2556     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2557     {
2558       if (!unmapped.contains(seq))
2559       {
2560         char[] newSeq = new char[width];
2561         Arrays.fill(newSeq, gap);
2562         int newCol = 0;
2563         int lastCol = 0;
2564
2565         /*
2566          * traverse the map to find columns populated
2567          * by our sequence
2568          */
2569         for (Integer column : columnMap.keySet())
2570         {
2571           Character c = columnMap.get(column).get(seq);
2572           if (c != null)
2573           {
2574             /*
2575              * sequence has a character at this position
2576              * 
2577              */
2578             newSeq[newCol] = c;
2579             lastCol = newCol;
2580           }
2581           newCol++;
2582         }
2583         
2584         /*
2585          * trim trailing gaps
2586          */
2587         if (lastCol < width)
2588         {
2589           char[] tmp = new char[lastCol + 1];
2590           System.arraycopy(newSeq, 0, tmp, 0, lastCol + 1);
2591           newSeq = tmp;
2592         }
2593         seq.setSequence(String.valueOf(newSeq));
2594         realignedCount++;
2595       }
2596     }
2597     return realignedCount;
2598   }
2599
2600   /**
2601    * If unaligned and aligned sequences share the same dataset sequences, then
2602    * simply copies the aligned sequences to the unaligned sequences and returns
2603    * true; else returns false
2604    * 
2605    * @param unaligned
2606    * @param aligned
2607    * @return
2608    */
2609   static boolean alignAsSameSequences(AlignmentI unaligned,
2610           AlignmentI aligned)
2611   {
2612     if (aligned.getDataset() == null || unaligned.getDataset() == null)
2613     {
2614       return false; // should only pass alignments with datasets here
2615     }
2616
2617     Map<SequenceI, SequenceI> alignedDatasets = new HashMap<SequenceI, SequenceI>();
2618     for (SequenceI seq : aligned.getSequences())
2619     {
2620       alignedDatasets.put(seq.getDatasetSequence(), seq);
2621     }
2622
2623     /*
2624      * first pass - check whether all sequences to be aligned share a dataset
2625      * sequence with an aligned sequence
2626      */
2627     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2628     {
2629       if (!alignedDatasets.containsKey(seq.getDatasetSequence()))
2630       {
2631         return false;
2632       }
2633     }
2634
2635     /*
2636      * second pass - copy aligned sequences
2637      */
2638     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2639     {
2640       SequenceI alignedSequence = alignedDatasets.get(seq
2641               .getDatasetSequence());
2642       seq.setSequence(alignedSequence.getSequenceAsString());
2643     }
2644
2645     return true;
2646   }
2647
2648   /**
2649    * Returns a map whose key is alignment column number (base 1), and whose
2650    * values are a map of sequence characters in that column.
2651    * 
2652    * @param unaligned
2653    * @param aligned
2654    * @param unmapped
2655    * @return
2656    */
2657   static Map<Integer, Map<SequenceI, Character>> buildMappedColumnsMap(
2658           AlignmentI unaligned, AlignmentI aligned, List<SequenceI> unmapped)
2659   {
2660     /*
2661      * Map will hold, for each aligned column position, a map of
2662      * {unalignedSequence, characterPerSequence} at that position.
2663      * TreeMap keeps the entries in ascending column order. 
2664      */
2665     Map<Integer, Map<SequenceI, Character>> map = new TreeMap<Integer, Map<SequenceI, Character>>();
2666
2667     /*
2668      * record any sequences that have no mapping so can't be realigned
2669      */
2670     unmapped.addAll(unaligned.getSequences());
2671
2672     List<AlignedCodonFrame> mappings = aligned.getCodonFrames();
2673
2674     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2675     {
2676       for (AlignedCodonFrame mapping : mappings)
2677       {
2678         SequenceI fromSeq = mapping.findAlignedSequence(seq, aligned);
2679         if (fromSeq != null)
2680         {
2681           Mapping seqMap = mapping.getMappingBetween(fromSeq, seq);
2682           if (addMappedPositions(seq, fromSeq, seqMap, map))
2683           {
2684             unmapped.remove(seq);
2685           }
2686         }
2687       }
2688     }
2689     return map;
2690   }
2691
2692   /**
2693    * Helper method that adds to a map the mapped column positions of a sequence. <br>
2694    * For example if aaTT-Tg-gAAA is mapped to TTTAAA then the map should record
2695    * that columns 3,4,6,10,11,12 map to characters T,T,T,A,A,A of the mapped to
2696    * sequence.
2697    * 
2698    * @param seq
2699    *          the sequence whose column positions we are recording
2700    * @param fromSeq
2701    *          a sequence that is mapped to the first sequence
2702    * @param seqMap
2703    *          the mapping from 'fromSeq' to 'seq'
2704    * @param map
2705    *          a map to add the column positions (in fromSeq) of the mapped
2706    *          positions of seq
2707    * @return
2708    */
2709   static boolean addMappedPositions(SequenceI seq, SequenceI fromSeq,
2710           Mapping seqMap, Map<Integer, Map<SequenceI, Character>> map)
2711   {
2712     if (seqMap == null)
2713     {
2714       return false;
2715     }
2716
2717     /*
2718      * invert mapping if it is from unaligned to aligned sequence
2719      */
2720     if (seqMap.getTo() == fromSeq.getDatasetSequence())
2721     {
2722       seqMap = new Mapping(seq.getDatasetSequence(), seqMap.getMap()
2723               .getInverse());
2724     }
2725
2726     char[] fromChars = fromSeq.getSequence();
2727     int toStart = seq.getStart();
2728     char[] toChars = seq.getSequence();
2729
2730     /*
2731      * traverse [start, end, start, end...] ranges in fromSeq
2732      */
2733     for (int[] fromRange : seqMap.getMap().getFromRanges())
2734     {
2735       for (int i = 0; i < fromRange.length - 1; i += 2)
2736       {
2737         boolean forward = fromRange[i + 1] >= fromRange[i];
2738
2739         /*
2740          * find the range mapped to (sequence positions base 1)
2741          */
2742         int[] range = seqMap.locateMappedRange(fromRange[i],
2743                 fromRange[i + 1]);
2744         if (range == null)
2745         {
2746           System.err.println("Error in mapping " + seqMap + " from "
2747                   + fromSeq.getName());
2748           return false;
2749         }
2750         int fromCol = fromSeq.findIndex(fromRange[i]);
2751         int mappedCharPos = range[0];
2752
2753         /*
2754          * walk over the 'from' aligned sequence in forward or reverse
2755          * direction; when a non-gap is found, record the column position
2756          * of the next character of the mapped-to sequence; stop when all
2757          * the characters of the range have been counted
2758          */
2759         while (mappedCharPos <= range[1] && fromCol <= fromChars.length
2760                 && fromCol >= 0)
2761         {
2762           if (!Comparison.isGap(fromChars[fromCol - 1]))
2763           {
2764             /*
2765              * mapped from sequence has a character in this column
2766              * record the column position for the mapped to character
2767              */
2768             Map<SequenceI, Character> seqsMap = map.get(fromCol);
2769             if (seqsMap == null)
2770             {
2771               seqsMap = new HashMap<SequenceI, Character>();
2772               map.put(fromCol, seqsMap);
2773             }
2774             seqsMap.put(seq, toChars[mappedCharPos - toStart]);
2775             mappedCharPos++;
2776           }
2777           fromCol += (forward ? 1 : -1);
2778         }
2779       }
2780     }
2781     return true;
2782   }
2783
2784   // strictly temporary hack until proper criteria for aligning protein to cds
2785   // are in place; this is so Ensembl -> fetch xrefs Uniprot aligns the Uniprot
2786   public static boolean looksLikeEnsembl(AlignmentI alignment)
2787   {
2788     for (SequenceI seq : alignment.getSequences())
2789     {
2790       String name = seq.getName();
2791       if (!name.startsWith("ENSG") && !name.startsWith("ENST"))
2792       {
2793         return false;
2794       }
2795     }
2796     return true;
2797   }
2798 }