Merge branch 'develop' into update_212_Dec_merge_with_21125_chamges
[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 java.util.Locale;
24
25 import java.util.ArrayList;
26 import java.util.Arrays;
27 import java.util.Collection;
28 import java.util.Collections;
29 import java.util.HashMap;
30 import java.util.HashSet;
31 import java.util.Iterator;
32 import java.util.LinkedHashMap;
33 import java.util.List;
34 import java.util.Map;
35 import java.util.Map.Entry;
36 import java.util.NoSuchElementException;
37 import java.util.Set;
38 import java.util.SortedMap;
39 import java.util.TreeMap;
40
41 import jalview.bin.Console;
42 import jalview.commands.RemoveGapColCommand;
43 import jalview.datamodel.AlignedCodon;
44 import jalview.datamodel.AlignedCodonFrame;
45 import jalview.datamodel.AlignedCodonFrame.SequenceToSequenceMapping;
46 import jalview.datamodel.Alignment;
47 import jalview.datamodel.AlignmentAnnotation;
48 import jalview.datamodel.AlignmentI;
49 import jalview.datamodel.DBRefEntry;
50 import jalview.datamodel.GeneLociI;
51 import jalview.datamodel.IncompleteCodonException;
52 import jalview.datamodel.Mapping;
53 import jalview.datamodel.Sequence;
54 import jalview.datamodel.SequenceFeature;
55 import jalview.datamodel.SequenceGroup;
56 import jalview.datamodel.SequenceI;
57 import jalview.datamodel.features.SequenceFeatures;
58 import jalview.io.gff.SequenceOntologyI;
59 import jalview.schemes.ResidueProperties;
60 import jalview.util.Comparison;
61 import jalview.util.DBRefUtils;
62 import jalview.util.IntRangeComparator;
63 import jalview.util.MapList;
64 import jalview.util.MappingUtils;
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   private static final int CODON_LENGTH = 3;
76
77   private static final String SEQUENCE_VARIANT = "sequence_variant:";
78
79   /*
80    * the 'id' attribute is provided for variant features fetched from
81    * Ensembl using its REST service with JSON format 
82    */
83   public static final String VARIANT_ID = "id";
84
85   /**
86    * A data model to hold the 'normal' base value at a position, and an optional
87    * sequence variant feature
88    */
89   static final class DnaVariant
90   {
91     final String base;
92
93     SequenceFeature variant;
94
95     DnaVariant(String nuc)
96     {
97       base = nuc;
98       variant = null;
99     }
100
101     DnaVariant(String nuc, SequenceFeature var)
102     {
103       base = nuc;
104       variant = var;
105     }
106
107     public String getSource()
108     {
109       return variant == null ? null : variant.getFeatureGroup();
110     }
111
112     /**
113      * toString for aid in the debugger only
114      */
115     @Override
116     public String toString()
117     {
118       return base + ":" + (variant == null ? "" : variant.getDescription());
119     }
120   }
121
122   /**
123    * given an existing alignment, create a new alignment including all, or up to
124    * flankSize additional symbols from each sequence's dataset sequence
125    * 
126    * @param core
127    * @param flankSize
128    * @return AlignmentI
129    */
130   public static AlignmentI expandContext(AlignmentI core, int flankSize)
131   {
132     List<SequenceI> sq = new ArrayList<>();
133     int maxoffset = 0;
134     for (SequenceI s : core.getSequences())
135     {
136       SequenceI newSeq = s.deriveSequence();
137       final int newSeqStart = newSeq.getStart() - 1;
138       if (newSeqStart > maxoffset
139               && newSeq.getDatasetSequence().getStart() < s.getStart())
140       {
141         maxoffset = newSeqStart;
142       }
143       sq.add(newSeq);
144     }
145     if (flankSize > -1)
146     {
147       maxoffset = Math.min(maxoffset, flankSize);
148     }
149
150     /*
151      * now add offset left and right to create an expanded alignment
152      */
153     for (SequenceI s : sq)
154     {
155       SequenceI ds = s;
156       while (ds.getDatasetSequence() != null)
157       {
158         ds = ds.getDatasetSequence();
159       }
160       int s_end = s.findPosition(s.getStart() + s.getLength());
161       // find available flanking residues for sequence
162       int ustream_ds = s.getStart() - ds.getStart();
163       int dstream_ds = ds.getEnd() - s_end;
164
165       // build new flanked sequence
166
167       // compute gap padding to start of flanking sequence
168       int offset = maxoffset - ustream_ds;
169
170       // padding is gapChar x ( maxoffset - min(ustream_ds, flank)
171       if (flankSize >= 0)
172       {
173         if (flankSize < ustream_ds)
174         {
175           // take up to flankSize residues
176           offset = maxoffset - flankSize;
177           ustream_ds = flankSize;
178         }
179         if (flankSize <= dstream_ds)
180         {
181           dstream_ds = flankSize - 1;
182         }
183       }
184       // TODO use Character.toLowerCase to avoid creating String objects?
185       char[] upstream = new String(ds
186               .getSequence(s.getStart() - 1 - ustream_ds, s.getStart() - 1))
187                       .toLowerCase(Locale.ROOT).toCharArray();
188       char[] downstream = new String(
189               ds.getSequence(s_end - 1, s_end + dstream_ds))
190                       .toLowerCase(Locale.ROOT).toCharArray();
191       char[] coreseq = s.getSequence();
192       char[] nseq = new char[offset + upstream.length + downstream.length
193               + coreseq.length];
194       char c = core.getGapCharacter();
195
196       int p = 0;
197       for (; p < offset; p++)
198       {
199         nseq[p] = c;
200       }
201
202       System.arraycopy(upstream, 0, nseq, p, upstream.length);
203       System.arraycopy(coreseq, 0, nseq, p + upstream.length,
204               coreseq.length);
205       System.arraycopy(downstream, 0, nseq,
206               p + coreseq.length + upstream.length, downstream.length);
207       s.setSequence(new String(nseq));
208       s.setStart(s.getStart() - ustream_ds);
209       s.setEnd(s_end + downstream.length);
210     }
211     AlignmentI newAl = new jalview.datamodel.Alignment(
212             sq.toArray(new SequenceI[0]));
213     for (SequenceI s : sq)
214     {
215       if (s.getAnnotation() != null)
216       {
217         for (AlignmentAnnotation aa : s.getAnnotation())
218         {
219           aa.adjustForAlignment(); // JAL-1712 fix
220           newAl.addAnnotation(aa);
221         }
222       }
223     }
224     newAl.setDataset(core.getDataset());
225     return newAl;
226   }
227
228   /**
229    * Returns the index (zero-based position) of a sequence in an alignment, or
230    * -1 if not found.
231    * 
232    * @param al
233    * @param seq
234    * @return
235    */
236   public static int getSequenceIndex(AlignmentI al, SequenceI seq)
237   {
238     int result = -1;
239     int pos = 0;
240     for (SequenceI alSeq : al.getSequences())
241     {
242       if (alSeq == seq)
243       {
244         result = pos;
245         break;
246       }
247       pos++;
248     }
249     return result;
250   }
251
252   /**
253    * Returns a map of lists of sequences in the alignment, keyed by sequence
254    * name. For use in mapping between different alignment views of the same
255    * sequences.
256    * 
257    * @see jalview.datamodel.AlignmentI#getSequencesByName()
258    */
259   public static Map<String, List<SequenceI>> getSequencesByName(
260           AlignmentI al)
261   {
262     Map<String, List<SequenceI>> theMap = new LinkedHashMap<>();
263     for (SequenceI seq : al.getSequences())
264     {
265       String name = seq.getName();
266       if (name != null)
267       {
268         List<SequenceI> seqs = theMap.get(name);
269         if (seqs == null)
270         {
271           seqs = new ArrayList<>();
272           theMap.put(name, seqs);
273         }
274         seqs.add(seq);
275       }
276     }
277     return theMap;
278   }
279
280   /**
281    * Build mapping of protein to cDNA alignment. Mappings are made between
282    * sequences where the cDNA translates to the protein sequence. Any new
283    * mappings are added to the protein alignment. Returns true if any mappings
284    * either already exist or were added, else false.
285    * 
286    * @param proteinAlignment
287    * @param cdnaAlignment
288    * @return
289    */
290   public static boolean mapProteinAlignmentToCdna(
291           final AlignmentI proteinAlignment, final AlignmentI cdnaAlignment)
292   {
293     if (proteinAlignment == null || cdnaAlignment == null)
294     {
295       return false;
296     }
297
298     Set<SequenceI> mappedDna = new HashSet<>();
299     Set<SequenceI> mappedProtein = new HashSet<>();
300
301     /*
302      * First pass - map sequences where cross-references exist. This include
303      * 1-to-many mappings to support, for example, variant cDNA.
304      */
305     boolean mappingPerformed = mapProteinToCdna(proteinAlignment,
306             cdnaAlignment, mappedDna, mappedProtein, true);
307
308     /*
309      * Second pass - map sequences where no cross-references exist. This only
310      * does 1-to-1 mappings and assumes corresponding sequences are in the same
311      * order in the alignments.
312      */
313     mappingPerformed |= mapProteinToCdna(proteinAlignment, cdnaAlignment,
314             mappedDna, mappedProtein, false);
315     return mappingPerformed;
316   }
317
318   /**
319    * Make mappings between compatible sequences (where the cDNA translation
320    * matches the protein).
321    * 
322    * @param proteinAlignment
323    * @param cdnaAlignment
324    * @param mappedDna
325    *          a set of mapped DNA sequences (to add to)
326    * @param mappedProtein
327    *          a set of mapped Protein sequences (to add to)
328    * @param xrefsOnly
329    *          if true, only map sequences where xrefs exist
330    * @return
331    */
332   protected static boolean mapProteinToCdna(
333           final AlignmentI proteinAlignment, final AlignmentI cdnaAlignment,
334           Set<SequenceI> mappedDna, Set<SequenceI> mappedProtein,
335           boolean xrefsOnly)
336   {
337     boolean mappingExistsOrAdded = false;
338     List<SequenceI> thisSeqs = proteinAlignment.getSequences();
339     for (SequenceI aaSeq : thisSeqs)
340     {
341       boolean proteinMapped = false;
342       AlignedCodonFrame acf = new AlignedCodonFrame();
343
344       for (SequenceI cdnaSeq : cdnaAlignment.getSequences())
345       {
346         /*
347          * Always try to map if sequences have xref to each other; this supports
348          * variant cDNA or alternative splicing for a protein sequence.
349          * 
350          * If no xrefs, try to map progressively, assuming that alignments have
351          * mappable sequences in corresponding order. These are not
352          * many-to-many, as that would risk mixing species with similar cDNA
353          * sequences.
354          */
355         if (xrefsOnly && !AlignmentUtils.haveCrossRef(aaSeq, cdnaSeq))
356         {
357           continue;
358         }
359
360         /*
361          * Don't map non-xrefd sequences more than once each. This heuristic
362          * allows us to pair up similar sequences in ordered alignments.
363          */
364         if (!xrefsOnly && (mappedProtein.contains(aaSeq)
365                 || mappedDna.contains(cdnaSeq)))
366         {
367           continue;
368         }
369         if (mappingExists(proteinAlignment.getCodonFrames(),
370                 aaSeq.getDatasetSequence(), cdnaSeq.getDatasetSequence()))
371         {
372           mappingExistsOrAdded = true;
373         }
374         else
375         {
376           MapList map = mapCdnaToProtein(aaSeq, cdnaSeq);
377           if (map != null)
378           {
379             acf.addMap(cdnaSeq, aaSeq, map);
380             mappingExistsOrAdded = true;
381             proteinMapped = true;
382             mappedDna.add(cdnaSeq);
383             mappedProtein.add(aaSeq);
384           }
385         }
386       }
387       if (proteinMapped)
388       {
389         proteinAlignment.addCodonFrame(acf);
390       }
391     }
392     return mappingExistsOrAdded;
393   }
394
395   /**
396    * Answers true if the mappings include one between the given (dataset)
397    * sequences.
398    */
399   protected static boolean mappingExists(List<AlignedCodonFrame> mappings,
400           SequenceI aaSeq, SequenceI cdnaSeq)
401   {
402     if (mappings != null)
403     {
404       for (AlignedCodonFrame acf : mappings)
405       {
406         if (cdnaSeq == acf.getDnaForAaSeq(aaSeq))
407         {
408           return true;
409         }
410       }
411     }
412     return false;
413   }
414
415   /**
416    * Builds a mapping (if possible) of a cDNA to a protein sequence.
417    * <ul>
418    * <li>first checks if the cdna translates exactly to the protein
419    * sequence</li>
420    * <li>else checks for translation after removing a STOP codon</li>
421    * <li>else checks for translation after removing a START codon</li>
422    * <li>if that fails, inspect CDS features on the cDNA sequence</li>
423    * </ul>
424    * Returns null if no mapping is determined.
425    * 
426    * @param proteinSeq
427    *          the aligned protein sequence
428    * @param cdnaSeq
429    *          the aligned cdna sequence
430    * @return
431    */
432   public static MapList mapCdnaToProtein(SequenceI proteinSeq,
433           SequenceI cdnaSeq)
434   {
435     /*
436      * Here we handle either dataset sequence set (desktop) or absent (applet).
437      * Use only the char[] form of the sequence to avoid creating possibly large
438      * String objects.
439      */
440     final SequenceI proteinDataset = proteinSeq.getDatasetSequence();
441     char[] aaSeqChars = proteinDataset != null
442             ? proteinDataset.getSequence()
443             : proteinSeq.getSequence();
444     final SequenceI cdnaDataset = cdnaSeq.getDatasetSequence();
445     char[] cdnaSeqChars = cdnaDataset != null ? cdnaDataset.getSequence()
446             : cdnaSeq.getSequence();
447     if (aaSeqChars == null || cdnaSeqChars == null)
448     {
449       return null;
450     }
451
452     /*
453      * cdnaStart/End, proteinStartEnd are base 1 (for dataset sequence mapping)
454      */
455     final int mappedLength = CODON_LENGTH * aaSeqChars.length;
456     int cdnaLength = cdnaSeqChars.length;
457     int cdnaStart = cdnaSeq.getStart();
458     int cdnaEnd = cdnaSeq.getEnd();
459     final int proteinStart = proteinSeq.getStart();
460     final int proteinEnd = proteinSeq.getEnd();
461
462     /*
463      * If lengths don't match, try ignoring stop codon (if present)
464      */
465     if (cdnaLength != mappedLength && cdnaLength > 2)
466     {
467       String lastCodon = String.valueOf(cdnaSeqChars,
468               cdnaLength - CODON_LENGTH, CODON_LENGTH)
469               .toUpperCase(Locale.ROOT);
470       for (String stop : ResidueProperties.STOP_CODONS)
471       {
472         if (lastCodon.equals(stop))
473         {
474           cdnaEnd -= CODON_LENGTH;
475           cdnaLength -= CODON_LENGTH;
476           break;
477         }
478       }
479     }
480
481     /*
482      * If lengths still don't match, try ignoring start codon.
483      */
484     int startOffset = 0;
485     if (cdnaLength != mappedLength && cdnaLength > 2
486             && String.valueOf(cdnaSeqChars, 0, CODON_LENGTH)
487                     .toUpperCase(Locale.ROOT)
488                     .equals(ResidueProperties.START))
489     {
490       startOffset += CODON_LENGTH;
491       cdnaStart += CODON_LENGTH;
492       cdnaLength -= CODON_LENGTH;
493     }
494
495     if (translatesAs(cdnaSeqChars, startOffset, aaSeqChars))
496     {
497       /*
498        * protein is translation of dna (+/- start/stop codons)
499        */
500       MapList map = new MapList(new int[] { cdnaStart, cdnaEnd },
501               new int[]
502               { proteinStart, proteinEnd }, CODON_LENGTH, 1);
503       return map;
504     }
505
506     /*
507      * translation failed - try mapping CDS annotated regions of dna
508      */
509     return mapCdsToProtein(cdnaSeq, proteinSeq);
510   }
511
512   /**
513    * Test whether the given cdna sequence, starting at the given offset,
514    * translates to the given amino acid sequence, using the standard translation
515    * table. Designed to fail fast i.e. as soon as a mismatch position is found.
516    * 
517    * @param cdnaSeqChars
518    * @param cdnaStart
519    * @param aaSeqChars
520    * @return
521    */
522   protected static boolean translatesAs(char[] cdnaSeqChars, int cdnaStart,
523           char[] aaSeqChars)
524   {
525     if (cdnaSeqChars == null || aaSeqChars == null)
526     {
527       return false;
528     }
529
530     int aaPos = 0;
531     int dnaPos = cdnaStart;
532     for (; dnaPos < cdnaSeqChars.length - 2
533             && aaPos < aaSeqChars.length; dnaPos += CODON_LENGTH, aaPos++)
534     {
535       String codon = String.valueOf(cdnaSeqChars, dnaPos, CODON_LENGTH);
536       final String translated = ResidueProperties.codonTranslate(codon);
537
538       /*
539        * allow * in protein to match untranslatable in dna
540        */
541       final char aaRes = aaSeqChars[aaPos];
542       if ((translated == null || ResidueProperties.STOP.equals(translated))
543               && aaRes == '*')
544       {
545         continue;
546       }
547       if (translated == null || !(aaRes == translated.charAt(0)))
548       {
549         // debug
550         // System.out.println(("Mismatch at " + i + "/" + aaResidue + ": "
551         // + codon + "(" + translated + ") != " + aaRes));
552         return false;
553       }
554     }
555
556     /*
557      * check we matched all of the protein sequence
558      */
559     if (aaPos != aaSeqChars.length)
560     {
561       return false;
562     }
563
564     /*
565      * check we matched all of the dna except
566      * for optional trailing STOP codon
567      */
568     if (dnaPos == cdnaSeqChars.length)
569     {
570       return true;
571     }
572     if (dnaPos == cdnaSeqChars.length - CODON_LENGTH)
573     {
574       String codon = String.valueOf(cdnaSeqChars, dnaPos, CODON_LENGTH);
575       if (ResidueProperties.STOP
576               .equals(ResidueProperties.codonTranslate(codon)))
577       {
578         return true;
579       }
580     }
581     return false;
582   }
583
584   /**
585    * Align sequence 'seq' to match the alignment of a mapped sequence. Note this
586    * currently assumes that we are aligning cDNA to match protein.
587    * 
588    * @param seq
589    *          the sequence to be realigned
590    * @param al
591    *          the alignment whose sequence alignment is to be 'copied'
592    * @param gap
593    *          character string represent a gap in the realigned sequence
594    * @param preserveUnmappedGaps
595    * @param preserveMappedGaps
596    * @return true if the sequence was realigned, false if it could not be
597    */
598   public static boolean alignSequenceAs(SequenceI seq, AlignmentI al,
599           String gap, boolean preserveMappedGaps,
600           boolean preserveUnmappedGaps)
601   {
602     /*
603      * Get any mappings from the source alignment to the target (dataset)
604      * sequence.
605      */
606     // TODO there may be one AlignedCodonFrame per dataset sequence, or one with
607     // all mappings. Would it help to constrain this?
608     List<AlignedCodonFrame> mappings = al.getCodonFrame(seq);
609     if (mappings == null || mappings.isEmpty())
610     {
611       return false;
612     }
613
614     /*
615      * Locate the aligned source sequence whose dataset sequence is mapped. We
616      * just take the first match here (as we can't align like more than one
617      * sequence).
618      */
619     SequenceI alignFrom = null;
620     AlignedCodonFrame mapping = null;
621     for (AlignedCodonFrame mp : mappings)
622     {
623       alignFrom = mp.findAlignedSequence(seq, al);
624       if (alignFrom != null)
625       {
626         mapping = mp;
627         break;
628       }
629     }
630
631     if (alignFrom == null)
632     {
633       return false;
634     }
635     alignSequenceAs(seq, alignFrom, mapping, gap, al.getGapCharacter(),
636             preserveMappedGaps, preserveUnmappedGaps);
637     return true;
638   }
639
640   /**
641    * Align sequence 'alignTo' the same way as 'alignFrom', using the mapping to
642    * match residues and codons. Flags control whether existing gaps in unmapped
643    * (intron) and mapped (exon) regions are preserved or not. Gaps between
644    * intron and exon are only retained if both flags are set.
645    * 
646    * @param alignTo
647    * @param alignFrom
648    * @param mapping
649    * @param myGap
650    * @param sourceGap
651    * @param preserveUnmappedGaps
652    * @param preserveMappedGaps
653    */
654   public static void alignSequenceAs(SequenceI alignTo, SequenceI alignFrom,
655           AlignedCodonFrame mapping, String myGap, char sourceGap,
656           boolean preserveMappedGaps, boolean preserveUnmappedGaps)
657   {
658     // TODO generalise to work for Protein-Protein, dna-dna, dna-protein
659
660     // aligned and dataset sequence positions, all base zero
661     int thisSeqPos = 0;
662     int sourceDsPos = 0;
663
664     int basesWritten = 0;
665     char myGapChar = myGap.charAt(0);
666     int ratio = myGap.length();
667
668     int fromOffset = alignFrom.getStart() - 1;
669     int toOffset = alignTo.getStart() - 1;
670     int sourceGapMappedLength = 0;
671     boolean inExon = false;
672     final int toLength = alignTo.getLength();
673     final int fromLength = alignFrom.getLength();
674     StringBuilder thisAligned = new StringBuilder(2 * toLength);
675
676     /*
677      * Traverse the 'model' aligned sequence
678      */
679     for (int i = 0; i < fromLength; i++)
680     {
681       char sourceChar = alignFrom.getCharAt(i);
682       if (sourceChar == sourceGap)
683       {
684         sourceGapMappedLength += ratio;
685         continue;
686       }
687
688       /*
689        * Found a non-gap character. Locate its mapped region if any.
690        */
691       sourceDsPos++;
692       // Note mapping positions are base 1, our sequence positions base 0
693       int[] mappedPos = mapping.getMappedRegion(alignTo, alignFrom,
694               sourceDsPos + fromOffset);
695       if (mappedPos == null)
696       {
697         /*
698          * unmapped position; treat like a gap
699          */
700         sourceGapMappedLength += ratio;
701         // System.err.println("Can't align: no codon mapping to residue "
702         // + sourceDsPos + "(" + sourceChar + ")");
703         // return;
704         continue;
705       }
706
707       int mappedCodonStart = mappedPos[0]; // position (1...) of codon start
708       int mappedCodonEnd = mappedPos[mappedPos.length - 1]; // codon end pos
709       StringBuilder trailingCopiedGap = new StringBuilder();
710
711       /*
712        * Copy dna sequence up to and including this codon. Optionally, include
713        * gaps before the codon starts (in introns) and/or after the codon starts
714        * (in exons).
715        * 
716        * Note this only works for 'linear' splicing, not reverse or interleaved.
717        * But then 'align dna as protein' doesn't make much sense otherwise.
718        */
719       int intronLength = 0;
720       while (basesWritten + toOffset < mappedCodonEnd
721               && thisSeqPos < toLength)
722       {
723         final char c = alignTo.getCharAt(thisSeqPos++);
724         if (c != myGapChar)
725         {
726           basesWritten++;
727           int sourcePosition = basesWritten + toOffset;
728           if (sourcePosition < mappedCodonStart)
729           {
730             /*
731              * Found an unmapped (intron) base. First add in any preceding gaps
732              * (if wanted).
733              */
734             if (preserveUnmappedGaps && trailingCopiedGap.length() > 0)
735             {
736               thisAligned.append(trailingCopiedGap.toString());
737               intronLength += trailingCopiedGap.length();
738               trailingCopiedGap = new StringBuilder();
739             }
740             intronLength++;
741             inExon = false;
742           }
743           else
744           {
745             final boolean startOfCodon = sourcePosition == mappedCodonStart;
746             int gapsToAdd = calculateGapsToInsert(preserveMappedGaps,
747                     preserveUnmappedGaps, sourceGapMappedLength, inExon,
748                     trailingCopiedGap.length(), intronLength, startOfCodon);
749             for (int k = 0; k < gapsToAdd; k++)
750             {
751               thisAligned.append(myGapChar);
752             }
753             sourceGapMappedLength = 0;
754             inExon = true;
755           }
756           thisAligned.append(c);
757           trailingCopiedGap = new StringBuilder();
758         }
759         else
760         {
761           if (inExon && preserveMappedGaps)
762           {
763             trailingCopiedGap.append(myGapChar);
764           }
765           else if (!inExon && preserveUnmappedGaps)
766           {
767             trailingCopiedGap.append(myGapChar);
768           }
769         }
770       }
771     }
772
773     /*
774      * At end of model aligned sequence. Copy any remaining target sequence, optionally
775      * including (intron) gaps.
776      */
777     while (thisSeqPos < toLength)
778     {
779       final char c = alignTo.getCharAt(thisSeqPos++);
780       if (c != myGapChar || preserveUnmappedGaps)
781       {
782         thisAligned.append(c);
783       }
784       sourceGapMappedLength--;
785     }
786
787     /*
788      * finally add gaps to pad for any trailing source gaps or
789      * unmapped characters
790      */
791     if (preserveUnmappedGaps)
792     {
793       while (sourceGapMappedLength > 0)
794       {
795         thisAligned.append(myGapChar);
796         sourceGapMappedLength--;
797       }
798     }
799
800     /*
801      * All done aligning, set the aligned sequence.
802      */
803     alignTo.setSequence(new String(thisAligned));
804   }
805
806   /**
807    * Helper method to work out how many gaps to insert when realigning.
808    * 
809    * @param preserveMappedGaps
810    * @param preserveUnmappedGaps
811    * @param sourceGapMappedLength
812    * @param inExon
813    * @param trailingCopiedGap
814    * @param intronLength
815    * @param startOfCodon
816    * @return
817    */
818   protected static int calculateGapsToInsert(boolean preserveMappedGaps,
819           boolean preserveUnmappedGaps, int sourceGapMappedLength,
820           boolean inExon, int trailingGapLength, int intronLength,
821           final boolean startOfCodon)
822   {
823     int gapsToAdd = 0;
824     if (startOfCodon)
825     {
826       /*
827        * Reached start of codon. Ignore trailing gaps in intron unless we are
828        * preserving gaps in both exon and intron. Ignore them anyway if the
829        * protein alignment introduces a gap at least as large as the intronic
830        * region.
831        */
832       if (inExon && !preserveMappedGaps)
833       {
834         trailingGapLength = 0;
835       }
836       if (!inExon && !(preserveMappedGaps && preserveUnmappedGaps))
837       {
838         trailingGapLength = 0;
839       }
840       if (inExon)
841       {
842         gapsToAdd = Math.max(sourceGapMappedLength, trailingGapLength);
843       }
844       else
845       {
846         if (intronLength + trailingGapLength <= sourceGapMappedLength)
847         {
848           gapsToAdd = sourceGapMappedLength - intronLength;
849         }
850         else
851         {
852           gapsToAdd = Math.min(
853                   intronLength + trailingGapLength - sourceGapMappedLength,
854                   trailingGapLength);
855         }
856       }
857     }
858     else
859     {
860       /*
861        * second or third base of codon; check for any gaps in dna
862        */
863       if (!preserveMappedGaps)
864       {
865         trailingGapLength = 0;
866       }
867       gapsToAdd = Math.max(sourceGapMappedLength, trailingGapLength);
868     }
869     return gapsToAdd;
870   }
871
872   /**
873    * Realigns the given protein to match the alignment of the dna, using codon
874    * mappings to translate aligned codon positions to protein residues.
875    * 
876    * @param protein
877    *          the alignment whose sequences are realigned by this method
878    * @param dna
879    *          the dna alignment whose alignment we are 'copying'
880    * @return the number of sequences that were realigned
881    */
882   public static int alignProteinAsDna(AlignmentI protein, AlignmentI dna)
883   {
884     if (protein.isNucleotide() || !dna.isNucleotide())
885     {
886       System.err.println("Wrong alignment type in alignProteinAsDna");
887       return 0;
888     }
889     List<SequenceI> unmappedProtein = new ArrayList<>();
890     Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons = buildCodonColumnsMap(
891             protein, dna, unmappedProtein);
892     return alignProteinAs(protein, alignedCodons, unmappedProtein);
893   }
894
895   /**
896    * Realigns the given dna to match the alignment of the protein, using codon
897    * mappings to translate aligned peptide positions to codons.
898    * 
899    * Always produces a padded CDS alignment.
900    * 
901    * @param dna
902    *          the alignment whose sequences are realigned by this method
903    * @param protein
904    *          the protein alignment whose alignment we are 'copying'
905    * @return the number of sequences that were realigned
906    */
907   public static int alignCdsAsProtein(AlignmentI dna, AlignmentI protein)
908   {
909     if (protein.isNucleotide() || !dna.isNucleotide())
910     {
911       System.err.println("Wrong alignment type in alignProteinAsDna");
912       return 0;
913     }
914     // todo: implement this
915     List<AlignedCodonFrame> mappings = protein.getCodonFrames();
916     int alignedCount = 0;
917     int width = 0; // alignment width for padding CDS
918     for (SequenceI dnaSeq : dna.getSequences())
919     {
920       if (alignCdsSequenceAsProtein(dnaSeq, protein, mappings,
921               dna.getGapCharacter()))
922       {
923         alignedCount++;
924       }
925       width = Math.max(dnaSeq.getLength(), width);
926     }
927     int oldwidth;
928     int diff;
929     for (SequenceI dnaSeq : dna.getSequences())
930     {
931       oldwidth = dnaSeq.getLength();
932       diff = width - oldwidth;
933       if (diff > 0)
934       {
935         dnaSeq.insertCharAt(oldwidth, diff, dna.getGapCharacter());
936       }
937     }
938     return alignedCount;
939   }
940
941   /**
942    * Helper method to align (if possible) the dna sequence to match the
943    * alignment of a mapped protein sequence. This is currently limited to
944    * handling coding sequence only.
945    * 
946    * @param cdsSeq
947    * @param protein
948    * @param mappings
949    * @param gapChar
950    * @return
951    */
952   static boolean alignCdsSequenceAsProtein(SequenceI cdsSeq,
953           AlignmentI protein, List<AlignedCodonFrame> mappings,
954           char gapChar)
955   {
956     SequenceI cdsDss = cdsSeq.getDatasetSequence();
957     if (cdsDss == null)
958     {
959       System.err
960               .println("alignCdsSequenceAsProtein needs aligned sequence!");
961       return false;
962     }
963
964     List<AlignedCodonFrame> dnaMappings = MappingUtils
965             .findMappingsForSequence(cdsSeq, mappings);
966     for (AlignedCodonFrame mapping : dnaMappings)
967     {
968       SequenceI peptide = mapping.findAlignedSequence(cdsSeq, protein);
969       if (peptide != null)
970       {
971         final int peptideLength = peptide.getLength();
972         Mapping map = mapping.getMappingBetween(cdsSeq, peptide);
973         if (map != null)
974         {
975           MapList mapList = map.getMap();
976           if (map.getTo() == peptide.getDatasetSequence())
977           {
978             mapList = mapList.getInverse();
979           }
980           final int cdsLength = cdsDss.getLength();
981           int mappedFromLength = MappingUtils
982                   .getLength(mapList.getFromRanges());
983           int mappedToLength = MappingUtils
984                   .getLength(mapList.getToRanges());
985           boolean addStopCodon = (cdsLength == mappedFromLength
986                   * CODON_LENGTH + CODON_LENGTH)
987                   || (peptide.getDatasetSequence()
988                           .getLength() == mappedFromLength - 1);
989           if (cdsLength != mappedToLength && !addStopCodon)
990           {
991             System.err.println(String.format(
992                     "Can't align cds as protein (length mismatch %d/%d): %s",
993                     cdsLength, mappedToLength, cdsSeq.getName()));
994           }
995
996           /*
997            * pre-fill the aligned cds sequence with gaps
998            */
999           char[] alignedCds = new char[peptideLength * CODON_LENGTH
1000                   + (addStopCodon ? CODON_LENGTH : 0)];
1001           Arrays.fill(alignedCds, gapChar);
1002
1003           /*
1004            * walk over the aligned peptide sequence and insert mapped 
1005            * codons for residues in the aligned cds sequence 
1006            */
1007           int copiedBases = 0;
1008           int cdsStart = cdsDss.getStart();
1009           int proteinPos = peptide.getStart() - 1;
1010           int cdsCol = 0;
1011
1012           for (int col = 0; col < peptideLength; col++)
1013           {
1014             char residue = peptide.getCharAt(col);
1015
1016             if (Comparison.isGap(residue))
1017             {
1018               cdsCol += CODON_LENGTH;
1019             }
1020             else
1021             {
1022               proteinPos++;
1023               int[] codon = mapList.locateInTo(proteinPos, proteinPos);
1024               if (codon == null)
1025               {
1026                 // e.g. incomplete start codon, X in peptide
1027                 cdsCol += CODON_LENGTH;
1028               }
1029               else
1030               {
1031                 for (int j = codon[0]; j <= codon[1]; j++)
1032                 {
1033                   char mappedBase = cdsDss.getCharAt(j - cdsStart);
1034                   alignedCds[cdsCol++] = mappedBase;
1035                   copiedBases++;
1036                 }
1037               }
1038             }
1039           }
1040
1041           /*
1042            * append stop codon if not mapped from protein,
1043            * closing it up to the end of the mapped sequence
1044            */
1045           if (copiedBases == cdsLength - CODON_LENGTH)
1046           {
1047             for (int i = alignedCds.length - 1; i >= 0; i--)
1048             {
1049               if (!Comparison.isGap(alignedCds[i]))
1050               {
1051                 cdsCol = i + 1; // gap just after end of sequence
1052                 break;
1053               }
1054             }
1055             for (int i = cdsLength - CODON_LENGTH; i < cdsLength; i++)
1056             {
1057               alignedCds[cdsCol++] = cdsDss.getCharAt(i);
1058             }
1059           }
1060           cdsSeq.setSequence(new String(alignedCds));
1061           return true;
1062         }
1063       }
1064     }
1065     return false;
1066   }
1067
1068   /**
1069    * Builds a map whose key is an aligned codon position (3 alignment column
1070    * numbers base 0), and whose value is a map from protein sequence to each
1071    * protein's peptide residue for that codon. The map generates an ordering of
1072    * the codons, and allows us to read off the peptides at each position in
1073    * order to assemble 'aligned' protein sequences.
1074    * 
1075    * @param protein
1076    *          the protein alignment
1077    * @param dna
1078    *          the coding dna alignment
1079    * @param unmappedProtein
1080    *          any unmapped proteins are added to this list
1081    * @return
1082    */
1083   protected static Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> buildCodonColumnsMap(
1084           AlignmentI protein, AlignmentI dna,
1085           List<SequenceI> unmappedProtein)
1086   {
1087     /*
1088      * maintain a list of any proteins with no mappings - these will be
1089      * rendered 'as is' in the protein alignment as we can't align them
1090      */
1091     unmappedProtein.addAll(protein.getSequences());
1092
1093     List<AlignedCodonFrame> mappings = protein.getCodonFrames();
1094
1095     /*
1096      * Map will hold, for each aligned codon position e.g. [3, 5, 6], a map of
1097      * {dnaSequence, {proteinSequence, codonProduct}} at that position. The
1098      * comparator keeps the codon positions ordered.
1099      */
1100     Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons = new TreeMap<>(
1101             new CodonComparator());
1102
1103     for (SequenceI dnaSeq : dna.getSequences())
1104     {
1105       for (AlignedCodonFrame mapping : mappings)
1106       {
1107         SequenceI prot = mapping.findAlignedSequence(dnaSeq, protein);
1108         if (prot != null)
1109         {
1110           Mapping seqMap = mapping.getMappingForSequence(dnaSeq);
1111           addCodonPositions(dnaSeq, prot, protein.getGapCharacter(), seqMap,
1112                   alignedCodons);
1113           unmappedProtein.remove(prot);
1114         }
1115       }
1116     }
1117
1118     /*
1119      * Finally add any unmapped peptide start residues (e.g. for incomplete
1120      * codons) as if at the codon position before the second residue
1121      */
1122     // TODO resolve JAL-2022 so this fudge can be removed
1123     int mappedSequenceCount = protein.getHeight() - unmappedProtein.size();
1124     addUnmappedPeptideStarts(alignedCodons, mappedSequenceCount);
1125
1126     return alignedCodons;
1127   }
1128
1129   /**
1130    * Scans for any protein mapped from position 2 (meaning unmapped start
1131    * position e.g. an incomplete codon), and synthesizes a 'codon' for it at the
1132    * preceding position in the alignment
1133    * 
1134    * @param alignedCodons
1135    *          the codon-to-peptide map
1136    * @param mappedSequenceCount
1137    *          the number of distinct sequences in the map
1138    */
1139   protected static void addUnmappedPeptideStarts(
1140           Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons,
1141           int mappedSequenceCount)
1142   {
1143     // TODO delete this ugly hack once JAL-2022 is resolved
1144     // i.e. we can model startPhase > 0 (incomplete start codon)
1145
1146     List<SequenceI> sequencesChecked = new ArrayList<>();
1147     AlignedCodon lastCodon = null;
1148     Map<SequenceI, AlignedCodon> toAdd = new HashMap<>();
1149
1150     for (Entry<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> entry : alignedCodons
1151             .entrySet())
1152     {
1153       for (Entry<SequenceI, AlignedCodon> sequenceCodon : entry.getValue()
1154               .entrySet())
1155       {
1156         SequenceI seq = sequenceCodon.getKey();
1157         if (sequencesChecked.contains(seq))
1158         {
1159           continue;
1160         }
1161         sequencesChecked.add(seq);
1162         AlignedCodon codon = sequenceCodon.getValue();
1163         if (codon.peptideCol > 1)
1164         {
1165           System.err.println(
1166                   "Problem mapping protein with >1 unmapped start positions: "
1167                           + seq.getName());
1168         }
1169         else if (codon.peptideCol == 1)
1170         {
1171           /*
1172            * first position (peptideCol == 0) was unmapped - add it
1173            */
1174           if (lastCodon != null)
1175           {
1176             AlignedCodon firstPeptide = new AlignedCodon(lastCodon.pos1,
1177                     lastCodon.pos2, lastCodon.pos3,
1178                     String.valueOf(seq.getCharAt(0)), 0);
1179             toAdd.put(seq, firstPeptide);
1180           }
1181           else
1182           {
1183             /*
1184              * unmapped residue at start of alignment (no prior column) -
1185              * 'insert' at nominal codon [0, 0, 0]
1186              */
1187             AlignedCodon firstPeptide = new AlignedCodon(0, 0, 0,
1188                     String.valueOf(seq.getCharAt(0)), 0);
1189             toAdd.put(seq, firstPeptide);
1190           }
1191         }
1192         if (sequencesChecked.size() == mappedSequenceCount)
1193         {
1194           // no need to check past first mapped position in all sequences
1195           break;
1196         }
1197       }
1198       lastCodon = entry.getKey();
1199     }
1200
1201     /*
1202      * add any new codons safely after iterating over the map
1203      */
1204     for (Entry<SequenceI, AlignedCodon> startCodon : toAdd.entrySet())
1205     {
1206       addCodonToMap(alignedCodons, startCodon.getValue(),
1207               startCodon.getKey());
1208     }
1209   }
1210
1211   /**
1212    * Update the aligned protein sequences to match the codon alignments given in
1213    * the map.
1214    * 
1215    * @param protein
1216    * @param alignedCodons
1217    *          an ordered map of codon positions (columns), with sequence/peptide
1218    *          values present in each column
1219    * @param unmappedProtein
1220    * @return
1221    */
1222   protected static int alignProteinAs(AlignmentI protein,
1223           Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons,
1224           List<SequenceI> unmappedProtein)
1225   {
1226     /*
1227      * prefill peptide sequences with gaps 
1228      */
1229     int alignedWidth = alignedCodons.size();
1230     char[] gaps = new char[alignedWidth];
1231     Arrays.fill(gaps, protein.getGapCharacter());
1232     Map<SequenceI, char[]> peptides = new HashMap<>();
1233     for (SequenceI seq : protein.getSequences())
1234     {
1235       if (!unmappedProtein.contains(seq))
1236       {
1237         peptides.put(seq, Arrays.copyOf(gaps, gaps.length));
1238       }
1239     }
1240
1241     /*
1242      * Traverse the codons left to right (as defined by CodonComparator)
1243      * and insert peptides in each column where the sequence is mapped.
1244      * This gives a peptide 'alignment' where residues are aligned if their
1245      * corresponding codons occupy the same columns in the cdna alignment.
1246      */
1247     int column = 0;
1248     for (AlignedCodon codon : alignedCodons.keySet())
1249     {
1250       final Map<SequenceI, AlignedCodon> columnResidues = alignedCodons
1251               .get(codon);
1252       for (Entry<SequenceI, AlignedCodon> entry : columnResidues.entrySet())
1253       {
1254         char residue = entry.getValue().product.charAt(0);
1255         peptides.get(entry.getKey())[column] = residue;
1256       }
1257       column++;
1258     }
1259
1260     /*
1261      * and finally set the constructed sequences
1262      */
1263     for (Entry<SequenceI, char[]> entry : peptides.entrySet())
1264     {
1265       entry.getKey().setSequence(new String(entry.getValue()));
1266     }
1267
1268     return 0;
1269   }
1270
1271   /**
1272    * Populate the map of aligned codons by traversing the given sequence
1273    * mapping, locating the aligned positions of mapped codons, and adding those
1274    * positions and their translation products to the map.
1275    * 
1276    * @param dna
1277    *          the aligned sequence we are mapping from
1278    * @param protein
1279    *          the sequence to be aligned to the codons
1280    * @param gapChar
1281    *          the gap character in the dna sequence
1282    * @param seqMap
1283    *          a mapping to a sequence translation
1284    * @param alignedCodons
1285    *          the map we are building up
1286    */
1287   static void addCodonPositions(SequenceI dna, SequenceI protein,
1288           char gapChar, Mapping seqMap,
1289           Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons)
1290   {
1291     Iterator<AlignedCodon> codons = seqMap.getCodonIterator(dna, gapChar);
1292
1293     /*
1294      * add codon positions, and their peptide translations, to the alignment
1295      * map, while remembering the first codon mapped
1296      */
1297     while (codons.hasNext())
1298     {
1299       try
1300       {
1301         AlignedCodon codon = codons.next();
1302         addCodonToMap(alignedCodons, codon, protein);
1303       } catch (IncompleteCodonException e)
1304       {
1305         // possible incomplete trailing codon - ignore
1306       } catch (NoSuchElementException e)
1307       {
1308         // possibly peptide lacking STOP
1309       }
1310     }
1311   }
1312
1313   /**
1314    * Helper method to add a codon-to-peptide entry to the aligned codons map
1315    * 
1316    * @param alignedCodons
1317    * @param codon
1318    * @param protein
1319    */
1320   protected static void addCodonToMap(
1321           Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons,
1322           AlignedCodon codon, SequenceI protein)
1323   {
1324     Map<SequenceI, AlignedCodon> seqProduct = alignedCodons.get(codon);
1325     if (seqProduct == null)
1326     {
1327       seqProduct = new HashMap<>();
1328       alignedCodons.put(codon, seqProduct);
1329     }
1330     seqProduct.put(protein, codon);
1331   }
1332
1333   /**
1334    * Returns true if a cDNA/Protein mapping either exists, or could be made,
1335    * between at least one pair of sequences in the two alignments. Currently,
1336    * the logic is:
1337    * <ul>
1338    * <li>One alignment must be nucleotide, and the other protein</li>
1339    * <li>At least one pair of sequences must be already mapped, or mappable</li>
1340    * <li>Mappable means the nucleotide translation matches the protein
1341    * sequence</li>
1342    * <li>The translation may ignore start and stop codons if present in the
1343    * nucleotide</li>
1344    * </ul>
1345    * 
1346    * @param al1
1347    * @param al2
1348    * @return
1349    */
1350   public static boolean isMappable(AlignmentI al1, AlignmentI al2)
1351   {
1352     if (al1 == null || al2 == null)
1353     {
1354       return false;
1355     }
1356
1357     /*
1358      * Require one nucleotide and one protein
1359      */
1360     if (al1.isNucleotide() == al2.isNucleotide())
1361     {
1362       return false;
1363     }
1364     AlignmentI dna = al1.isNucleotide() ? al1 : al2;
1365     AlignmentI protein = dna == al1 ? al2 : al1;
1366     List<AlignedCodonFrame> mappings = protein.getCodonFrames();
1367     for (SequenceI dnaSeq : dna.getSequences())
1368     {
1369       for (SequenceI proteinSeq : protein.getSequences())
1370       {
1371         if (isMappable(dnaSeq, proteinSeq, mappings))
1372         {
1373           return true;
1374         }
1375       }
1376     }
1377     return false;
1378   }
1379
1380   /**
1381    * Returns true if the dna sequence is mapped, or could be mapped, to the
1382    * protein sequence.
1383    * 
1384    * @param dnaSeq
1385    * @param proteinSeq
1386    * @param mappings
1387    * @return
1388    */
1389   protected static boolean isMappable(SequenceI dnaSeq,
1390           SequenceI proteinSeq, List<AlignedCodonFrame> mappings)
1391   {
1392     if (dnaSeq == null || proteinSeq == null)
1393     {
1394       return false;
1395     }
1396
1397     SequenceI dnaDs = dnaSeq.getDatasetSequence() == null ? dnaSeq
1398             : dnaSeq.getDatasetSequence();
1399     SequenceI proteinDs = proteinSeq.getDatasetSequence() == null
1400             ? proteinSeq
1401             : proteinSeq.getDatasetSequence();
1402
1403     for (AlignedCodonFrame mapping : mappings)
1404     {
1405       if (proteinDs == mapping.getAaForDnaSeq(dnaDs))
1406       {
1407         /*
1408          * already mapped
1409          */
1410         return true;
1411       }
1412     }
1413
1414     /*
1415      * Just try to make a mapping (it is not yet stored), test whether
1416      * successful.
1417      */
1418     return mapCdnaToProtein(proteinDs, dnaDs) != null;
1419   }
1420
1421   /**
1422    * Finds any reference annotations associated with the sequences in
1423    * sequenceScope, that are not already added to the alignment, and adds them
1424    * to the 'candidates' map. Also populates a lookup table of annotation
1425    * labels, keyed by calcId, for use in constructing tooltips or the like.
1426    * 
1427    * @param sequenceScope
1428    *          the sequences to scan for reference annotations
1429    * @param labelForCalcId
1430    *          (optional) map to populate with label for calcId
1431    * @param candidates
1432    *          map to populate with annotations for sequence
1433    * @param al
1434    *          the alignment to check for presence of annotations
1435    */
1436   public static void findAddableReferenceAnnotations(
1437           List<SequenceI> sequenceScope, Map<String, String> labelForCalcId,
1438           final Map<SequenceI, List<AlignmentAnnotation>> candidates,
1439           AlignmentI al)
1440   {
1441     if (sequenceScope == null)
1442     {
1443       return;
1444     }
1445
1446     /*
1447      * For each sequence in scope, make a list of any annotations on the
1448      * underlying dataset sequence which are not already on the alignment.
1449      * 
1450      * Add to a map of { alignmentSequence, <List of annotations to add> }
1451      */
1452     for (SequenceI seq : sequenceScope)
1453     {
1454       SequenceI dataset = seq.getDatasetSequence();
1455       if (dataset == null)
1456       {
1457         continue;
1458       }
1459       AlignmentAnnotation[] datasetAnnotations = dataset.getAnnotation();
1460       if (datasetAnnotations == null)
1461       {
1462         continue;
1463       }
1464       final List<AlignmentAnnotation> result = new ArrayList<>();
1465       for (AlignmentAnnotation dsann : datasetAnnotations)
1466       {
1467         if (dsann.annotations != null) // ignore non-positional annotation
1468         {
1469           /*
1470            * Find matching annotations on the alignment. If none is found, then
1471            * add this annotation to the list of 'addable' annotations for this
1472            * sequence.
1473            */
1474           final Iterable<AlignmentAnnotation> matchedAlignmentAnnotations = al
1475                   .findAnnotations(seq, dsann.getCalcId(), dsann.label);
1476           if (!matchedAlignmentAnnotations.iterator().hasNext())
1477           {
1478             result.add(dsann);
1479             if (labelForCalcId != null)
1480             {
1481               labelForCalcId.put(dsann.getCalcId(), dsann.label);
1482             }
1483           }
1484         }
1485         /*
1486          * Save any addable annotations for this sequence
1487          */
1488         if (!result.isEmpty())
1489         {
1490           candidates.put(seq, result);
1491         }
1492       }
1493     }
1494   }
1495
1496   /**
1497    * Adds annotations to the top of the alignment annotations, in the same order
1498    * as their related sequences.
1499    * 
1500    * @param annotations
1501    *          the annotations to add
1502    * @param alignment
1503    *          the alignment to add them to
1504    * @param selectionGroup
1505    *          current selection group (or null if none)
1506    */
1507   public static void addReferenceAnnotations(
1508           Map<SequenceI, List<AlignmentAnnotation>> annotations,
1509           final AlignmentI alignment, final SequenceGroup selectionGroup)
1510   {
1511     for (SequenceI seq : annotations.keySet())
1512     {
1513       for (AlignmentAnnotation ann : annotations.get(seq))
1514       {
1515         AlignmentAnnotation copyAnn = new AlignmentAnnotation(ann);
1516         int startRes = 0;
1517         int endRes = ann.annotations.length;
1518         if (selectionGroup != null)
1519         {
1520           startRes = selectionGroup.getStartRes();
1521           endRes = selectionGroup.getEndRes();
1522         }
1523         copyAnn.restrict(startRes, endRes);
1524
1525         /*
1526          * Add to the sequence (sets copyAnn.datasetSequence), unless the
1527          * original annotation is already on the sequence.
1528          */
1529         if (!seq.hasAnnotation(ann))
1530         {
1531           seq.addAlignmentAnnotation(copyAnn);
1532         }
1533         // adjust for gaps
1534         copyAnn.adjustForAlignment();
1535         // add to the alignment and set visible
1536         alignment.addAnnotation(copyAnn);
1537         copyAnn.visible = true;
1538       }
1539     }
1540   }
1541
1542   /**
1543    * Set visibility of alignment annotations of specified types (labels), for
1544    * specified sequences. This supports controls like "Show all secondary
1545    * structure", "Hide all Temp factor", etc.
1546    * 
1547    * @al the alignment to scan for annotations
1548    * @param types
1549    *          the types (labels) of annotations to be updated
1550    * @param forSequences
1551    *          if not null, only annotations linked to one of these sequences are
1552    *          in scope for update; if null, acts on all sequence annotations
1553    * @param anyType
1554    *          if this flag is true, 'types' is ignored (label not checked)
1555    * @param doShow
1556    *          if true, set visibility on, else set off
1557    */
1558   public static void showOrHideSequenceAnnotations(AlignmentI al,
1559           Collection<String> types, List<SequenceI> forSequences,
1560           boolean anyType, boolean doShow)
1561   {
1562     AlignmentAnnotation[] anns = al.getAlignmentAnnotation();
1563     if (anns != null)
1564     {
1565       for (AlignmentAnnotation aa : anns)
1566       {
1567         if (anyType || types.contains(aa.label))
1568         {
1569           if ((aa.sequenceRef != null) && (forSequences == null
1570                   || forSequences.contains(aa.sequenceRef)))
1571           {
1572             aa.visible = doShow;
1573           }
1574         }
1575       }
1576     }
1577   }
1578
1579   /**
1580    * Returns true if either sequence has a cross-reference to the other
1581    * 
1582    * @param seq1
1583    * @param seq2
1584    * @return
1585    */
1586   public static boolean haveCrossRef(SequenceI seq1, SequenceI seq2)
1587   {
1588     // Note: moved here from class CrossRef as the latter class has dependencies
1589     // not availability to the applet's classpath
1590     return hasCrossRef(seq1, seq2) || hasCrossRef(seq2, seq1);
1591   }
1592
1593   /**
1594    * Returns true if seq1 has a cross-reference to seq2. Currently this assumes
1595    * that sequence name is structured as Source|AccessionId.
1596    * 
1597    * @param seq1
1598    * @param seq2
1599    * @return
1600    */
1601   public static boolean hasCrossRef(SequenceI seq1, SequenceI seq2)
1602   {
1603     if (seq1 == null || seq2 == null)
1604     {
1605       return false;
1606     }
1607     String name = seq2.getName();
1608     final List<DBRefEntry> xrefs = seq1.getDBRefs();
1609     if (xrefs != null)
1610     {
1611       for (int ix = 0, nx = xrefs.size(); ix < nx; ix++)
1612       {
1613         DBRefEntry xref = xrefs.get(ix);
1614         String xrefName = xref.getSource() + "|" + xref.getAccessionId();
1615         // case-insensitive test, consistent with DBRefEntry.equalRef()
1616         if (xrefName.equalsIgnoreCase(name))
1617         {
1618           return true;
1619         }
1620       }
1621     }
1622     return false;
1623   }
1624
1625   /**
1626    * Constructs an alignment consisting of the mapped (CDS) regions in the given
1627    * nucleotide sequences, and updates mappings to match. The CDS sequences are
1628    * added to the original alignment's dataset, which is shared by the new
1629    * alignment. Mappings from nucleotide to CDS, and from CDS to protein, are
1630    * added to the alignment dataset.
1631    * 
1632    * @param dna
1633    *          aligned nucleotide (dna or cds) sequences
1634    * @param dataset
1635    *          the alignment dataset the sequences belong to
1636    * @param products
1637    *          (optional) to restrict results to CDS that map to specified
1638    *          protein products
1639    * @return an alignment whose sequences are the cds-only parts of the dna
1640    *         sequences (or null if no mappings are found)
1641    */
1642   public static AlignmentI makeCdsAlignment(SequenceI[] dna,
1643           AlignmentI dataset, SequenceI[] products)
1644   {
1645     if (dataset == null || dataset.getDataset() != null)
1646     {
1647       throw new IllegalArgumentException(
1648               "IMPLEMENTATION ERROR: dataset.getDataset() must be null!");
1649     }
1650     List<SequenceI> foundSeqs = new ArrayList<>();
1651     List<SequenceI> cdsSeqs = new ArrayList<>();
1652     List<AlignedCodonFrame> mappings = dataset.getCodonFrames();
1653     HashSet<SequenceI> productSeqs = null;
1654     if (products != null)
1655     {
1656       productSeqs = new HashSet<>();
1657       for (SequenceI seq : products)
1658       {
1659         productSeqs.add(seq.getDatasetSequence() == null ? seq
1660                 : seq.getDatasetSequence());
1661       }
1662     }
1663
1664     /*
1665      * Construct CDS sequences from mappings on the alignment dataset.
1666      * The logic is:
1667      * - find the protein product(s) mapped to from each dna sequence
1668      * - if the mapping covers the whole dna sequence (give or take start/stop
1669      *   codon), take the dna as the CDS sequence
1670      * - else search dataset mappings for a suitable dna sequence, i.e. one
1671      *   whose whole sequence is mapped to the protein 
1672      * - if no sequence found, construct one from the dna sequence and mapping
1673      *   (and add it to dataset so it is found if this is repeated)
1674      */
1675     for (SequenceI dnaSeq : dna)
1676     {
1677       SequenceI dnaDss = dnaSeq.getDatasetSequence() == null ? dnaSeq
1678               : dnaSeq.getDatasetSequence();
1679
1680       List<AlignedCodonFrame> seqMappings = MappingUtils
1681               .findMappingsForSequence(dnaSeq, mappings);
1682       for (AlignedCodonFrame mapping : seqMappings)
1683       {
1684         List<Mapping> mappingsFromSequence = mapping
1685                 .getMappingsFromSequence(dnaSeq);
1686
1687         for (Mapping aMapping : mappingsFromSequence)
1688         {
1689           MapList mapList = aMapping.getMap();
1690           if (mapList.getFromRatio() == 1)
1691           {
1692             /*
1693              * not a dna-to-protein mapping (likely dna-to-cds)
1694              */
1695             continue;
1696           }
1697
1698           /*
1699            * skip if mapping is not to one of the target set of proteins
1700            */
1701           SequenceI proteinProduct = aMapping.getTo();
1702           if (productSeqs != null && !productSeqs.contains(proteinProduct))
1703           {
1704             continue;
1705           }
1706
1707           /*
1708            * try to locate the CDS from the dataset mappings;
1709            * guard against duplicate results (for the case that protein has
1710            * dbrefs to both dna and cds sequences)
1711            */
1712           SequenceI cdsSeq = findCdsForProtein(mappings, dnaSeq,
1713                   seqMappings, aMapping);
1714           if (cdsSeq != null)
1715           {
1716             if (!foundSeqs.contains(cdsSeq))
1717             {
1718               foundSeqs.add(cdsSeq);
1719               SequenceI derivedSequence = cdsSeq.deriveSequence();
1720               cdsSeqs.add(derivedSequence);
1721               if (!dataset.getSequences().contains(cdsSeq))
1722               {
1723                 dataset.addSequence(cdsSeq);
1724               }
1725             }
1726             continue;
1727           }
1728
1729           /*
1730            * didn't find mapped CDS sequence - construct it and add
1731            * its dataset sequence to the dataset
1732            */
1733           cdsSeq = makeCdsSequence(dnaSeq.getDatasetSequence(), aMapping,
1734                   dataset).deriveSequence();
1735           // cdsSeq has a name constructed as CDS|<dbref>
1736           // <dbref> will be either the accession for the coding sequence,
1737           // marked in the /via/ dbref to the protein product accession
1738           // or it will be the original nucleotide accession.
1739           SequenceI cdsSeqDss = cdsSeq.getDatasetSequence();
1740
1741           cdsSeqs.add(cdsSeq);
1742
1743           /*
1744            * build the mapping from CDS to protein
1745            */
1746           List<int[]> cdsRange = Collections
1747                   .singletonList(new int[]
1748                   { cdsSeq.getStart(),
1749                       cdsSeq.getLength() + cdsSeq.getStart() - 1 });
1750           MapList cdsToProteinMap = new MapList(cdsRange,
1751                   mapList.getToRanges(), mapList.getFromRatio(),
1752                   mapList.getToRatio());
1753
1754           if (!dataset.getSequences().contains(cdsSeqDss))
1755           {
1756             /*
1757              * if this sequence is a newly created one, add it to the dataset
1758              * and made a CDS to protein mapping (if sequence already exists,
1759              * CDS-to-protein mapping _is_ the transcript-to-protein mapping)
1760              */
1761             dataset.addSequence(cdsSeqDss);
1762             AlignedCodonFrame cdsToProteinMapping = new AlignedCodonFrame();
1763             cdsToProteinMapping.addMap(cdsSeqDss, proteinProduct,
1764                     cdsToProteinMap);
1765
1766             /*
1767              * guard against duplicating the mapping if repeating this action
1768              */
1769             if (!mappings.contains(cdsToProteinMapping))
1770             {
1771               mappings.add(cdsToProteinMapping);
1772             }
1773           }
1774
1775           propagateDBRefsToCDS(cdsSeqDss, dnaSeq.getDatasetSequence(),
1776                   proteinProduct, aMapping);
1777           /*
1778            * add another mapping from original 'from' range to CDS
1779            */
1780           AlignedCodonFrame dnaToCdsMapping = new AlignedCodonFrame();
1781           final MapList dnaToCdsMap = new MapList(mapList.getFromRanges(),
1782                   cdsRange, 1, 1);
1783           dnaToCdsMapping.addMap(dnaSeq.getDatasetSequence(), cdsSeqDss,
1784                   dnaToCdsMap);
1785           if (!mappings.contains(dnaToCdsMapping))
1786           {
1787             mappings.add(dnaToCdsMapping);
1788           }
1789
1790           /*
1791            * transfer dna chromosomal loci (if known) to the CDS
1792            * sequence (via the mapping)
1793            */
1794           final MapList cdsToDnaMap = dnaToCdsMap.getInverse();
1795           transferGeneLoci(dnaSeq, cdsToDnaMap, cdsSeq);
1796
1797           /*
1798            * add DBRef with mapping from protein to CDS
1799            * (this enables Get Cross-References from protein alignment)
1800            * This is tricky because we can't have two DBRefs with the
1801            * same source and accession, so need a different accession for
1802            * the CDS from the dna sequence
1803            */
1804
1805           // specific use case:
1806           // Genomic contig ENSCHR:1, contains coding regions for ENSG01,
1807           // ENSG02, ENSG03, with transcripts and products similarly named.
1808           // cannot add distinct dbrefs mapping location on ENSCHR:1 to ENSG01
1809
1810           // JBPNote: ?? can't actually create an example that demonstrates we
1811           // need to
1812           // synthesize an xref.
1813
1814           List<DBRefEntry> primrefs = dnaDss.getPrimaryDBRefs();
1815           for (int ip = 0, np = primrefs.size(); ip < np; ip++)
1816           {
1817             DBRefEntry primRef = primrefs.get(ip);
1818             /*
1819              * create a cross-reference from CDS to the source sequence's
1820              * primary reference and vice versa
1821              */
1822             String source = primRef.getSource();
1823             String version = primRef.getVersion();
1824             DBRefEntry cdsCrossRef = new DBRefEntry(source,
1825                     source + ":" + version, primRef.getAccessionId());
1826             cdsCrossRef
1827                     .setMap(new Mapping(dnaDss, new MapList(cdsToDnaMap)));
1828             cdsSeqDss.addDBRef(cdsCrossRef);
1829
1830             dnaSeq.addDBRef(new DBRefEntry(source, version,
1831                     cdsSeq.getName(), new Mapping(cdsSeqDss, dnaToCdsMap)));
1832             // problem here is that the cross-reference is synthesized -
1833             // cdsSeq.getName() may be like 'CDS|dnaaccession' or
1834             // 'CDS|emblcdsacc'
1835             // assuming cds version same as dna ?!?
1836
1837             DBRefEntry proteinToCdsRef = new DBRefEntry(source, version,
1838                     cdsSeq.getName());
1839             //
1840             proteinToCdsRef.setMap(
1841                     new Mapping(cdsSeqDss, cdsToProteinMap.getInverse()));
1842             proteinProduct.addDBRef(proteinToCdsRef);
1843           }
1844           /*
1845            * transfer any features on dna that overlap the CDS
1846            */
1847           transferFeatures(dnaSeq, cdsSeq, dnaToCdsMap, null,
1848                   SequenceOntologyI.CDS);
1849         }
1850       }
1851     }
1852
1853     AlignmentI cds = new Alignment(
1854             cdsSeqs.toArray(new SequenceI[cdsSeqs.size()]));
1855     cds.setDataset(dataset);
1856
1857     return cds;
1858   }
1859
1860   /**
1861    * Tries to transfer gene loci (dbref to chromosome positions) from fromSeq to
1862    * toSeq, mediated by the given mapping between the sequences
1863    * 
1864    * @param fromSeq
1865    * @param targetToFrom
1866    *          Map
1867    * @param targetSeq
1868    */
1869   protected static void transferGeneLoci(SequenceI fromSeq,
1870           MapList targetToFrom, SequenceI targetSeq)
1871   {
1872     if (targetSeq.getGeneLoci() != null)
1873     {
1874       // already have - don't override
1875       return;
1876     }
1877     GeneLociI fromLoci = fromSeq.getGeneLoci();
1878     if (fromLoci == null)
1879     {
1880       return;
1881     }
1882
1883     MapList newMap = targetToFrom.traverse(fromLoci.getMapping());
1884
1885     if (newMap != null)
1886     {
1887       targetSeq.setGeneLoci(fromLoci.getSpeciesId(),
1888               fromLoci.getAssemblyId(), fromLoci.getChromosomeId(), newMap);
1889     }
1890   }
1891
1892   /**
1893    * A helper method that finds a CDS sequence in the alignment dataset that is
1894    * mapped to the given protein sequence, and either is, or has a mapping from,
1895    * the given dna sequence.
1896    * 
1897    * @param mappings
1898    *          set of all mappings on the dataset
1899    * @param dnaSeq
1900    *          a dna (or cds) sequence we are searching from
1901    * @param seqMappings
1902    *          the set of mappings involving dnaSeq
1903    * @param aMapping
1904    *          a transcript-to-peptide mapping
1905    * @return
1906    */
1907   static SequenceI findCdsForProtein(List<AlignedCodonFrame> mappings,
1908           SequenceI dnaSeq, List<AlignedCodonFrame> seqMappings,
1909           Mapping aMapping)
1910   {
1911     /*
1912      * TODO a better dna-cds-protein mapping data representation to allow easy
1913      * navigation; until then this clunky looping around lists of mappings
1914      */
1915     SequenceI seqDss = dnaSeq.getDatasetSequence() == null ? dnaSeq
1916             : dnaSeq.getDatasetSequence();
1917     SequenceI proteinProduct = aMapping.getTo();
1918
1919     /*
1920      * is this mapping from the whole dna sequence (i.e. CDS)?
1921      * allowing for possible stop codon on dna but not peptide
1922      */
1923     int mappedFromLength = MappingUtils
1924             .getLength(aMapping.getMap().getFromRanges());
1925     int dnaLength = seqDss.getLength();
1926     if (mappedFromLength == dnaLength
1927             || mappedFromLength == dnaLength - CODON_LENGTH)
1928     {
1929       /*
1930        * if sequence has CDS features, this is a transcript with no UTR
1931        * - do not take this as the CDS sequence! (JAL-2789)
1932        */
1933       if (seqDss.getFeatures().getFeaturesByOntology(SequenceOntologyI.CDS)
1934               .isEmpty())
1935       {
1936         return seqDss;
1937       }
1938     }
1939
1940     /*
1941      * looks like we found the dna-to-protein mapping; search for the
1942      * corresponding cds-to-protein mapping
1943      */
1944     List<AlignedCodonFrame> mappingsToPeptide = MappingUtils
1945             .findMappingsForSequence(proteinProduct, mappings);
1946     for (AlignedCodonFrame acf : mappingsToPeptide)
1947     {
1948       for (SequenceToSequenceMapping map : acf.getMappings())
1949       {
1950         Mapping mapping = map.getMapping();
1951         if (mapping != aMapping
1952                 && mapping.getMap().getFromRatio() == CODON_LENGTH
1953                 && proteinProduct == mapping.getTo()
1954                 && seqDss != map.getFromSeq())
1955         {
1956           mappedFromLength = MappingUtils
1957                   .getLength(mapping.getMap().getFromRanges());
1958           if (mappedFromLength == map.getFromSeq().getLength())
1959           {
1960             /*
1961             * found a 3:1 mapping to the protein product which covers
1962             * the whole dna sequence i.e. is from CDS; finally check the CDS
1963             * is mapped from the given dna start sequence
1964             */
1965             SequenceI cdsSeq = map.getFromSeq();
1966             // todo this test is weak if seqMappings contains multiple mappings;
1967             // we get away with it if transcript:cds relationship is 1:1
1968             List<AlignedCodonFrame> dnaToCdsMaps = MappingUtils
1969                     .findMappingsForSequence(cdsSeq, seqMappings);
1970             if (!dnaToCdsMaps.isEmpty())
1971             {
1972               return cdsSeq;
1973             }
1974           }
1975         }
1976       }
1977     }
1978     return null;
1979   }
1980
1981   /**
1982    * Helper method that makes a CDS sequence as defined by the mappings from the
1983    * given sequence i.e. extracts the 'mapped from' ranges (which may be on
1984    * forward or reverse strand).
1985    * 
1986    * @param seq
1987    * @param mapping
1988    * @param dataset
1989    *          - existing dataset. We check for sequences that look like the CDS
1990    *          we are about to construct, if one exists already, then we will
1991    *          just return that one.
1992    * @return CDS sequence (as a dataset sequence)
1993    */
1994   static SequenceI makeCdsSequence(SequenceI seq, Mapping mapping,
1995           AlignmentI dataset)
1996   {
1997     /*
1998      * construct CDS sequence name as "CDS|" with 'from id' held in the mapping
1999      * if set (e.g. EMBL protein_id), else sequence name appended
2000      */
2001     String mapFromId = mapping.getMappedFromId();
2002     final String seqId = "CDS|"
2003             + (mapFromId != null ? mapFromId : seq.getName());
2004
2005     SequenceI newSeq = null;
2006
2007     /*
2008      * construct CDS sequence by splicing mapped from ranges
2009      */
2010     char[] seqChars = seq.getSequence();
2011     List<int[]> fromRanges = mapping.getMap().getFromRanges();
2012     int cdsWidth = MappingUtils.getLength(fromRanges);
2013     char[] newSeqChars = new char[cdsWidth];
2014
2015     int newPos = 0;
2016     for (int[] range : fromRanges)
2017     {
2018       if (range[0] <= range[1])
2019       {
2020         // forward strand mapping - just copy the range
2021         int length = range[1] - range[0] + 1;
2022         System.arraycopy(seqChars, range[0] - 1, newSeqChars, newPos,
2023                 length);
2024         newPos += length;
2025       }
2026       else
2027       {
2028         // reverse strand mapping - copy and complement one by one
2029         for (int i = range[0]; i >= range[1]; i--)
2030         {
2031           newSeqChars[newPos++] = Dna.getComplement(seqChars[i - 1]);
2032         }
2033       }
2034
2035       newSeq = new Sequence(seqId, newSeqChars, 1, newPos);
2036     }
2037
2038     if (dataset != null)
2039     {
2040       SequenceI[] matches = dataset.findSequenceMatch(newSeq.getName());
2041       if (matches != null)
2042       {
2043         boolean matched = false;
2044         for (SequenceI mtch : matches)
2045         {
2046           if (mtch.getStart() != newSeq.getStart())
2047           {
2048             continue;
2049           }
2050           if (mtch.getEnd() != newSeq.getEnd())
2051           {
2052             continue;
2053           }
2054           if (!Arrays.equals(mtch.getSequence(), newSeq.getSequence()))
2055           {
2056             continue;
2057           }
2058           if (!matched)
2059           {
2060             matched = true;
2061             newSeq = mtch;
2062           }
2063           else
2064           {
2065             Console.error(
2066                     "JAL-2154 regression: warning - found (and ignored) a duplicate CDS sequence:"
2067                             + mtch.toString());
2068           }
2069         }
2070       }
2071     }
2072     // newSeq.setDescription(mapFromId);
2073
2074     return newSeq;
2075   }
2076
2077   /**
2078    * Adds any DBRefEntrys to cdsSeq from contig that have a Mapping congruent to
2079    * the given mapping.
2080    * 
2081    * @param cdsSeq
2082    * @param contig
2083    * @param proteinProduct
2084    * @param mapping
2085    * @return list of DBRefEntrys added
2086    */
2087   protected static List<DBRefEntry> propagateDBRefsToCDS(SequenceI cdsSeq,
2088           SequenceI contig, SequenceI proteinProduct, Mapping mapping)
2089   {
2090
2091     // gather direct refs from contig congruent with mapping
2092     List<DBRefEntry> direct = new ArrayList<>();
2093     HashSet<String> directSources = new HashSet<>();
2094
2095     List<DBRefEntry> refs = contig.getDBRefs();
2096     if (refs != null)
2097     {
2098       for (int ib = 0, nb = refs.size(); ib < nb; ib++)
2099       {
2100         DBRefEntry dbr = refs.get(ib);
2101         MapList map;
2102         if (dbr.hasMap() && (map = dbr.getMap().getMap()).isTripletMap())
2103         {
2104           // check if map is the CDS mapping
2105           if (mapping.getMap().equals(map))
2106           {
2107             direct.add(dbr);
2108             directSources.add(dbr.getSource());
2109           }
2110         }
2111       }
2112     }
2113     List<DBRefEntry> onSource = DBRefUtils.selectRefs(
2114             proteinProduct.getDBRefs(),
2115             directSources.toArray(new String[0]));
2116     List<DBRefEntry> propagated = new ArrayList<>();
2117
2118     // and generate appropriate mappings
2119     for (int ic = 0, nc = direct.size(); ic < nc; ic++)
2120     {
2121       DBRefEntry cdsref = direct.get(ic);
2122       Mapping m = cdsref.getMap();
2123       // clone maplist and mapping
2124       MapList cdsposmap = new MapList(
2125               Arrays.asList(new int[][]
2126               { new int[] { cdsSeq.getStart(), cdsSeq.getEnd() } }),
2127               m.getMap().getToRanges(), 3, 1);
2128       Mapping cdsmap = new Mapping(m.getTo(), m.getMap());
2129
2130       // create dbref
2131       DBRefEntry newref = new DBRefEntry(cdsref.getSource(),
2132               cdsref.getVersion(), cdsref.getAccessionId(),
2133               new Mapping(cdsmap.getTo(), cdsposmap));
2134
2135       // and see if we can map to the protein product for this mapping.
2136       // onSource is the filtered set of accessions on protein that we are
2137       // tranferring, so we assume accession is the same.
2138       if (cdsmap.getTo() == null && onSource != null)
2139       {
2140         List<DBRefEntry> sourceRefs = DBRefUtils.searchRefs(onSource,
2141                 cdsref.getAccessionId());
2142         if (sourceRefs != null)
2143         {
2144           for (DBRefEntry srcref : sourceRefs)
2145           {
2146             if (srcref.getSource().equalsIgnoreCase(cdsref.getSource()))
2147             {
2148               // we have found a complementary dbref on the protein product, so
2149               // update mapping's getTo
2150               newref.getMap().setTo(proteinProduct);
2151             }
2152           }
2153         }
2154       }
2155       cdsSeq.addDBRef(newref);
2156       propagated.add(newref);
2157     }
2158     return propagated;
2159   }
2160
2161   /**
2162    * Transfers co-located features on 'fromSeq' to 'toSeq', adjusting the
2163    * feature start/end ranges, optionally omitting specified feature types.
2164    * Returns the number of features copied.
2165    * 
2166    * @param fromSeq
2167    * @param toSeq
2168    * @param mapping
2169    *          the mapping from 'fromSeq' to 'toSeq'
2170    * @param select
2171    *          if not null, only features of this type are copied (including
2172    *          subtypes in the Sequence Ontology)
2173    * @param omitting
2174    */
2175   protected static int transferFeatures(SequenceI fromSeq, SequenceI toSeq,
2176           MapList mapping, String select, String... omitting)
2177   {
2178     SequenceI copyTo = toSeq;
2179     while (copyTo.getDatasetSequence() != null)
2180     {
2181       copyTo = copyTo.getDatasetSequence();
2182     }
2183     if (fromSeq == copyTo || fromSeq.getDatasetSequence() == copyTo)
2184     {
2185       return 0; // shared dataset sequence
2186     }
2187
2188     /*
2189      * get features, optionally restricted by an ontology term
2190      */
2191     List<SequenceFeature> sfs = select == null
2192             ? fromSeq.getFeatures().getPositionalFeatures()
2193             : fromSeq.getFeatures().getFeaturesByOntology(select);
2194
2195     int count = 0;
2196     for (SequenceFeature sf : sfs)
2197     {
2198       String type = sf.getType();
2199       boolean omit = false;
2200       for (String toOmit : omitting)
2201       {
2202         if (type.equals(toOmit))
2203         {
2204           omit = true;
2205         }
2206       }
2207       if (omit)
2208       {
2209         continue;
2210       }
2211
2212       /*
2213        * locate the mapped range - null if either start or end is
2214        * not mapped (no partial overlaps are calculated)
2215        */
2216       int start = sf.getBegin();
2217       int end = sf.getEnd();
2218       int[] mappedTo = mapping.locateInTo(start, end);
2219       /*
2220        * if whole exon range doesn't map, try interpreting it
2221        * as 5' or 3' exon overlapping the CDS range
2222        */
2223       if (mappedTo == null)
2224       {
2225         mappedTo = mapping.locateInTo(end, end);
2226         if (mappedTo != null)
2227         {
2228           /*
2229            * end of exon is in CDS range - 5' overlap
2230            * to a range from the start of the peptide
2231            */
2232           mappedTo[0] = 1;
2233         }
2234       }
2235       if (mappedTo == null)
2236       {
2237         mappedTo = mapping.locateInTo(start, start);
2238         if (mappedTo != null)
2239         {
2240           /*
2241            * start of exon is in CDS range - 3' overlap
2242            * to a range up to the end of the peptide
2243            */
2244           mappedTo[1] = toSeq.getLength();
2245         }
2246       }
2247       if (mappedTo != null)
2248       {
2249         int newBegin = Math.min(mappedTo[0], mappedTo[1]);
2250         int newEnd = Math.max(mappedTo[0], mappedTo[1]);
2251         SequenceFeature copy = new SequenceFeature(sf, newBegin, newEnd,
2252                 sf.getFeatureGroup(), sf.getScore());
2253         copyTo.addSequenceFeature(copy);
2254         count++;
2255       }
2256     }
2257     return count;
2258   }
2259
2260   /**
2261    * Returns a mapping from dna to protein by inspecting sequence features of
2262    * type "CDS" on the dna. A mapping is constructed if the total CDS feature
2263    * length is 3 times the peptide length (optionally after dropping a trailing
2264    * stop codon). This method does not check whether the CDS nucleotide sequence
2265    * translates to the peptide sequence.
2266    * 
2267    * @param dnaSeq
2268    * @param proteinSeq
2269    * @return
2270    */
2271   public static MapList mapCdsToProtein(SequenceI dnaSeq,
2272           SequenceI proteinSeq)
2273   {
2274     List<int[]> ranges = findCdsPositions(dnaSeq);
2275     int mappedDnaLength = MappingUtils.getLength(ranges);
2276
2277     /*
2278      * if not a whole number of codons, truncate mapping
2279      */
2280     int codonRemainder = mappedDnaLength % CODON_LENGTH;
2281     if (codonRemainder > 0)
2282     {
2283       mappedDnaLength -= codonRemainder;
2284       MappingUtils.removeEndPositions(codonRemainder, ranges);
2285     }
2286
2287     int proteinLength = proteinSeq.getLength();
2288     int proteinStart = proteinSeq.getStart();
2289     int proteinEnd = proteinSeq.getEnd();
2290
2291     /*
2292      * incomplete start codon may mean X at start of peptide
2293      * we ignore both for mapping purposes
2294      */
2295     if (proteinSeq.getCharAt(0) == 'X')
2296     {
2297       // todo JAL-2022 support startPhase > 0
2298       proteinStart++;
2299       proteinLength--;
2300     }
2301     List<int[]> proteinRange = new ArrayList<>();
2302
2303     /*
2304      * dna length should map to protein (or protein plus stop codon)
2305      */
2306     int codesForResidues = mappedDnaLength / CODON_LENGTH;
2307     if (codesForResidues == (proteinLength + 1))
2308     {
2309       // assuming extra codon is for STOP and not in peptide
2310       // todo: check trailing codon is indeed a STOP codon
2311       codesForResidues--;
2312       mappedDnaLength -= CODON_LENGTH;
2313       MappingUtils.removeEndPositions(CODON_LENGTH, ranges);
2314     }
2315
2316     if (codesForResidues == proteinLength)
2317     {
2318       proteinRange.add(new int[] { proteinStart, proteinEnd });
2319       return new MapList(ranges, proteinRange, CODON_LENGTH, 1);
2320     }
2321     return null;
2322   }
2323
2324   /**
2325    * Returns a list of CDS ranges found (as sequence positions base 1), i.e. of
2326    * [start, end] positions of sequence features of type "CDS" (or a sub-type of
2327    * CDS in the Sequence Ontology). The ranges are sorted into ascending start
2328    * position order, so this method is only valid for linear CDS in the same
2329    * sense as the protein product.
2330    * 
2331    * @param dnaSeq
2332    * @return
2333    */
2334   protected static List<int[]> findCdsPositions(SequenceI dnaSeq)
2335   {
2336     List<int[]> result = new ArrayList<>();
2337
2338     List<SequenceFeature> sfs = dnaSeq.getFeatures()
2339             .getFeaturesByOntology(SequenceOntologyI.CDS);
2340     if (sfs.isEmpty())
2341     {
2342       return result;
2343     }
2344     SequenceFeatures.sortFeatures(sfs, true);
2345
2346     for (SequenceFeature sf : sfs)
2347     {
2348       int phase = 0;
2349       try
2350       {
2351         String s = sf.getPhase();
2352         if (s != null)
2353         {
2354           phase = Integer.parseInt(s);
2355         }
2356       } catch (NumberFormatException e)
2357       {
2358         // leave as zero
2359       }
2360       /*
2361        * phase > 0 on first codon means 5' incomplete - skip to the start
2362        * of the next codon; example ENST00000496384
2363        */
2364       int begin = sf.getBegin();
2365       int end = sf.getEnd();
2366       if (result.isEmpty() && phase > 0)
2367       {
2368         begin += phase;
2369         if (begin > end)
2370         {
2371           // shouldn't happen!
2372           System.err
2373                   .println("Error: start phase extends beyond start CDS in "
2374                           + dnaSeq.getName());
2375         }
2376       }
2377       result.add(new int[] { begin, end });
2378     }
2379
2380     /*
2381      * Finally sort ranges by start position. This avoids a dependency on 
2382      * keeping features in order on the sequence (if they are in order anyway,
2383      * the sort will have almost no work to do). The implicit assumption is CDS
2384      * ranges are assembled in order. Other cases should not use this method,
2385      * but instead construct an explicit mapping for CDS (e.g. EMBL parsing).
2386      */
2387     Collections.sort(result, IntRangeComparator.ASCENDING);
2388     return result;
2389   }
2390
2391   /**
2392    * Makes an alignment with a copy of the given sequences, adding in any
2393    * non-redundant sequences which are mapped to by the cross-referenced
2394    * sequences.
2395    * 
2396    * @param seqs
2397    * @param xrefs
2398    * @param dataset
2399    *          the alignment dataset shared by the new copy
2400    * @return
2401    */
2402   public static AlignmentI makeCopyAlignment(SequenceI[] seqs,
2403           SequenceI[] xrefs, AlignmentI dataset)
2404   {
2405     AlignmentI copy = new Alignment(new Alignment(seqs));
2406     copy.setDataset(dataset);
2407     boolean isProtein = !copy.isNucleotide();
2408     SequenceIdMatcher matcher = new SequenceIdMatcher(seqs);
2409     if (xrefs != null)
2410     {
2411       // BH 2019.01.25 recoded to remove iterators
2412
2413       for (int ix = 0, nx = xrefs.length; ix < nx; ix++)
2414       {
2415         SequenceI xref = xrefs[ix];
2416         List<DBRefEntry> dbrefs = xref.getDBRefs();
2417         if (dbrefs != null)
2418         {
2419           for (int ir = 0, nir = dbrefs.size(); ir < nir; ir++)
2420           {
2421             DBRefEntry dbref = dbrefs.get(ir);
2422             Mapping map = dbref.getMap();
2423             SequenceI mto;
2424             if (map == null || (mto = map.getTo()) == null
2425                     || mto.isProtein() != isProtein)
2426             {
2427               continue;
2428             }
2429             SequenceI mappedTo = mto;
2430             SequenceI match = matcher.findIdMatch(mappedTo);
2431             if (match == null)
2432             {
2433               matcher.add(mappedTo);
2434               copy.addSequence(mappedTo);
2435             }
2436           }
2437         }
2438       }
2439     }
2440     return copy;
2441   }
2442
2443   /**
2444    * Try to align sequences in 'unaligned' to match the alignment of their
2445    * mapped regions in 'aligned'. For example, could use this to align CDS
2446    * sequences which are mapped to their parent cDNA sequences.
2447    * 
2448    * This method handles 1:1 mappings (dna-to-dna or protein-to-protein). For
2449    * dna-to-protein or protein-to-dna use alternative methods.
2450    * 
2451    * @param unaligned
2452    *          sequences to be aligned
2453    * @param aligned
2454    *          holds aligned sequences and their mappings
2455    * @return
2456    */
2457   public static int alignAs(AlignmentI unaligned, AlignmentI aligned)
2458   {
2459     /*
2460      * easy case - aligning a copy of aligned sequences
2461      */
2462     if (alignAsSameSequences(unaligned, aligned))
2463     {
2464       return unaligned.getHeight();
2465     }
2466
2467     /*
2468      * fancy case - aligning via mappings between sequences
2469      */
2470     List<SequenceI> unmapped = new ArrayList<>();
2471     Map<Integer, Map<SequenceI, Character>> columnMap = buildMappedColumnsMap(
2472             unaligned, aligned, unmapped);
2473     int width = columnMap.size();
2474     char gap = unaligned.getGapCharacter();
2475     int realignedCount = 0;
2476     // TODO: verify this loop scales sensibly for very wide/high alignments
2477
2478     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2479     {
2480       if (!unmapped.contains(seq))
2481       {
2482         char[] newSeq = new char[width];
2483         Arrays.fill(newSeq, gap); // JBPComment - doubt this is faster than the
2484                                   // Integer iteration below
2485         int newCol = 0;
2486         int lastCol = 0;
2487
2488         /*
2489          * traverse the map to find columns populated
2490          * by our sequence
2491          */
2492         for (Integer column : columnMap.keySet())
2493         {
2494           Character c = columnMap.get(column).get(seq);
2495           if (c != null)
2496           {
2497             /*
2498              * sequence has a character at this position
2499              * 
2500              */
2501             newSeq[newCol] = c;
2502             lastCol = newCol;
2503           }
2504           newCol++;
2505         }
2506
2507         /*
2508          * trim trailing gaps
2509          */
2510         if (lastCol < width)
2511         {
2512           char[] tmp = new char[lastCol + 1];
2513           System.arraycopy(newSeq, 0, tmp, 0, lastCol + 1);
2514           newSeq = tmp;
2515         }
2516         // TODO: optimise SequenceI to avoid char[]->String->char[]
2517         seq.setSequence(String.valueOf(newSeq));
2518         realignedCount++;
2519       }
2520     }
2521     return realignedCount;
2522   }
2523
2524   /**
2525    * If unaligned and aligned sequences share the same dataset sequences, then
2526    * simply copies the aligned sequences to the unaligned sequences and returns
2527    * true; else returns false
2528    * 
2529    * @param unaligned
2530    *          - sequences to be aligned based on aligned
2531    * @param aligned
2532    *          - 'guide' alignment containing sequences derived from same dataset
2533    *          as unaligned
2534    * @return
2535    */
2536   static boolean alignAsSameSequences(AlignmentI unaligned,
2537           AlignmentI aligned)
2538   {
2539     if (aligned.getDataset() == null || unaligned.getDataset() == null)
2540     {
2541       return false; // should only pass alignments with datasets here
2542     }
2543
2544     // map from dataset sequence to alignment sequence(s)
2545     Map<SequenceI, List<SequenceI>> alignedDatasets = new HashMap<>();
2546     for (SequenceI seq : aligned.getSequences())
2547     {
2548       SequenceI ds = seq.getDatasetSequence();
2549       if (alignedDatasets.get(ds) == null)
2550       {
2551         alignedDatasets.put(ds, new ArrayList<SequenceI>());
2552       }
2553       alignedDatasets.get(ds).add(seq);
2554     }
2555
2556     /*
2557      * first pass - check whether all sequences to be aligned share a 
2558      * dataset sequence with an aligned sequence; also note the leftmost
2559      * ungapped column from which to copy
2560      */
2561     int leftmost = Integer.MAX_VALUE;
2562     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2563     {
2564       final SequenceI ds = seq.getDatasetSequence();
2565       if (!alignedDatasets.containsKey(ds))
2566       {
2567         return false;
2568       }
2569       SequenceI alignedSeq = alignedDatasets.get(ds).get(0);
2570       int startCol = alignedSeq.findIndex(seq.getStart()); // 1..
2571       leftmost = Math.min(leftmost, startCol);
2572     }
2573
2574     /*
2575      * second pass - copy aligned sequences;
2576      * heuristic rule: pair off sequences in order for the case where 
2577      * more than one shares the same dataset sequence 
2578      */
2579     final char gapCharacter = aligned.getGapCharacter();
2580     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2581     {
2582       List<SequenceI> alignedSequences = alignedDatasets
2583               .get(seq.getDatasetSequence());
2584       if (alignedSequences.isEmpty())
2585       {
2586         /*
2587          * defensive check - shouldn't happen! (JAL-3536)
2588          */
2589         continue;
2590       }
2591       SequenceI alignedSeq = alignedSequences.get(0);
2592
2593       /*
2594        * gap fill for leading (5') UTR if any
2595        */
2596       // TODO this copies intron columns - wrong!
2597       int startCol = alignedSeq.findIndex(seq.getStart()); // 1..
2598       int endCol = alignedSeq.findIndex(seq.getEnd());
2599       char[] seqchars = new char[endCol - leftmost + 1];
2600       Arrays.fill(seqchars, gapCharacter);
2601       char[] toCopy = alignedSeq.getSequence(startCol - 1, endCol);
2602       System.arraycopy(toCopy, 0, seqchars, startCol - leftmost,
2603               toCopy.length);
2604       seq.setSequence(String.valueOf(seqchars));
2605       if (alignedSequences.size() > 0)
2606       {
2607         // pop off aligned sequences (except the last one)
2608         alignedSequences.remove(0);
2609       }
2610     }
2611
2612     /*
2613      * finally remove gapped columns (e.g. introns)
2614      */
2615     new RemoveGapColCommand("", unaligned.getSequencesArray(), 0,
2616             unaligned.getWidth() - 1, unaligned);
2617
2618     return true;
2619   }
2620
2621   /**
2622    * Returns a map whose key is alignment column number (base 1), and whose
2623    * values are a map of sequence characters in that column.
2624    * 
2625    * @param unaligned
2626    * @param aligned
2627    * @param unmapped
2628    * @return
2629    */
2630   static SortedMap<Integer, Map<SequenceI, Character>> buildMappedColumnsMap(
2631           AlignmentI unaligned, AlignmentI aligned,
2632           List<SequenceI> unmapped)
2633   {
2634     /*
2635      * Map will hold, for each aligned column position, a map of
2636      * {unalignedSequence, characterPerSequence} at that position.
2637      * TreeMap keeps the entries in ascending column order. 
2638      */
2639     SortedMap<Integer, Map<SequenceI, Character>> map = new TreeMap<>();
2640
2641     /*
2642      * record any sequences that have no mapping so can't be realigned
2643      */
2644     unmapped.addAll(unaligned.getSequences());
2645
2646     List<AlignedCodonFrame> mappings = aligned.getCodonFrames();
2647
2648     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2649     {
2650       for (AlignedCodonFrame mapping : mappings)
2651       {
2652         SequenceI fromSeq = mapping.findAlignedSequence(seq, aligned);
2653         if (fromSeq != null)
2654         {
2655           Mapping seqMap = mapping.getMappingBetween(fromSeq, seq);
2656           if (addMappedPositions(seq, fromSeq, seqMap, map))
2657           {
2658             unmapped.remove(seq);
2659           }
2660         }
2661       }
2662     }
2663     return map;
2664   }
2665
2666   /**
2667    * Helper method that adds to a map the mapped column positions of a sequence.
2668    * <br>
2669    * For example if aaTT-Tg-gAAA is mapped to TTTAAA then the map should record
2670    * that columns 3,4,6,10,11,12 map to characters T,T,T,A,A,A of the mapped to
2671    * sequence.
2672    * 
2673    * @param seq
2674    *          the sequence whose column positions we are recording
2675    * @param fromSeq
2676    *          a sequence that is mapped to the first sequence
2677    * @param seqMap
2678    *          the mapping from 'fromSeq' to 'seq'
2679    * @param map
2680    *          a map to add the column positions (in fromSeq) of the mapped
2681    *          positions of seq
2682    * @return
2683    */
2684   static boolean addMappedPositions(SequenceI seq, SequenceI fromSeq,
2685           Mapping seqMap, Map<Integer, Map<SequenceI, Character>> map)
2686   {
2687     if (seqMap == null)
2688     {
2689       return false;
2690     }
2691
2692     /*
2693      * invert mapping if it is from unaligned to aligned sequence
2694      */
2695     if (seqMap.getTo() == fromSeq.getDatasetSequence())
2696     {
2697       seqMap = new Mapping(seq.getDatasetSequence(),
2698               seqMap.getMap().getInverse());
2699     }
2700
2701     int toStart = seq.getStart();
2702
2703     /*
2704      * traverse [start, end, start, end...] ranges in fromSeq
2705      */
2706     for (int[] fromRange : seqMap.getMap().getFromRanges())
2707     {
2708       for (int i = 0; i < fromRange.length - 1; i += 2)
2709       {
2710         boolean forward = fromRange[i + 1] >= fromRange[i];
2711
2712         /*
2713          * find the range mapped to (sequence positions base 1)
2714          */
2715         int[] range = seqMap.locateMappedRange(fromRange[i],
2716                 fromRange[i + 1]);
2717         if (range == null)
2718         {
2719           System.err.println("Error in mapping " + seqMap + " from "
2720                   + fromSeq.getName());
2721           return false;
2722         }
2723         int fromCol = fromSeq.findIndex(fromRange[i]);
2724         int mappedCharPos = range[0];
2725
2726         /*
2727          * walk over the 'from' aligned sequence in forward or reverse
2728          * direction; when a non-gap is found, record the column position
2729          * of the next character of the mapped-to sequence; stop when all
2730          * the characters of the range have been counted
2731          */
2732         while (mappedCharPos <= range[1] && fromCol <= fromSeq.getLength()
2733                 && fromCol >= 0)
2734         {
2735           if (!Comparison.isGap(fromSeq.getCharAt(fromCol - 1)))
2736           {
2737             /*
2738              * mapped from sequence has a character in this column
2739              * record the column position for the mapped to character
2740              */
2741             Map<SequenceI, Character> seqsMap = map.get(fromCol);
2742             if (seqsMap == null)
2743             {
2744               seqsMap = new HashMap<>();
2745               map.put(fromCol, seqsMap);
2746             }
2747             seqsMap.put(seq, seq.getCharAt(mappedCharPos - toStart));
2748             mappedCharPos++;
2749           }
2750           fromCol += (forward ? 1 : -1);
2751         }
2752       }
2753     }
2754     return true;
2755   }
2756
2757   // strictly temporary hack until proper criteria for aligning protein to cds
2758   // are in place; this is so Ensembl -> fetch xrefs Uniprot aligns the Uniprot
2759   public static boolean looksLikeEnsembl(AlignmentI alignment)
2760   {
2761     for (SequenceI seq : alignment.getSequences())
2762     {
2763       String name = seq.getName();
2764       if (!name.startsWith("ENSG") && !name.startsWith("ENST"))
2765       {
2766         return false;
2767       }
2768     }
2769     return true;
2770   }
2771 }