Merge branch 'Jalview-JS/develop' into merge_js_develop
[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 jalview.commands.RemoveGapColCommand;
24 import jalview.datamodel.AlignedCodon;
25 import jalview.datamodel.AlignedCodonFrame;
26 import jalview.datamodel.AlignedCodonFrame.SequenceToSequenceMapping;
27 import jalview.datamodel.Alignment;
28 import jalview.datamodel.AlignmentAnnotation;
29 import jalview.datamodel.AlignmentI;
30 import jalview.datamodel.DBRefEntry;
31 import jalview.datamodel.GeneLociI;
32 import jalview.datamodel.IncompleteCodonException;
33 import jalview.datamodel.Mapping;
34 import jalview.datamodel.Sequence;
35 import jalview.datamodel.SequenceFeature;
36 import jalview.datamodel.SequenceGroup;
37 import jalview.datamodel.SequenceI;
38 import jalview.datamodel.features.SequenceFeatures;
39 import jalview.io.gff.SequenceOntologyI;
40 import jalview.schemes.ResidueProperties;
41 import jalview.util.Comparison;
42 import jalview.util.DBRefUtils;
43 import jalview.util.IntRangeComparator;
44 import jalview.util.MapList;
45 import jalview.util.MappingUtils;
46
47 import java.util.ArrayList;
48 import java.util.Arrays;
49 import java.util.Collection;
50 import java.util.Collections;
51 import java.util.HashMap;
52 import java.util.HashSet;
53 import java.util.Iterator;
54 import java.util.LinkedHashMap;
55 import java.util.List;
56 import java.util.Map;
57 import java.util.Map.Entry;
58 import java.util.NoSuchElementException;
59 import java.util.Set;
60 import java.util.SortedMap;
61 import java.util.TreeMap;
62
63 /**
64  * grab bag of useful alignment manipulation operations Expect these to be
65  * refactored elsewhere at some point.
66  * 
67  * @author jimp
68  * 
69  */
70 public class AlignmentUtils
71 {
72   private static final int CODON_LENGTH = 3;
73
74   private static final String SEQUENCE_VARIANT = "sequence_variant:";
75
76   /*
77    * the 'id' attribute is provided for variant features fetched from
78    * Ensembl using its REST service with JSON format 
79    */
80   public static final String VARIANT_ID = "id";
81
82   /**
83    * A data model to hold the 'normal' base value at a position, and an optional
84    * sequence variant feature
85    */
86   static final class DnaVariant
87   {
88     final String base;
89
90     SequenceFeature variant;
91
92     DnaVariant(String nuc)
93     {
94       base = nuc;
95       variant = null;
96     }
97
98     DnaVariant(String nuc, SequenceFeature var)
99     {
100       base = nuc;
101       variant = var;
102     }
103
104     public String getSource()
105     {
106       return variant == null ? null : variant.getFeatureGroup();
107     }
108
109     /**
110      * toString for aid in the debugger only
111      */
112     @Override
113     public String toString()
114     {
115       return base + ":" + (variant == null ? "" : variant.getDescription());
116     }
117   }
118
119   /**
120    * given an existing alignment, create a new alignment including all, or up to
121    * flankSize additional symbols from each sequence's dataset sequence
122    * 
123    * @param core
124    * @param flankSize
125    * @return AlignmentI
126    */
127   public static AlignmentI expandContext(AlignmentI core, int flankSize)
128   {
129     List<SequenceI> sq = new ArrayList<>();
130     int maxoffset = 0;
131     for (SequenceI s : core.getSequences())
132     {
133       SequenceI newSeq = s.deriveSequence();
134       final int newSeqStart = newSeq.getStart() - 1;
135       if (newSeqStart > maxoffset
136               && newSeq.getDatasetSequence().getStart() < s.getStart())
137       {
138         maxoffset = newSeqStart;
139       }
140       sq.add(newSeq);
141     }
142     if (flankSize > -1)
143     {
144       maxoffset = Math.min(maxoffset, flankSize);
145     }
146
147     /*
148      * now add offset left and right to create an expanded alignment
149      */
150     for (SequenceI s : sq)
151     {
152       SequenceI ds = s;
153       while (ds.getDatasetSequence() != null)
154       {
155         ds = ds.getDatasetSequence();
156       }
157       int s_end = s.findPosition(s.getStart() + s.getLength());
158       // find available flanking residues for sequence
159       int ustream_ds = s.getStart() - ds.getStart();
160       int dstream_ds = ds.getEnd() - s_end;
161
162       // build new flanked sequence
163
164       // compute gap padding to start of flanking sequence
165       int offset = maxoffset - ustream_ds;
166
167       // padding is gapChar x ( maxoffset - min(ustream_ds, flank)
168       if (flankSize >= 0)
169       {
170         if (flankSize < ustream_ds)
171         {
172           // take up to flankSize residues
173           offset = maxoffset - flankSize;
174           ustream_ds = flankSize;
175         }
176         if (flankSize <= dstream_ds)
177         {
178           dstream_ds = flankSize - 1;
179         }
180       }
181       // TODO use Character.toLowerCase to avoid creating String objects?
182       char[] upstream = new String(ds
183               .getSequence(s.getStart() - 1 - ustream_ds, s.getStart() - 1))
184                       .toLowerCase().toCharArray();
185       char[] downstream = new String(
186               ds.getSequence(s_end - 1, s_end + dstream_ds)).toLowerCase()
187                       .toCharArray();
188       char[] coreseq = s.getSequence();
189       char[] nseq = new char[offset + upstream.length + downstream.length
190               + coreseq.length];
191       char c = core.getGapCharacter();
192
193       int p = 0;
194       for (; p < offset; p++)
195       {
196         nseq[p] = c;
197       }
198
199       System.arraycopy(upstream, 0, nseq, p, upstream.length);
200       System.arraycopy(coreseq, 0, nseq, p + upstream.length,
201               coreseq.length);
202       System.arraycopy(downstream, 0, nseq,
203               p + coreseq.length + upstream.length, downstream.length);
204       s.setSequence(new String(nseq));
205       s.setStart(s.getStart() - ustream_ds);
206       s.setEnd(s_end + downstream.length);
207     }
208     AlignmentI newAl = new jalview.datamodel.Alignment(
209             sq.toArray(new SequenceI[0]));
210     for (SequenceI s : sq)
211     {
212       if (s.getAnnotation() != null)
213       {
214         for (AlignmentAnnotation aa : s.getAnnotation())
215         {
216           aa.adjustForAlignment(); // JAL-1712 fix
217           newAl.addAnnotation(aa);
218         }
219       }
220     }
221     newAl.setDataset(core.getDataset());
222     return newAl;
223   }
224
225   /**
226    * Returns the index (zero-based position) of a sequence in an alignment, or
227    * -1 if not found.
228    * 
229    * @param al
230    * @param seq
231    * @return
232    */
233   public static int getSequenceIndex(AlignmentI al, SequenceI seq)
234   {
235     int result = -1;
236     int pos = 0;
237     for (SequenceI alSeq : al.getSequences())
238     {
239       if (alSeq == seq)
240       {
241         result = pos;
242         break;
243       }
244       pos++;
245     }
246     return result;
247   }
248
249   /**
250    * Returns a map of lists of sequences in the alignment, keyed by sequence
251    * name. For use in mapping between different alignment views of the same
252    * sequences.
253    * 
254    * @see jalview.datamodel.AlignmentI#getSequencesByName()
255    */
256   public static Map<String, List<SequenceI>> getSequencesByName(
257           AlignmentI al)
258   {
259     Map<String, List<SequenceI>> theMap = new LinkedHashMap<>();
260     for (SequenceI seq : al.getSequences())
261     {
262       String name = seq.getName();
263       if (name != null)
264       {
265         List<SequenceI> seqs = theMap.get(name);
266         if (seqs == null)
267         {
268           seqs = new ArrayList<>();
269           theMap.put(name, seqs);
270         }
271         seqs.add(seq);
272       }
273     }
274     return theMap;
275   }
276
277   /**
278    * Build mapping of protein to cDNA alignment. Mappings are made between
279    * sequences where the cDNA translates to the protein sequence. Any new
280    * mappings are added to the protein alignment. Returns true if any mappings
281    * either already exist or were added, else false.
282    * 
283    * @param proteinAlignment
284    * @param cdnaAlignment
285    * @return
286    */
287   public static boolean mapProteinAlignmentToCdna(
288           final AlignmentI proteinAlignment, final AlignmentI cdnaAlignment)
289   {
290     if (proteinAlignment == null || cdnaAlignment == null)
291     {
292       return false;
293     }
294
295     Set<SequenceI> mappedDna = new HashSet<>();
296     Set<SequenceI> mappedProtein = new HashSet<>();
297
298     /*
299      * First pass - map sequences where cross-references exist. This include
300      * 1-to-many mappings to support, for example, variant cDNA.
301      */
302     boolean mappingPerformed = mapProteinToCdna(proteinAlignment,
303             cdnaAlignment, mappedDna, mappedProtein, true);
304
305     /*
306      * Second pass - map sequences where no cross-references exist. This only
307      * does 1-to-1 mappings and assumes corresponding sequences are in the same
308      * order in the alignments.
309      */
310     mappingPerformed |= mapProteinToCdna(proteinAlignment, cdnaAlignment,
311             mappedDna, mappedProtein, false);
312     return mappingPerformed;
313   }
314
315   /**
316    * Make mappings between compatible sequences (where the cDNA translation
317    * matches the protein).
318    * 
319    * @param proteinAlignment
320    * @param cdnaAlignment
321    * @param mappedDna
322    *          a set of mapped DNA sequences (to add to)
323    * @param mappedProtein
324    *          a set of mapped Protein sequences (to add to)
325    * @param xrefsOnly
326    *          if true, only map sequences where xrefs exist
327    * @return
328    */
329   protected static boolean mapProteinToCdna(
330           final AlignmentI proteinAlignment, final AlignmentI cdnaAlignment,
331           Set<SequenceI> mappedDna, Set<SequenceI> mappedProtein,
332           boolean xrefsOnly)
333   {
334     boolean mappingExistsOrAdded = false;
335     List<SequenceI> thisSeqs = proteinAlignment.getSequences();
336     for (SequenceI aaSeq : thisSeqs)
337     {
338       boolean proteinMapped = false;
339       AlignedCodonFrame acf = new AlignedCodonFrame();
340
341       for (SequenceI cdnaSeq : cdnaAlignment.getSequences())
342       {
343         /*
344          * Always try to map if sequences have xref to each other; this supports
345          * variant cDNA or alternative splicing for a protein sequence.
346          * 
347          * If no xrefs, try to map progressively, assuming that alignments have
348          * mappable sequences in corresponding order. These are not
349          * many-to-many, as that would risk mixing species with similar cDNA
350          * sequences.
351          */
352         if (xrefsOnly && !AlignmentUtils.haveCrossRef(aaSeq, cdnaSeq))
353         {
354           continue;
355         }
356
357         /*
358          * Don't map non-xrefd sequences more than once each. This heuristic
359          * allows us to pair up similar sequences in ordered alignments.
360          */
361         if (!xrefsOnly && (mappedProtein.contains(aaSeq)
362                 || mappedDna.contains(cdnaSeq)))
363         {
364           continue;
365         }
366         if (mappingExists(proteinAlignment.getCodonFrames(),
367                 aaSeq.getDatasetSequence(), cdnaSeq.getDatasetSequence()))
368         {
369           mappingExistsOrAdded = true;
370         }
371         else
372         {
373           MapList map = mapCdnaToProtein(aaSeq, cdnaSeq);
374           if (map != null)
375           {
376             acf.addMap(cdnaSeq, aaSeq, map);
377             mappingExistsOrAdded = true;
378             proteinMapped = true;
379             mappedDna.add(cdnaSeq);
380             mappedProtein.add(aaSeq);
381           }
382         }
383       }
384       if (proteinMapped)
385       {
386         proteinAlignment.addCodonFrame(acf);
387       }
388     }
389     return mappingExistsOrAdded;
390   }
391
392   /**
393    * Answers true if the mappings include one between the given (dataset)
394    * sequences.
395    */
396   protected static boolean mappingExists(List<AlignedCodonFrame> mappings,
397           SequenceI aaSeq, SequenceI cdnaSeq)
398   {
399     if (mappings != null)
400     {
401       for (AlignedCodonFrame acf : mappings)
402       {
403         if (cdnaSeq == acf.getDnaForAaSeq(aaSeq))
404         {
405           return true;
406         }
407       }
408     }
409     return false;
410   }
411
412   /**
413    * Builds a mapping (if possible) of a cDNA to a protein sequence.
414    * <ul>
415    * <li>first checks if the cdna translates exactly to the protein
416    * sequence</li>
417    * <li>else checks for translation after removing a STOP codon</li>
418    * <li>else checks for translation after removing a START codon</li>
419    * <li>if that fails, inspect CDS features on the cDNA sequence</li>
420    * </ul>
421    * Returns null if no mapping is determined.
422    * 
423    * @param proteinSeq
424    *          the aligned protein sequence
425    * @param cdnaSeq
426    *          the aligned cdna sequence
427    * @return
428    */
429   public static MapList mapCdnaToProtein(SequenceI proteinSeq,
430           SequenceI cdnaSeq)
431   {
432     /*
433      * Here we handle either dataset sequence set (desktop) or absent (applet).
434      * Use only the char[] form of the sequence to avoid creating possibly large
435      * String objects.
436      */
437     final SequenceI proteinDataset = proteinSeq.getDatasetSequence();
438     char[] aaSeqChars = proteinDataset != null
439             ? proteinDataset.getSequence()
440             : proteinSeq.getSequence();
441     final SequenceI cdnaDataset = cdnaSeq.getDatasetSequence();
442     char[] cdnaSeqChars = cdnaDataset != null ? cdnaDataset.getSequence()
443             : cdnaSeq.getSequence();
444     if (aaSeqChars == null || cdnaSeqChars == null)
445     {
446       return null;
447     }
448
449     /*
450      * cdnaStart/End, proteinStartEnd are base 1 (for dataset sequence mapping)
451      */
452     final int mappedLength = CODON_LENGTH * aaSeqChars.length;
453     int cdnaLength = cdnaSeqChars.length;
454     int cdnaStart = cdnaSeq.getStart();
455     int cdnaEnd = cdnaSeq.getEnd();
456     final int proteinStart = proteinSeq.getStart();
457     final int proteinEnd = proteinSeq.getEnd();
458
459     /*
460      * If lengths don't match, try ignoring stop codon (if present)
461      */
462     if (cdnaLength != mappedLength && cdnaLength > 2)
463     {
464       String lastCodon = String.valueOf(cdnaSeqChars,
465               cdnaLength - CODON_LENGTH, CODON_LENGTH).toUpperCase();
466       for (String stop : ResidueProperties.STOP_CODONS)
467       {
468         if (lastCodon.equals(stop))
469         {
470           cdnaEnd -= CODON_LENGTH;
471           cdnaLength -= CODON_LENGTH;
472           break;
473         }
474       }
475     }
476
477     /*
478      * If lengths still don't match, try ignoring start codon.
479      */
480     int startOffset = 0;
481     if (cdnaLength != mappedLength && cdnaLength > 2
482             && String.valueOf(cdnaSeqChars, 0, CODON_LENGTH).toUpperCase()
483                     .equals(ResidueProperties.START))
484     {
485       startOffset += CODON_LENGTH;
486       cdnaStart += CODON_LENGTH;
487       cdnaLength -= CODON_LENGTH;
488     }
489
490     if (translatesAs(cdnaSeqChars, startOffset, aaSeqChars))
491     {
492       /*
493        * protein is translation of dna (+/- start/stop codons)
494        */
495       MapList map = new MapList(new int[] { cdnaStart, cdnaEnd },
496               new int[]
497               { proteinStart, proteinEnd }, CODON_LENGTH, 1);
498       return map;
499     }
500
501     /*
502      * translation failed - try mapping CDS annotated regions of dna
503      */
504     return mapCdsToProtein(cdnaSeq, proteinSeq);
505   }
506
507   /**
508    * Test whether the given cdna sequence, starting at the given offset,
509    * translates to the given amino acid sequence, using the standard translation
510    * table. Designed to fail fast i.e. as soon as a mismatch position is found.
511    * 
512    * @param cdnaSeqChars
513    * @param cdnaStart
514    * @param aaSeqChars
515    * @return
516    */
517   protected static boolean translatesAs(char[] cdnaSeqChars, int cdnaStart,
518           char[] aaSeqChars)
519   {
520     if (cdnaSeqChars == null || aaSeqChars == null)
521     {
522       return false;
523     }
524
525     int aaPos = 0;
526     int dnaPos = cdnaStart;
527     for (; dnaPos < cdnaSeqChars.length - 2
528             && aaPos < aaSeqChars.length; dnaPos += CODON_LENGTH, aaPos++)
529     {
530       String codon = String.valueOf(cdnaSeqChars, dnaPos, CODON_LENGTH);
531       final String translated = ResidueProperties.codonTranslate(codon);
532
533       /*
534        * allow * in protein to match untranslatable in dna
535        */
536       final char aaRes = aaSeqChars[aaPos];
537       if ((translated == null || ResidueProperties.STOP.equals(translated))
538               && aaRes == '*')
539       {
540         continue;
541       }
542       if (translated == null || !(aaRes == translated.charAt(0)))
543       {
544         // debug
545         // System.out.println(("Mismatch at " + i + "/" + aaResidue + ": "
546         // + codon + "(" + translated + ") != " + aaRes));
547         return false;
548       }
549     }
550
551     /*
552      * check we matched all of the protein sequence
553      */
554     if (aaPos != aaSeqChars.length)
555     {
556       return false;
557     }
558
559     /*
560      * check we matched all of the dna except
561      * for optional trailing STOP codon
562      */
563     if (dnaPos == cdnaSeqChars.length)
564     {
565       return true;
566     }
567     if (dnaPos == cdnaSeqChars.length - CODON_LENGTH)
568     {
569       String codon = String.valueOf(cdnaSeqChars, dnaPos, CODON_LENGTH);
570       if (ResidueProperties.STOP
571               .equals(ResidueProperties.codonTranslate(codon)))
572       {
573         return true;
574       }
575     }
576     return false;
577   }
578
579   /**
580    * Align sequence 'seq' to match the alignment of a mapped sequence. Note this
581    * currently assumes that we are aligning cDNA to match protein.
582    * 
583    * @param seq
584    *          the sequence to be realigned
585    * @param al
586    *          the alignment whose sequence alignment is to be 'copied'
587    * @param gap
588    *          character string represent a gap in the realigned sequence
589    * @param preserveUnmappedGaps
590    * @param preserveMappedGaps
591    * @return true if the sequence was realigned, false if it could not be
592    */
593   public static boolean alignSequenceAs(SequenceI seq, AlignmentI al,
594           String gap, boolean preserveMappedGaps,
595           boolean preserveUnmappedGaps)
596   {
597     /*
598      * Get any mappings from the source alignment to the target (dataset)
599      * sequence.
600      */
601     // TODO there may be one AlignedCodonFrame per dataset sequence, or one with
602     // all mappings. Would it help to constrain this?
603     List<AlignedCodonFrame> mappings = al.getCodonFrame(seq);
604     if (mappings == null || mappings.isEmpty())
605     {
606       return false;
607     }
608
609     /*
610      * Locate the aligned source sequence whose dataset sequence is mapped. We
611      * just take the first match here (as we can't align like more than one
612      * sequence).
613      */
614     SequenceI alignFrom = null;
615     AlignedCodonFrame mapping = null;
616     for (AlignedCodonFrame mp : mappings)
617     {
618       alignFrom = mp.findAlignedSequence(seq, al);
619       if (alignFrom != null)
620       {
621         mapping = mp;
622         break;
623       }
624     }
625
626     if (alignFrom == null)
627     {
628       return false;
629     }
630     alignSequenceAs(seq, alignFrom, mapping, gap, al.getGapCharacter(),
631             preserveMappedGaps, preserveUnmappedGaps);
632     return true;
633   }
634
635   /**
636    * Align sequence 'alignTo' the same way as 'alignFrom', using the mapping to
637    * match residues and codons. Flags control whether existing gaps in unmapped
638    * (intron) and mapped (exon) regions are preserved or not. Gaps between
639    * intron and exon are only retained if both flags are set.
640    * 
641    * @param alignTo
642    * @param alignFrom
643    * @param mapping
644    * @param myGap
645    * @param sourceGap
646    * @param preserveUnmappedGaps
647    * @param preserveMappedGaps
648    */
649   public static void alignSequenceAs(SequenceI alignTo, SequenceI alignFrom,
650           AlignedCodonFrame mapping, String myGap, char sourceGap,
651           boolean preserveMappedGaps, boolean preserveUnmappedGaps)
652   {
653     // TODO generalise to work for Protein-Protein, dna-dna, dna-protein
654
655     // aligned and dataset sequence positions, all base zero
656     int thisSeqPos = 0;
657     int sourceDsPos = 0;
658
659     int basesWritten = 0;
660     char myGapChar = myGap.charAt(0);
661     int ratio = myGap.length();
662
663     int fromOffset = alignFrom.getStart() - 1;
664     int toOffset = alignTo.getStart() - 1;
665     int sourceGapMappedLength = 0;
666     boolean inExon = false;
667     final int toLength = alignTo.getLength();
668     final int fromLength = alignFrom.getLength();
669     StringBuilder thisAligned = new StringBuilder(2 * toLength);
670
671     /*
672      * Traverse the 'model' aligned sequence
673      */
674     for (int i = 0; i < fromLength; i++)
675     {
676       char sourceChar = alignFrom.getCharAt(i);
677       if (sourceChar == sourceGap)
678       {
679         sourceGapMappedLength += ratio;
680         continue;
681       }
682
683       /*
684        * Found a non-gap character. Locate its mapped region if any.
685        */
686       sourceDsPos++;
687       // Note mapping positions are base 1, our sequence positions base 0
688       int[] mappedPos = mapping.getMappedRegion(alignTo, alignFrom,
689               sourceDsPos + fromOffset);
690       if (mappedPos == null)
691       {
692         /*
693          * unmapped position; treat like a gap
694          */
695         sourceGapMappedLength += ratio;
696         // System.err.println("Can't align: no codon mapping to residue "
697         // + sourceDsPos + "(" + sourceChar + ")");
698         // return;
699         continue;
700       }
701
702       int mappedCodonStart = mappedPos[0]; // position (1...) of codon start
703       int mappedCodonEnd = mappedPos[mappedPos.length - 1]; // codon end pos
704       StringBuilder trailingCopiedGap = new StringBuilder();
705
706       /*
707        * Copy dna sequence up to and including this codon. Optionally, include
708        * gaps before the codon starts (in introns) and/or after the codon starts
709        * (in exons).
710        * 
711        * Note this only works for 'linear' splicing, not reverse or interleaved.
712        * But then 'align dna as protein' doesn't make much sense otherwise.
713        */
714       int intronLength = 0;
715       while (basesWritten + toOffset < mappedCodonEnd
716               && thisSeqPos < toLength)
717       {
718         final char c = alignTo.getCharAt(thisSeqPos++);
719         if (c != myGapChar)
720         {
721           basesWritten++;
722           int sourcePosition = basesWritten + toOffset;
723           if (sourcePosition < mappedCodonStart)
724           {
725             /*
726              * Found an unmapped (intron) base. First add in any preceding gaps
727              * (if wanted).
728              */
729             if (preserveUnmappedGaps && trailingCopiedGap.length() > 0)
730             {
731               thisAligned.append(trailingCopiedGap.toString());
732               intronLength += trailingCopiedGap.length();
733               trailingCopiedGap = new StringBuilder();
734             }
735             intronLength++;
736             inExon = false;
737           }
738           else
739           {
740             final boolean startOfCodon = sourcePosition == mappedCodonStart;
741             int gapsToAdd = calculateGapsToInsert(preserveMappedGaps,
742                     preserveUnmappedGaps, sourceGapMappedLength, inExon,
743                     trailingCopiedGap.length(), intronLength, startOfCodon);
744             for (int k = 0; k < gapsToAdd; k++)
745             {
746               thisAligned.append(myGapChar);
747             }
748             sourceGapMappedLength = 0;
749             inExon = true;
750           }
751           thisAligned.append(c);
752           trailingCopiedGap = new StringBuilder();
753         }
754         else
755         {
756           if (inExon && preserveMappedGaps)
757           {
758             trailingCopiedGap.append(myGapChar);
759           }
760           else if (!inExon && preserveUnmappedGaps)
761           {
762             trailingCopiedGap.append(myGapChar);
763           }
764         }
765       }
766     }
767
768     /*
769      * At end of model aligned sequence. Copy any remaining target sequence, optionally
770      * including (intron) gaps.
771      */
772     while (thisSeqPos < toLength)
773     {
774       final char c = alignTo.getCharAt(thisSeqPos++);
775       if (c != myGapChar || preserveUnmappedGaps)
776       {
777         thisAligned.append(c);
778       }
779       sourceGapMappedLength--;
780     }
781
782     /*
783      * finally add gaps to pad for any trailing source gaps or
784      * unmapped characters
785      */
786     if (preserveUnmappedGaps)
787     {
788       while (sourceGapMappedLength > 0)
789       {
790         thisAligned.append(myGapChar);
791         sourceGapMappedLength--;
792       }
793     }
794
795     /*
796      * All done aligning, set the aligned sequence.
797      */
798     alignTo.setSequence(new String(thisAligned));
799   }
800
801   /**
802    * Helper method to work out how many gaps to insert when realigning.
803    * 
804    * @param preserveMappedGaps
805    * @param preserveUnmappedGaps
806    * @param sourceGapMappedLength
807    * @param inExon
808    * @param trailingCopiedGap
809    * @param intronLength
810    * @param startOfCodon
811    * @return
812    */
813   protected static int calculateGapsToInsert(boolean preserveMappedGaps,
814           boolean preserveUnmappedGaps, int sourceGapMappedLength,
815           boolean inExon, int trailingGapLength, int intronLength,
816           final boolean startOfCodon)
817   {
818     int gapsToAdd = 0;
819     if (startOfCodon)
820     {
821       /*
822        * Reached start of codon. Ignore trailing gaps in intron unless we are
823        * preserving gaps in both exon and intron. Ignore them anyway if the
824        * protein alignment introduces a gap at least as large as the intronic
825        * region.
826        */
827       if (inExon && !preserveMappedGaps)
828       {
829         trailingGapLength = 0;
830       }
831       if (!inExon && !(preserveMappedGaps && preserveUnmappedGaps))
832       {
833         trailingGapLength = 0;
834       }
835       if (inExon)
836       {
837         gapsToAdd = Math.max(sourceGapMappedLength, trailingGapLength);
838       }
839       else
840       {
841         if (intronLength + trailingGapLength <= sourceGapMappedLength)
842         {
843           gapsToAdd = sourceGapMappedLength - intronLength;
844         }
845         else
846         {
847           gapsToAdd = Math.min(
848                   intronLength + trailingGapLength - sourceGapMappedLength,
849                   trailingGapLength);
850         }
851       }
852     }
853     else
854     {
855       /*
856        * second or third base of codon; check for any gaps in dna
857        */
858       if (!preserveMappedGaps)
859       {
860         trailingGapLength = 0;
861       }
862       gapsToAdd = Math.max(sourceGapMappedLength, trailingGapLength);
863     }
864     return gapsToAdd;
865   }
866
867   /**
868    * Realigns the given protein to match the alignment of the dna, using codon
869    * mappings to translate aligned codon positions to protein residues.
870    * 
871    * @param protein
872    *          the alignment whose sequences are realigned by this method
873    * @param dna
874    *          the dna alignment whose alignment we are 'copying'
875    * @return the number of sequences that were realigned
876    */
877   public static int alignProteinAsDna(AlignmentI protein, AlignmentI dna)
878   {
879     if (protein.isNucleotide() || !dna.isNucleotide())
880     {
881       System.err.println("Wrong alignment type in alignProteinAsDna");
882       return 0;
883     }
884     List<SequenceI> unmappedProtein = new ArrayList<>();
885     Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons = buildCodonColumnsMap(
886             protein, dna, unmappedProtein);
887     return alignProteinAs(protein, alignedCodons, unmappedProtein);
888   }
889
890   /**
891    * Realigns the given dna to match the alignment of the protein, using codon
892    * mappings to translate aligned peptide positions to codons.
893    * 
894    * Always produces a padded CDS alignment.
895    * 
896    * @param dna
897    *          the alignment whose sequences are realigned by this method
898    * @param protein
899    *          the protein alignment whose alignment we are 'copying'
900    * @return the number of sequences that were realigned
901    */
902   public static int alignCdsAsProtein(AlignmentI dna, AlignmentI protein)
903   {
904     if (protein.isNucleotide() || !dna.isNucleotide())
905     {
906       System.err.println("Wrong alignment type in alignProteinAsDna");
907       return 0;
908     }
909     // todo: implement this
910     List<AlignedCodonFrame> mappings = protein.getCodonFrames();
911     int alignedCount = 0;
912     int width = 0; // alignment width for padding CDS
913     for (SequenceI dnaSeq : dna.getSequences())
914     {
915       if (alignCdsSequenceAsProtein(dnaSeq, protein, mappings,
916               dna.getGapCharacter()))
917       {
918         alignedCount++;
919       }
920       width = Math.max(dnaSeq.getLength(), width);
921     }
922     int oldwidth;
923     int diff;
924     for (SequenceI dnaSeq : dna.getSequences())
925     {
926       oldwidth = dnaSeq.getLength();
927       diff = width - oldwidth;
928       if (diff > 0)
929       {
930         dnaSeq.insertCharAt(oldwidth, diff, dna.getGapCharacter());
931       }
932     }
933     return alignedCount;
934   }
935
936   /**
937    * Helper method to align (if possible) the dna sequence to match the
938    * alignment of a mapped protein sequence. This is currently limited to
939    * handling coding sequence only.
940    * 
941    * @param cdsSeq
942    * @param protein
943    * @param mappings
944    * @param gapChar
945    * @return
946    */
947   static boolean alignCdsSequenceAsProtein(SequenceI cdsSeq,
948           AlignmentI protein, List<AlignedCodonFrame> mappings,
949           char gapChar)
950   {
951     SequenceI cdsDss = cdsSeq.getDatasetSequence();
952     if (cdsDss == null)
953     {
954       System.err
955               .println("alignCdsSequenceAsProtein needs aligned sequence!");
956       return false;
957     }
958
959     List<AlignedCodonFrame> dnaMappings = MappingUtils
960             .findMappingsForSequence(cdsSeq, mappings);
961     for (AlignedCodonFrame mapping : dnaMappings)
962     {
963       SequenceI peptide = mapping.findAlignedSequence(cdsSeq, protein);
964       if (peptide != null)
965       {
966         final int peptideLength = peptide.getLength();
967         Mapping map = mapping.getMappingBetween(cdsSeq, peptide);
968         if (map != null)
969         {
970           MapList mapList = map.getMap();
971           if (map.getTo() == peptide.getDatasetSequence())
972           {
973             mapList = mapList.getInverse();
974           }
975           final int cdsLength = cdsDss.getLength();
976           int mappedFromLength = MappingUtils.getLength(mapList
977                   .getFromRanges());
978           int mappedToLength = MappingUtils
979                   .getLength(mapList.getToRanges());
980           boolean addStopCodon = (cdsLength == mappedFromLength
981                   * CODON_LENGTH + CODON_LENGTH)
982                   || (peptide.getDatasetSequence()
983                           .getLength() == mappedFromLength - 1);
984           if (cdsLength != mappedToLength && !addStopCodon)
985           {
986             System.err.println(String.format(
987                     "Can't align cds as protein (length mismatch %d/%d): %s",
988                     cdsLength, mappedToLength, cdsSeq.getName()));
989           }
990
991           /*
992            * pre-fill the aligned cds sequence with gaps
993            */
994           char[] alignedCds = new char[peptideLength * CODON_LENGTH
995                   + (addStopCodon ? CODON_LENGTH : 0)];
996           Arrays.fill(alignedCds, gapChar);
997
998           /*
999            * walk over the aligned peptide sequence and insert mapped 
1000            * codons for residues in the aligned cds sequence 
1001            */
1002           int copiedBases = 0;
1003           int cdsStart = cdsDss.getStart();
1004           int proteinPos = peptide.getStart() - 1;
1005           int cdsCol = 0;
1006
1007           for (int col = 0; col < peptideLength; col++)
1008           {
1009             char residue = peptide.getCharAt(col);
1010
1011             if (Comparison.isGap(residue))
1012             {
1013               cdsCol += CODON_LENGTH;
1014             }
1015             else
1016             {
1017               proteinPos++;
1018               int[] codon = mapList.locateInTo(proteinPos, proteinPos);
1019               if (codon == null)
1020               {
1021                 // e.g. incomplete start codon, X in peptide
1022                 cdsCol += CODON_LENGTH;
1023               }
1024               else
1025               {
1026                 for (int j = codon[0]; j <= codon[1]; j++)
1027                 {
1028                   char mappedBase = cdsDss.getCharAt(j - cdsStart);
1029                   alignedCds[cdsCol++] = mappedBase;
1030                   copiedBases++;
1031                 }
1032               }
1033             }
1034           }
1035
1036           /*
1037            * append stop codon if not mapped from protein,
1038            * closing it up to the end of the mapped sequence
1039            */
1040           if (copiedBases == cdsLength - CODON_LENGTH)
1041           {
1042             for (int i = alignedCds.length - 1; i >= 0; i--)
1043             {
1044               if (!Comparison.isGap(alignedCds[i]))
1045               {
1046                 cdsCol = i + 1; // gap just after end of sequence
1047                 break;
1048               }
1049             }
1050             for (int i = cdsLength - CODON_LENGTH; i < cdsLength; i++)
1051             {
1052               alignedCds[cdsCol++] = cdsDss.getCharAt(i);
1053             }
1054           }
1055           cdsSeq.setSequence(new String(alignedCds));
1056           return true;
1057         }
1058       }
1059     }
1060     return false;
1061   }
1062
1063   /**
1064    * Builds a map whose key is an aligned codon position (3 alignment column
1065    * numbers base 0), and whose value is a map from protein sequence to each
1066    * protein's peptide residue for that codon. The map generates an ordering of
1067    * the codons, and allows us to read off the peptides at each position in
1068    * order to assemble 'aligned' protein sequences.
1069    * 
1070    * @param protein
1071    *          the protein alignment
1072    * @param dna
1073    *          the coding dna alignment
1074    * @param unmappedProtein
1075    *          any unmapped proteins are added to this list
1076    * @return
1077    */
1078   protected static Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> buildCodonColumnsMap(
1079           AlignmentI protein, AlignmentI dna,
1080           List<SequenceI> unmappedProtein)
1081   {
1082     /*
1083      * maintain a list of any proteins with no mappings - these will be
1084      * rendered 'as is' in the protein alignment as we can't align them
1085      */
1086     unmappedProtein.addAll(protein.getSequences());
1087
1088     List<AlignedCodonFrame> mappings = protein.getCodonFrames();
1089
1090     /*
1091      * Map will hold, for each aligned codon position e.g. [3, 5, 6], a map of
1092      * {dnaSequence, {proteinSequence, codonProduct}} at that position. The
1093      * comparator keeps the codon positions ordered.
1094      */
1095     Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons = new TreeMap<>(
1096             new CodonComparator());
1097
1098     for (SequenceI dnaSeq : dna.getSequences())
1099     {
1100       for (AlignedCodonFrame mapping : mappings)
1101       {
1102         SequenceI prot = mapping.findAlignedSequence(dnaSeq, protein);
1103         if (prot != null)
1104         {
1105           Mapping seqMap = mapping.getMappingForSequence(dnaSeq);
1106           addCodonPositions(dnaSeq, prot, protein.getGapCharacter(), seqMap,
1107                   alignedCodons);
1108           unmappedProtein.remove(prot);
1109         }
1110       }
1111     }
1112
1113     /*
1114      * Finally add any unmapped peptide start residues (e.g. for incomplete
1115      * codons) as if at the codon position before the second residue
1116      */
1117     // TODO resolve JAL-2022 so this fudge can be removed
1118     int mappedSequenceCount = protein.getHeight() - unmappedProtein.size();
1119     addUnmappedPeptideStarts(alignedCodons, mappedSequenceCount);
1120
1121     return alignedCodons;
1122   }
1123
1124   /**
1125    * Scans for any protein mapped from position 2 (meaning unmapped start
1126    * position e.g. an incomplete codon), and synthesizes a 'codon' for it at the
1127    * preceding position in the alignment
1128    * 
1129    * @param alignedCodons
1130    *          the codon-to-peptide map
1131    * @param mappedSequenceCount
1132    *          the number of distinct sequences in the map
1133    */
1134   protected static void addUnmappedPeptideStarts(
1135           Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons,
1136           int mappedSequenceCount)
1137   {
1138     // TODO delete this ugly hack once JAL-2022 is resolved
1139     // i.e. we can model startPhase > 0 (incomplete start codon)
1140
1141     List<SequenceI> sequencesChecked = new ArrayList<>();
1142     AlignedCodon lastCodon = null;
1143     Map<SequenceI, AlignedCodon> toAdd = new HashMap<>();
1144
1145     for (Entry<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> entry : alignedCodons
1146             .entrySet())
1147     {
1148       for (Entry<SequenceI, AlignedCodon> sequenceCodon : entry.getValue()
1149               .entrySet())
1150       {
1151         SequenceI seq = sequenceCodon.getKey();
1152         if (sequencesChecked.contains(seq))
1153         {
1154           continue;
1155         }
1156         sequencesChecked.add(seq);
1157         AlignedCodon codon = sequenceCodon.getValue();
1158         if (codon.peptideCol > 1)
1159         {
1160           System.err.println(
1161                   "Problem mapping protein with >1 unmapped start positions: "
1162                           + seq.getName());
1163         }
1164         else if (codon.peptideCol == 1)
1165         {
1166           /*
1167            * first position (peptideCol == 0) was unmapped - add it
1168            */
1169           if (lastCodon != null)
1170           {
1171             AlignedCodon firstPeptide = new AlignedCodon(lastCodon.pos1,
1172                     lastCodon.pos2, lastCodon.pos3,
1173                     String.valueOf(seq.getCharAt(0)), 0);
1174             toAdd.put(seq, firstPeptide);
1175           }
1176           else
1177           {
1178             /*
1179              * unmapped residue at start of alignment (no prior column) -
1180              * 'insert' at nominal codon [0, 0, 0]
1181              */
1182             AlignedCodon firstPeptide = new AlignedCodon(0, 0, 0,
1183                     String.valueOf(seq.getCharAt(0)), 0);
1184             toAdd.put(seq, firstPeptide);
1185           }
1186         }
1187         if (sequencesChecked.size() == mappedSequenceCount)
1188         {
1189           // no need to check past first mapped position in all sequences
1190           break;
1191         }
1192       }
1193       lastCodon = entry.getKey();
1194     }
1195
1196     /*
1197      * add any new codons safely after iterating over the map
1198      */
1199     for (Entry<SequenceI, AlignedCodon> startCodon : toAdd.entrySet())
1200     {
1201       addCodonToMap(alignedCodons, startCodon.getValue(),
1202               startCodon.getKey());
1203     }
1204   }
1205
1206   /**
1207    * Update the aligned protein sequences to match the codon alignments given in
1208    * the map.
1209    * 
1210    * @param protein
1211    * @param alignedCodons
1212    *          an ordered map of codon positions (columns), with sequence/peptide
1213    *          values present in each column
1214    * @param unmappedProtein
1215    * @return
1216    */
1217   protected static int alignProteinAs(AlignmentI protein,
1218           Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons,
1219           List<SequenceI> unmappedProtein)
1220   {
1221     /*
1222      * prefill peptide sequences with gaps 
1223      */
1224     int alignedWidth = alignedCodons.size();
1225     char[] gaps = new char[alignedWidth];
1226     Arrays.fill(gaps, protein.getGapCharacter());
1227     Map<SequenceI, char[]> peptides = new HashMap<>();
1228     for (SequenceI seq : protein.getSequences())
1229     {
1230       if (!unmappedProtein.contains(seq))
1231       {
1232         peptides.put(seq, Arrays.copyOf(gaps, gaps.length));
1233       }
1234     }
1235
1236     /*
1237      * Traverse the codons left to right (as defined by CodonComparator)
1238      * and insert peptides in each column where the sequence is mapped.
1239      * This gives a peptide 'alignment' where residues are aligned if their
1240      * corresponding codons occupy the same columns in the cdna alignment.
1241      */
1242     int column = 0;
1243     for (AlignedCodon codon : alignedCodons.keySet())
1244     {
1245       final Map<SequenceI, AlignedCodon> columnResidues = alignedCodons
1246               .get(codon);
1247       for (Entry<SequenceI, AlignedCodon> entry : columnResidues.entrySet())
1248       {
1249         char residue = entry.getValue().product.charAt(0);
1250         peptides.get(entry.getKey())[column] = residue;
1251       }
1252       column++;
1253     }
1254
1255     /*
1256      * and finally set the constructed sequences
1257      */
1258     for (Entry<SequenceI, char[]> entry : peptides.entrySet())
1259     {
1260       entry.getKey().setSequence(new String(entry.getValue()));
1261     }
1262
1263     return 0;
1264   }
1265
1266   /**
1267    * Populate the map of aligned codons by traversing the given sequence
1268    * mapping, locating the aligned positions of mapped codons, and adding those
1269    * positions and their translation products to the map.
1270    * 
1271    * @param dna
1272    *          the aligned sequence we are mapping from
1273    * @param protein
1274    *          the sequence to be aligned to the codons
1275    * @param gapChar
1276    *          the gap character in the dna sequence
1277    * @param seqMap
1278    *          a mapping to a sequence translation
1279    * @param alignedCodons
1280    *          the map we are building up
1281    */
1282   static void addCodonPositions(SequenceI dna, SequenceI protein,
1283           char gapChar, Mapping seqMap,
1284           Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons)
1285   {
1286     Iterator<AlignedCodon> codons = seqMap.getCodonIterator(dna, gapChar);
1287
1288     /*
1289      * add codon positions, and their peptide translations, to the alignment
1290      * map, while remembering the first codon mapped
1291      */
1292     while (codons.hasNext())
1293     {
1294       try
1295       {
1296         AlignedCodon codon = codons.next();
1297         addCodonToMap(alignedCodons, codon, protein);
1298       } catch (IncompleteCodonException e)
1299       {
1300         // possible incomplete trailing codon - ignore
1301       } catch (NoSuchElementException e)
1302       {
1303         // possibly peptide lacking STOP
1304       }
1305     }
1306   }
1307
1308   /**
1309    * Helper method to add a codon-to-peptide entry to the aligned codons map
1310    * 
1311    * @param alignedCodons
1312    * @param codon
1313    * @param protein
1314    */
1315   protected static void addCodonToMap(
1316           Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons,
1317           AlignedCodon codon, SequenceI protein)
1318   {
1319     Map<SequenceI, AlignedCodon> seqProduct = alignedCodons.get(codon);
1320     if (seqProduct == null)
1321     {
1322       seqProduct = new HashMap<>();
1323       alignedCodons.put(codon, seqProduct);
1324     }
1325     seqProduct.put(protein, codon);
1326   }
1327
1328   /**
1329    * Returns true if a cDNA/Protein mapping either exists, or could be made,
1330    * between at least one pair of sequences in the two alignments. Currently,
1331    * the logic is:
1332    * <ul>
1333    * <li>One alignment must be nucleotide, and the other protein</li>
1334    * <li>At least one pair of sequences must be already mapped, or mappable</li>
1335    * <li>Mappable means the nucleotide translation matches the protein
1336    * sequence</li>
1337    * <li>The translation may ignore start and stop codons if present in the
1338    * nucleotide</li>
1339    * </ul>
1340    * 
1341    * @param al1
1342    * @param al2
1343    * @return
1344    */
1345   public static boolean isMappable(AlignmentI al1, AlignmentI al2)
1346   {
1347     if (al1 == null || al2 == null)
1348     {
1349       return false;
1350     }
1351
1352     /*
1353      * Require one nucleotide and one protein
1354      */
1355     if (al1.isNucleotide() == al2.isNucleotide())
1356     {
1357       return false;
1358     }
1359     AlignmentI dna = al1.isNucleotide() ? al1 : al2;
1360     AlignmentI protein = dna == al1 ? al2 : al1;
1361     List<AlignedCodonFrame> mappings = protein.getCodonFrames();
1362     for (SequenceI dnaSeq : dna.getSequences())
1363     {
1364       for (SequenceI proteinSeq : protein.getSequences())
1365       {
1366         if (isMappable(dnaSeq, proteinSeq, mappings))
1367         {
1368           return true;
1369         }
1370       }
1371     }
1372     return false;
1373   }
1374
1375   /**
1376    * Returns true if the dna sequence is mapped, or could be mapped, to the
1377    * protein sequence.
1378    * 
1379    * @param dnaSeq
1380    * @param proteinSeq
1381    * @param mappings
1382    * @return
1383    */
1384   protected static boolean isMappable(SequenceI dnaSeq,
1385           SequenceI proteinSeq, List<AlignedCodonFrame> mappings)
1386   {
1387     if (dnaSeq == null || proteinSeq == null)
1388     {
1389       return false;
1390     }
1391
1392     SequenceI dnaDs = dnaSeq.getDatasetSequence() == null ? dnaSeq
1393             : dnaSeq.getDatasetSequence();
1394     SequenceI proteinDs = proteinSeq.getDatasetSequence() == null
1395             ? proteinSeq
1396             : proteinSeq.getDatasetSequence();
1397
1398     for (AlignedCodonFrame mapping : mappings)
1399     {
1400       if (proteinDs == mapping.getAaForDnaSeq(dnaDs))
1401       {
1402         /*
1403          * already mapped
1404          */
1405         return true;
1406       }
1407     }
1408
1409     /*
1410      * Just try to make a mapping (it is not yet stored), test whether
1411      * successful.
1412      */
1413     return mapCdnaToProtein(proteinDs, dnaDs) != null;
1414   }
1415
1416   /**
1417    * Finds any reference annotations associated with the sequences in
1418    * sequenceScope, that are not already added to the alignment, and adds them
1419    * to the 'candidates' map. Also populates a lookup table of annotation
1420    * labels, keyed by calcId, for use in constructing tooltips or the like.
1421    * 
1422    * @param sequenceScope
1423    *          the sequences to scan for reference annotations
1424    * @param labelForCalcId
1425    *          (optional) map to populate with label for calcId
1426    * @param candidates
1427    *          map to populate with annotations for sequence
1428    * @param al
1429    *          the alignment to check for presence of annotations
1430    */
1431   public static void findAddableReferenceAnnotations(
1432           List<SequenceI> sequenceScope, Map<String, String> labelForCalcId,
1433           final Map<SequenceI, List<AlignmentAnnotation>> candidates,
1434           AlignmentI al)
1435   {
1436     if (sequenceScope == null)
1437     {
1438       return;
1439     }
1440
1441     /*
1442      * For each sequence in scope, make a list of any annotations on the
1443      * underlying dataset sequence which are not already on the alignment.
1444      * 
1445      * Add to a map of { alignmentSequence, <List of annotations to add> }
1446      */
1447     for (SequenceI seq : sequenceScope)
1448     {
1449       SequenceI dataset = seq.getDatasetSequence();
1450       if (dataset == null)
1451       {
1452         continue;
1453       }
1454       AlignmentAnnotation[] datasetAnnotations = dataset.getAnnotation();
1455       if (datasetAnnotations == null)
1456       {
1457         continue;
1458       }
1459       final List<AlignmentAnnotation> result = new ArrayList<>();
1460       for (AlignmentAnnotation dsann : datasetAnnotations)
1461       {
1462         if (dsann.annotations != null) // ignore non-positional annotation
1463         {
1464           /*
1465            * Find matching annotations on the alignment. If none is found, then
1466            * add this annotation to the list of 'addable' annotations for this
1467            * sequence.
1468            */
1469           final Iterable<AlignmentAnnotation> matchedAlignmentAnnotations = al
1470                   .findAnnotations(seq, dsann.getCalcId(), dsann.label);
1471           if (!matchedAlignmentAnnotations.iterator().hasNext())
1472           {
1473             result.add(dsann);
1474             if (labelForCalcId != null)
1475             {
1476               labelForCalcId.put(dsann.getCalcId(), dsann.label);
1477             }
1478           }
1479         }
1480         /*
1481          * Save any addable annotations for this sequence
1482          */
1483         if (!result.isEmpty())
1484         {
1485           candidates.put(seq, result);
1486         }
1487       }
1488     }
1489   }
1490
1491   /**
1492    * Adds annotations to the top of the alignment annotations, in the same order
1493    * as their related sequences.
1494    * 
1495    * @param annotations
1496    *          the annotations to add
1497    * @param alignment
1498    *          the alignment to add them to
1499    * @param selectionGroup
1500    *          current selection group (or null if none)
1501    */
1502   public static void addReferenceAnnotations(
1503           Map<SequenceI, List<AlignmentAnnotation>> annotations,
1504           final AlignmentI alignment, final SequenceGroup selectionGroup)
1505   {
1506     for (SequenceI seq : annotations.keySet())
1507     {
1508       for (AlignmentAnnotation ann : annotations.get(seq))
1509       {
1510         AlignmentAnnotation copyAnn = new AlignmentAnnotation(ann);
1511         int startRes = 0;
1512         int endRes = ann.annotations.length;
1513         if (selectionGroup != null)
1514         {
1515           startRes = selectionGroup.getStartRes();
1516           endRes = selectionGroup.getEndRes();
1517         }
1518         copyAnn.restrict(startRes, endRes);
1519
1520         /*
1521          * Add to the sequence (sets copyAnn.datasetSequence), unless the
1522          * original annotation is already on the sequence.
1523          */
1524         if (!seq.hasAnnotation(ann))
1525         {
1526           seq.addAlignmentAnnotation(copyAnn);
1527         }
1528         // adjust for gaps
1529         copyAnn.adjustForAlignment();
1530         // add to the alignment and set visible
1531         alignment.addAnnotation(copyAnn);
1532         copyAnn.visible = true;
1533       }
1534     }
1535   }
1536
1537   /**
1538    * Set visibility of alignment annotations of specified types (labels), for
1539    * specified sequences. This supports controls like "Show all secondary
1540    * structure", "Hide all Temp factor", etc.
1541    * 
1542    * @al the alignment to scan for annotations
1543    * @param types
1544    *          the types (labels) of annotations to be updated
1545    * @param forSequences
1546    *          if not null, only annotations linked to one of these sequences are
1547    *          in scope for update; if null, acts on all sequence annotations
1548    * @param anyType
1549    *          if this flag is true, 'types' is ignored (label not checked)
1550    * @param doShow
1551    *          if true, set visibility on, else set off
1552    */
1553   public static void showOrHideSequenceAnnotations(AlignmentI al,
1554           Collection<String> types, List<SequenceI> forSequences,
1555           boolean anyType, boolean doShow)
1556   {
1557     AlignmentAnnotation[] anns = al.getAlignmentAnnotation();
1558     if (anns != null)
1559     {
1560       for (AlignmentAnnotation aa : anns)
1561       {
1562         if (anyType || types.contains(aa.label))
1563         {
1564           if ((aa.sequenceRef != null) && (forSequences == null
1565                   || forSequences.contains(aa.sequenceRef)))
1566           {
1567             aa.visible = doShow;
1568           }
1569         }
1570       }
1571     }
1572   }
1573
1574   /**
1575    * Returns true if either sequence has a cross-reference to the other
1576    * 
1577    * @param seq1
1578    * @param seq2
1579    * @return
1580    */
1581   public static boolean haveCrossRef(SequenceI seq1, SequenceI seq2)
1582   {
1583     // Note: moved here from class CrossRef as the latter class has dependencies
1584     // not availability to the applet's classpath
1585     return hasCrossRef(seq1, seq2) || hasCrossRef(seq2, seq1);
1586   }
1587
1588   /**
1589    * Returns true if seq1 has a cross-reference to seq2. Currently this assumes
1590    * that sequence name is structured as Source|AccessionId.
1591    * 
1592    * @param seq1
1593    * @param seq2
1594    * @return
1595    */
1596   public static boolean hasCrossRef(SequenceI seq1, SequenceI seq2)
1597   {
1598     if (seq1 == null || seq2 == null)
1599     {
1600       return false;
1601     }
1602     String name = seq2.getName();
1603     final List<DBRefEntry> xrefs = seq1.getDBRefs();
1604     if (xrefs != null)
1605     {
1606       for (int ix = 0, nx = xrefs.size(); ix < nx; ix++)
1607       {
1608         DBRefEntry xref = xrefs.get(ix);
1609         String xrefName = xref.getSource() + "|" + xref.getAccessionId();
1610         // case-insensitive test, consistent with DBRefEntry.equalRef()
1611         if (xrefName.equalsIgnoreCase(name))
1612         {
1613           return true;
1614         }
1615       }
1616     }
1617     return false;
1618   }
1619
1620   /**
1621    * Constructs an alignment consisting of the mapped (CDS) regions in the given
1622    * nucleotide sequences, and updates mappings to match. The CDS sequences are
1623    * added to the original alignment's dataset, which is shared by the new
1624    * alignment. Mappings from nucleotide to CDS, and from CDS to protein, are
1625    * added to the alignment dataset.
1626    * 
1627    * @param dna
1628    *          aligned nucleotide (dna or cds) sequences
1629    * @param dataset
1630    *          the alignment dataset the sequences belong to
1631    * @param products
1632    *          (optional) to restrict results to CDS that map to specified
1633    *          protein products
1634    * @return an alignment whose sequences are the cds-only parts of the dna
1635    *         sequences (or null if no mappings are found)
1636    */
1637   public static AlignmentI makeCdsAlignment(SequenceI[] dna,
1638           AlignmentI dataset, SequenceI[] products)
1639   {
1640     if (dataset == null || dataset.getDataset() != null)
1641     {
1642       throw new IllegalArgumentException(
1643               "IMPLEMENTATION ERROR: dataset.getDataset() must be null!");
1644     }
1645     List<SequenceI> foundSeqs = new ArrayList<>();
1646     List<SequenceI> cdsSeqs = new ArrayList<>();
1647     List<AlignedCodonFrame> mappings = dataset.getCodonFrames();
1648     HashSet<SequenceI> productSeqs = null;
1649     if (products != null)
1650     {
1651       productSeqs = new HashSet<>();
1652       for (SequenceI seq : products)
1653       {
1654         productSeqs.add(seq.getDatasetSequence() == null ? seq : seq
1655                 .getDatasetSequence());
1656       }
1657     }
1658
1659     /*
1660      * Construct CDS sequences from mappings on the alignment dataset.
1661      * The logic is:
1662      * - find the protein product(s) mapped to from each dna sequence
1663      * - if the mapping covers the whole dna sequence (give or take start/stop
1664      *   codon), take the dna as the CDS sequence
1665      * - else search dataset mappings for a suitable dna sequence, i.e. one
1666      *   whose whole sequence is mapped to the protein 
1667      * - if no sequence found, construct one from the dna sequence and mapping
1668      *   (and add it to dataset so it is found if this is repeated)
1669      */
1670     for (SequenceI dnaSeq : dna)
1671     {
1672       SequenceI dnaDss = dnaSeq.getDatasetSequence() == null ? dnaSeq
1673               : dnaSeq.getDatasetSequence();
1674
1675       List<AlignedCodonFrame> seqMappings = MappingUtils
1676               .findMappingsForSequence(dnaSeq, mappings);
1677       for (AlignedCodonFrame mapping : seqMappings)
1678       {
1679         List<Mapping> mappingsFromSequence = mapping
1680                 .getMappingsFromSequence(dnaSeq);
1681
1682         for (Mapping aMapping : mappingsFromSequence)
1683         {
1684           MapList mapList = aMapping.getMap();
1685           if (mapList.getFromRatio() == 1)
1686           {
1687             /*
1688              * not a dna-to-protein mapping (likely dna-to-cds)
1689              */
1690             continue;
1691           }
1692
1693           /*
1694            * skip if mapping is not to one of the target set of proteins
1695            */
1696           SequenceI proteinProduct = aMapping.getTo();
1697           if (productSeqs != null && !productSeqs.contains(proteinProduct))
1698           {
1699             continue;
1700           }
1701
1702           /*
1703            * try to locate the CDS from the dataset mappings;
1704            * guard against duplicate results (for the case that protein has
1705            * dbrefs to both dna and cds sequences)
1706            */
1707           SequenceI cdsSeq = findCdsForProtein(mappings, dnaSeq,
1708                   seqMappings, aMapping);
1709           if (cdsSeq != null)
1710           {
1711             if (!foundSeqs.contains(cdsSeq))
1712             {
1713               foundSeqs.add(cdsSeq);
1714               SequenceI derivedSequence = cdsSeq.deriveSequence();
1715               cdsSeqs.add(derivedSequence);
1716               if (!dataset.getSequences().contains(cdsSeq))
1717               {
1718                 dataset.addSequence(cdsSeq);
1719               }
1720             }
1721             continue;
1722           }
1723
1724           /*
1725            * didn't find mapped CDS sequence - construct it and add
1726            * its dataset sequence to the dataset
1727            */
1728           cdsSeq = makeCdsSequence(dnaSeq.getDatasetSequence(), aMapping,
1729                   dataset).deriveSequence();
1730           // cdsSeq has a name constructed as CDS|<dbref>
1731           // <dbref> will be either the accession for the coding sequence,
1732           // marked in the /via/ dbref to the protein product accession
1733           // or it will be the original nucleotide accession.
1734           SequenceI cdsSeqDss = cdsSeq.getDatasetSequence();
1735
1736           cdsSeqs.add(cdsSeq);
1737
1738           /*
1739            * build the mapping from CDS to protein
1740            */
1741           List<int[]> cdsRange = Collections
1742                   .singletonList(new int[]
1743                   { cdsSeq.getStart(),
1744                       cdsSeq.getLength() + cdsSeq.getStart() - 1 });
1745           MapList cdsToProteinMap = new MapList(cdsRange,
1746                   mapList.getToRanges(), mapList.getFromRatio(),
1747                   mapList.getToRatio());
1748
1749           if (!dataset.getSequences().contains(cdsSeqDss))
1750           {
1751             /*
1752              * if this sequence is a newly created one, add it to the dataset
1753              * and made a CDS to protein mapping (if sequence already exists,
1754              * CDS-to-protein mapping _is_ the transcript-to-protein mapping)
1755              */
1756             dataset.addSequence(cdsSeqDss);
1757             AlignedCodonFrame cdsToProteinMapping = new AlignedCodonFrame();
1758             cdsToProteinMapping.addMap(cdsSeqDss, proteinProduct,
1759                   cdsToProteinMap);
1760
1761             /*
1762              * guard against duplicating the mapping if repeating this action
1763              */
1764             if (!mappings.contains(cdsToProteinMapping))
1765             {
1766               mappings.add(cdsToProteinMapping);
1767             }
1768           }
1769
1770           propagateDBRefsToCDS(cdsSeqDss, dnaSeq.getDatasetSequence(),
1771                   proteinProduct, aMapping);
1772           /*
1773            * add another mapping from original 'from' range to CDS
1774            */
1775           AlignedCodonFrame dnaToCdsMapping = new AlignedCodonFrame();
1776           final MapList dnaToCdsMap = new MapList(mapList.getFromRanges(),
1777                   cdsRange, 1, 1);
1778           dnaToCdsMapping.addMap(dnaSeq.getDatasetSequence(), cdsSeqDss,
1779                   dnaToCdsMap);
1780           if (!mappings.contains(dnaToCdsMapping))
1781           {
1782             mappings.add(dnaToCdsMapping);
1783           }
1784
1785           /*
1786            * transfer dna chromosomal loci (if known) to the CDS
1787            * sequence (via the mapping)
1788            */
1789           final MapList cdsToDnaMap = dnaToCdsMap.getInverse();
1790           transferGeneLoci(dnaSeq, cdsToDnaMap, cdsSeq);
1791
1792           /*
1793            * add DBRef with mapping from protein to CDS
1794            * (this enables Get Cross-References from protein alignment)
1795            * This is tricky because we can't have two DBRefs with the
1796            * same source and accession, so need a different accession for
1797            * the CDS from the dna sequence
1798            */
1799
1800           // specific use case:
1801           // Genomic contig ENSCHR:1, contains coding regions for ENSG01,
1802           // ENSG02, ENSG03, with transcripts and products similarly named.
1803           // cannot add distinct dbrefs mapping location on ENSCHR:1 to ENSG01
1804
1805           // JBPNote: ?? can't actually create an example that demonstrates we
1806           // need to
1807           // synthesize an xref.
1808
1809           List<DBRefEntry> primrefs = dnaDss.getPrimaryDBRefs();
1810           for (int ip = 0, np = primrefs.size(); ip < np; ip++)
1811           {
1812                   DBRefEntry primRef = primrefs.get(ip);
1813             /*
1814              * create a cross-reference from CDS to the source sequence's
1815              * primary reference and vice versa
1816              */
1817             String source = primRef.getSource();
1818             String version = primRef.getVersion();
1819             DBRefEntry cdsCrossRef = new DBRefEntry(source, source + ":"
1820                     + version, primRef.getAccessionId());
1821             cdsCrossRef.setMap(new Mapping(dnaDss, new MapList(cdsToDnaMap)));
1822             cdsSeqDss.addDBRef(cdsCrossRef);
1823
1824             dnaSeq.addDBRef(new DBRefEntry(source, version, cdsSeq
1825                     .getName(), new Mapping(cdsSeqDss, dnaToCdsMap)));
1826             // problem here is that the cross-reference is synthesized -
1827             // cdsSeq.getName() may be like 'CDS|dnaaccession' or
1828             // 'CDS|emblcdsacc'
1829             // assuming cds version same as dna ?!?
1830
1831             DBRefEntry proteinToCdsRef = new DBRefEntry(source, version,
1832                     cdsSeq.getName());
1833             //
1834             proteinToCdsRef.setMap(new Mapping(cdsSeqDss, cdsToProteinMap
1835                     .getInverse()));
1836             proteinProduct.addDBRef(proteinToCdsRef);
1837           }
1838           /*
1839            * transfer any features on dna that overlap the CDS
1840            */
1841           transferFeatures(dnaSeq, cdsSeq, dnaToCdsMap, null,
1842                   SequenceOntologyI.CDS);
1843         }
1844       }
1845     }
1846
1847     AlignmentI cds = new Alignment(cdsSeqs.toArray(new SequenceI[cdsSeqs
1848             .size()]));
1849     cds.setDataset(dataset);
1850
1851     return cds;
1852   }
1853
1854   /**
1855    * Tries to transfer gene loci (dbref to chromosome positions) from fromSeq to
1856    * toSeq, mediated by the given mapping between the sequences
1857    * 
1858    * @param fromSeq
1859    * @param targetToFrom
1860    *          Map
1861    * @param targetSeq
1862    */
1863   protected static void transferGeneLoci(SequenceI fromSeq,
1864           MapList targetToFrom, SequenceI targetSeq)
1865   {
1866     if (targetSeq.getGeneLoci() != null)
1867     {
1868       // already have - don't override
1869       return;
1870     }
1871     GeneLociI fromLoci = fromSeq.getGeneLoci();
1872     if (fromLoci == null)
1873     {
1874       return;
1875     }
1876
1877     MapList newMap = targetToFrom.traverse(fromLoci.getMapping());
1878
1879     if (newMap != null)
1880     {
1881       targetSeq.setGeneLoci(fromLoci.getSpeciesId(),
1882               fromLoci.getAssemblyId(), fromLoci.getChromosomeId(), newMap);
1883     }
1884   }
1885
1886   /**
1887    * A helper method that finds a CDS sequence in the alignment dataset that is
1888    * mapped to the given protein sequence, and either is, or has a mapping from,
1889    * the given dna sequence.
1890    * 
1891    * @param mappings
1892    *          set of all mappings on the dataset
1893    * @param dnaSeq
1894    *          a dna (or cds) sequence we are searching from
1895    * @param seqMappings
1896    *          the set of mappings involving dnaSeq
1897    * @param aMapping
1898    *          a transcript-to-peptide mapping
1899    * @return
1900    */
1901   static SequenceI findCdsForProtein(List<AlignedCodonFrame> mappings,
1902           SequenceI dnaSeq, List<AlignedCodonFrame> seqMappings,
1903           Mapping aMapping)
1904   {
1905     /*
1906      * TODO a better dna-cds-protein mapping data representation to allow easy
1907      * navigation; until then this clunky looping around lists of mappings
1908      */
1909     SequenceI seqDss = dnaSeq.getDatasetSequence() == null ? dnaSeq
1910             : dnaSeq.getDatasetSequence();
1911     SequenceI proteinProduct = aMapping.getTo();
1912
1913     /*
1914      * is this mapping from the whole dna sequence (i.e. CDS)?
1915      * allowing for possible stop codon on dna but not peptide
1916      */
1917     int mappedFromLength = MappingUtils
1918             .getLength(aMapping.getMap().getFromRanges());
1919     int dnaLength = seqDss.getLength();
1920     if (mappedFromLength == dnaLength
1921             || mappedFromLength == dnaLength - CODON_LENGTH)
1922     {
1923       /*
1924        * if sequence has CDS features, this is a transcript with no UTR
1925        * - do not take this as the CDS sequence! (JAL-2789)
1926        */
1927       if (seqDss.getFeatures().getFeaturesByOntology(SequenceOntologyI.CDS)
1928               .isEmpty())
1929       {
1930         return seqDss;
1931       }
1932     }
1933
1934     /*
1935      * looks like we found the dna-to-protein mapping; search for the
1936      * corresponding cds-to-protein mapping
1937      */
1938     List<AlignedCodonFrame> mappingsToPeptide = MappingUtils
1939             .findMappingsForSequence(proteinProduct, mappings);
1940     for (AlignedCodonFrame acf : mappingsToPeptide)
1941     {
1942       for (SequenceToSequenceMapping map : acf.getMappings())
1943       {
1944         Mapping mapping = map.getMapping();
1945         if (mapping != aMapping
1946                 && mapping.getMap().getFromRatio() == CODON_LENGTH
1947                 && proteinProduct == mapping.getTo()
1948                 && seqDss != map.getFromSeq())
1949         {
1950           mappedFromLength = MappingUtils
1951                   .getLength(mapping.getMap().getFromRanges());
1952           if (mappedFromLength == map.getFromSeq().getLength())
1953           {
1954             /*
1955             * found a 3:1 mapping to the protein product which covers
1956             * the whole dna sequence i.e. is from CDS; finally check the CDS
1957             * is mapped from the given dna start sequence
1958             */
1959             SequenceI cdsSeq = map.getFromSeq();
1960             // todo this test is weak if seqMappings contains multiple mappings;
1961             // we get away with it if transcript:cds relationship is 1:1
1962             List<AlignedCodonFrame> dnaToCdsMaps = MappingUtils
1963                     .findMappingsForSequence(cdsSeq, seqMappings);
1964             if (!dnaToCdsMaps.isEmpty())
1965             {
1966               return cdsSeq;
1967             }
1968           }
1969         }
1970       }
1971     }
1972     return null;
1973   }
1974
1975   /**
1976    * Helper method that makes a CDS sequence as defined by the mappings from the
1977    * given sequence i.e. extracts the 'mapped from' ranges (which may be on
1978    * forward or reverse strand).
1979    * 
1980    * @param seq
1981    * @param mapping
1982    * @param dataset
1983    *          - existing dataset. We check for sequences that look like the CDS
1984    *          we are about to construct, if one exists already, then we will
1985    *          just return that one.
1986    * @return CDS sequence (as a dataset sequence)
1987    */
1988   static SequenceI makeCdsSequence(SequenceI seq, Mapping mapping,
1989           AlignmentI dataset)
1990   {
1991     /*
1992      * construct CDS sequence name as "CDS|" with 'from id' held in the mapping
1993      * if set (e.g. EMBL protein_id), else sequence name appended
1994      */
1995     String mapFromId = mapping.getMappedFromId();
1996     final String seqId = "CDS|"
1997             + (mapFromId != null ? mapFromId : seq.getName());
1998
1999     SequenceI newSeq = null;
2000
2001     final MapList maplist = mapping.getMap();
2002     if (maplist.isContiguous() && maplist.isFromForwardStrand())
2003     {
2004       /*
2005        * just a subsequence, keep same dataset sequence
2006        */
2007       int start = maplist.getFromLowest();
2008       int end = maplist.getFromHighest();
2009       newSeq = seq.getSubSequence(start - 1, end);
2010       newSeq.setName(seqId);
2011     }
2012     else
2013     {
2014       /*
2015        * construct by splicing mapped from ranges
2016        */
2017       char[] seqChars = seq.getSequence();
2018       List<int[]> fromRanges = maplist.getFromRanges();
2019       int cdsWidth = MappingUtils.getLength(fromRanges);
2020       char[] newSeqChars = new char[cdsWidth];
2021
2022       int newPos = 0;
2023       for (int[] range : fromRanges)
2024       {
2025         if (range[0] <= range[1])
2026         {
2027           // forward strand mapping - just copy the range
2028           int length = range[1] - range[0] + 1;
2029           System.arraycopy(seqChars, range[0] - 1, newSeqChars, newPos,
2030                   length);
2031           newPos += length;
2032         }
2033         else
2034         {
2035           // reverse strand mapping - copy and complement one by one
2036           for (int i = range[0]; i >= range[1]; i--)
2037           {
2038             newSeqChars[newPos++] = Dna.getComplement(seqChars[i - 1]);
2039           }
2040         }
2041       }
2042
2043       newSeq = new Sequence(seqId, newSeqChars, 1, newPos);
2044     }
2045
2046     if (dataset != null)
2047     {
2048       SequenceI[] matches = dataset.findSequenceMatch(newSeq.getName());
2049       if (matches != null)
2050       {
2051         boolean matched = false;
2052         for (SequenceI mtch : matches)
2053         {
2054           if (mtch.getStart() != newSeq.getStart())
2055           {
2056             continue;
2057           }
2058           if (mtch.getEnd() != newSeq.getEnd())
2059           {
2060             continue;
2061           }
2062           if (!Arrays.equals(mtch.getSequence(), newSeq.getSequence()))
2063           {
2064             continue;
2065           }
2066           if (!matched)
2067           {
2068             matched = true;
2069             newSeq = mtch;
2070           }
2071           else
2072           {
2073             System.err.println(
2074                     "JAL-2154 regression: warning - found (and ignnored a duplicate CDS sequence):"
2075                             + mtch.toString());
2076           }
2077         }
2078       }
2079     }
2080     // newSeq.setDescription(mapFromId);
2081
2082     return newSeq;
2083   }
2084
2085   /**
2086    * Adds any DBRefEntrys to cdsSeq from contig that have a Mapping congruent to
2087    * the given mapping.
2088    * 
2089    * @param cdsSeq
2090    * @param contig
2091    * @param proteinProduct
2092    * @param mapping
2093    * @return list of DBRefEntrys added
2094    */
2095   protected static List<DBRefEntry> propagateDBRefsToCDS(SequenceI cdsSeq,
2096           SequenceI contig, SequenceI proteinProduct, Mapping mapping)
2097   {
2098
2099     // gather direct refs from contig congruent with mapping
2100     List<DBRefEntry> direct = new ArrayList<>();
2101     HashSet<String> directSources = new HashSet<>();
2102
2103     List<DBRefEntry> refs = contig.getDBRefs();
2104     if (refs != null)
2105     {
2106       for (int ib = 0, nb = refs.size(); ib < nb; ib++)
2107       {
2108         DBRefEntry dbr = refs.get(ib);
2109         MapList map;
2110         if (dbr.hasMap() && (map = dbr.getMap().getMap()).isTripletMap())
2111         {
2112           // check if map is the CDS mapping
2113           if (mapping.getMap().equals(map))
2114           {
2115             direct.add(dbr);
2116             directSources.add(dbr.getSource());
2117           }
2118         }
2119       }
2120     }
2121     List<DBRefEntry> onSource = DBRefUtils.selectRefs(
2122             proteinProduct.getDBRefs(),
2123             directSources.toArray(new String[0]));
2124     List<DBRefEntry> propagated = new ArrayList<>();
2125
2126     // and generate appropriate mappings
2127     for (int ic = 0, nc = direct.size(); ic < nc; ic++)
2128     {
2129       DBRefEntry cdsref = direct.get(ic);
2130       Mapping m = cdsref.getMap();
2131       // clone maplist and mapping
2132       MapList cdsposmap = new MapList(
2133               Arrays.asList(new int[][]
2134               { new int[] { cdsSeq.getStart(), cdsSeq.getEnd() } }),
2135               m.getMap().getToRanges(), 3, 1);
2136       Mapping cdsmap = new Mapping(m.getTo(), m.getMap());
2137
2138       // create dbref
2139       DBRefEntry newref = new DBRefEntry(cdsref.getSource(),
2140               cdsref.getVersion(), cdsref.getAccessionId(),
2141               new Mapping(cdsmap.getTo(), cdsposmap));
2142
2143       // and see if we can map to the protein product for this mapping.
2144       // onSource is the filtered set of accessions on protein that we are
2145       // tranferring, so we assume accession is the same.
2146       if (cdsmap.getTo() == null && onSource != null)
2147       {
2148         List<DBRefEntry> sourceRefs = DBRefUtils.searchRefs(onSource,
2149                 cdsref.getAccessionId());
2150         if (sourceRefs != null)
2151         {
2152           for (DBRefEntry srcref : sourceRefs)
2153           {
2154             if (srcref.getSource().equalsIgnoreCase(cdsref.getSource()))
2155             {
2156               // we have found a complementary dbref on the protein product, so
2157               // update mapping's getTo
2158               newref.getMap().setTo(proteinProduct);
2159             }
2160           }
2161         }
2162       }
2163       cdsSeq.addDBRef(newref);
2164       propagated.add(newref);
2165     }
2166     return propagated;
2167   }
2168
2169   /**
2170    * Transfers co-located features on 'fromSeq' to 'toSeq', adjusting the
2171    * feature start/end ranges, optionally omitting specified feature types.
2172    * Returns the number of features copied.
2173    * 
2174    * @param fromSeq
2175    * @param toSeq
2176    * @param mapping
2177    *          the mapping from 'fromSeq' to 'toSeq'
2178    * @param select
2179    *          if not null, only features of this type are copied (including
2180    *          subtypes in the Sequence Ontology)
2181    * @param omitting
2182    */
2183   protected static int transferFeatures(SequenceI fromSeq, SequenceI toSeq,
2184           MapList mapping, String select, String... omitting)
2185   {
2186     SequenceI copyTo = toSeq;
2187     while (copyTo.getDatasetSequence() != null)
2188     {
2189       copyTo = copyTo.getDatasetSequence();
2190     }
2191     if (fromSeq == copyTo || fromSeq.getDatasetSequence() == copyTo)
2192     {
2193       return 0; // shared dataset sequence
2194     }
2195
2196     /*
2197      * get features, optionally restricted by an ontology term
2198      */
2199     List<SequenceFeature> sfs = select == null ? fromSeq.getFeatures()
2200             .getPositionalFeatures() : fromSeq.getFeatures()
2201             .getFeaturesByOntology(select);
2202
2203     int count = 0;
2204     for (SequenceFeature sf : sfs)
2205     {
2206       String type = sf.getType();
2207       boolean omit = false;
2208       for (String toOmit : omitting)
2209       {
2210         if (type.equals(toOmit))
2211         {
2212           omit = true;
2213         }
2214       }
2215       if (omit)
2216       {
2217         continue;
2218       }
2219
2220       /*
2221        * locate the mapped range - null if either start or end is
2222        * not mapped (no partial overlaps are calculated)
2223        */
2224       int start = sf.getBegin();
2225       int end = sf.getEnd();
2226       int[] mappedTo = mapping.locateInTo(start, end);
2227       /*
2228        * if whole exon range doesn't map, try interpreting it
2229        * as 5' or 3' exon overlapping the CDS range
2230        */
2231       if (mappedTo == null)
2232       {
2233         mappedTo = mapping.locateInTo(end, end);
2234         if (mappedTo != null)
2235         {
2236           /*
2237            * end of exon is in CDS range - 5' overlap
2238            * to a range from the start of the peptide
2239            */
2240           mappedTo[0] = 1;
2241         }
2242       }
2243       if (mappedTo == null)
2244       {
2245         mappedTo = mapping.locateInTo(start, start);
2246         if (mappedTo != null)
2247         {
2248           /*
2249            * start of exon is in CDS range - 3' overlap
2250            * to a range up to the end of the peptide
2251            */
2252           mappedTo[1] = toSeq.getLength();
2253         }
2254       }
2255       if (mappedTo != null)
2256       {
2257         int newBegin = Math.min(mappedTo[0], mappedTo[1]);
2258         int newEnd = Math.max(mappedTo[0], mappedTo[1]);
2259         SequenceFeature copy = new SequenceFeature(sf, newBegin, newEnd,
2260                 sf.getFeatureGroup(), sf.getScore());
2261         copyTo.addSequenceFeature(copy);
2262         count++;
2263       }
2264     }
2265     return count;
2266   }
2267
2268   /**
2269    * Returns a mapping from dna to protein by inspecting sequence features of
2270    * type "CDS" on the dna. A mapping is constructed if the total CDS feature
2271    * length is 3 times the peptide length (optionally after dropping a trailing
2272    * stop codon). This method does not check whether the CDS nucleotide sequence
2273    * translates to the peptide sequence.
2274    * 
2275    * @param dnaSeq
2276    * @param proteinSeq
2277    * @return
2278    */
2279   public static MapList mapCdsToProtein(SequenceI dnaSeq,
2280           SequenceI proteinSeq)
2281   {
2282     List<int[]> ranges = findCdsPositions(dnaSeq);
2283     int mappedDnaLength = MappingUtils.getLength(ranges);
2284
2285     /*
2286      * if not a whole number of codons, truncate mapping
2287      */
2288     int codonRemainder = mappedDnaLength % CODON_LENGTH;
2289     if (codonRemainder > 0)
2290     {
2291       mappedDnaLength -= codonRemainder;
2292       MappingUtils.removeEndPositions(codonRemainder, ranges);
2293     }
2294
2295     int proteinLength = proteinSeq.getLength();
2296     int proteinStart = proteinSeq.getStart();
2297     int proteinEnd = proteinSeq.getEnd();
2298
2299     /*
2300      * incomplete start codon may mean X at start of peptide
2301      * we ignore both for mapping purposes
2302      */
2303     if (proteinSeq.getCharAt(0) == 'X')
2304     {
2305       // todo JAL-2022 support startPhase > 0
2306       proteinStart++;
2307       proteinLength--;
2308     }
2309     List<int[]> proteinRange = new ArrayList<>();
2310
2311     /*
2312      * dna length should map to protein (or protein plus stop codon)
2313      */
2314     int codesForResidues = mappedDnaLength / CODON_LENGTH;
2315     if (codesForResidues == (proteinLength + 1))
2316     {
2317       // assuming extra codon is for STOP and not in peptide
2318       // todo: check trailing codon is indeed a STOP codon
2319       codesForResidues--;
2320       mappedDnaLength -= CODON_LENGTH;
2321       MappingUtils.removeEndPositions(CODON_LENGTH, ranges);
2322     }
2323
2324     if (codesForResidues == proteinLength)
2325     {
2326       proteinRange.add(new int[] { proteinStart, proteinEnd });
2327       return new MapList(ranges, proteinRange, CODON_LENGTH, 1);
2328     }
2329     return null;
2330   }
2331
2332   /**
2333    * Returns a list of CDS ranges found (as sequence positions base 1), i.e. of
2334    * [start, end] positions of sequence features of type "CDS" (or a sub-type of
2335    * CDS in the Sequence Ontology). The ranges are sorted into ascending start
2336    * position order, so this method is only valid for linear CDS in the same
2337    * sense as the protein product.
2338    * 
2339    * @param dnaSeq
2340    * @return
2341    */
2342   protected static List<int[]> findCdsPositions(SequenceI dnaSeq)
2343   {
2344     List<int[]> result = new ArrayList<>();
2345
2346     List<SequenceFeature> sfs = dnaSeq.getFeatures().getFeaturesByOntology(
2347             SequenceOntologyI.CDS);
2348     if (sfs.isEmpty())
2349     {
2350       return result;
2351     }
2352     SequenceFeatures.sortFeatures(sfs, true);
2353
2354     for (SequenceFeature sf : sfs)
2355     {
2356       int phase = 0;
2357       try
2358       {
2359         String s = sf.getPhase();
2360         if (s != null) 
2361         {
2362                 phase = Integer.parseInt(s);
2363         }
2364       } catch (NumberFormatException e)
2365       {
2366         // leave as zero
2367       }
2368       /*
2369        * phase > 0 on first codon means 5' incomplete - skip to the start
2370        * of the next codon; example ENST00000496384
2371        */
2372       int begin = sf.getBegin();
2373       int end = sf.getEnd();
2374       if (result.isEmpty() && phase > 0)
2375       {
2376         begin += phase;
2377         if (begin > end)
2378         {
2379           // shouldn't happen!
2380           System.err
2381                   .println("Error: start phase extends beyond start CDS in "
2382                           + dnaSeq.getName());
2383         }
2384       }
2385       result.add(new int[] { begin, end });
2386     }
2387
2388     /*
2389      * Finally sort ranges by start position. This avoids a dependency on 
2390      * keeping features in order on the sequence (if they are in order anyway,
2391      * the sort will have almost no work to do). The implicit assumption is CDS
2392      * ranges are assembled in order. Other cases should not use this method,
2393      * but instead construct an explicit mapping for CDS (e.g. EMBL parsing).
2394      */
2395     Collections.sort(result, IntRangeComparator.ASCENDING);
2396     return result;
2397   }
2398
2399   /**
2400    * Makes an alignment with a copy of the given sequences, adding in any
2401    * non-redundant sequences which are mapped to by the cross-referenced
2402    * sequences.
2403    * 
2404    * @param seqs
2405    * @param xrefs
2406    * @param dataset
2407    *          the alignment dataset shared by the new copy
2408    * @return
2409    */
2410   public static AlignmentI makeCopyAlignment(SequenceI[] seqs,
2411           SequenceI[] xrefs, AlignmentI dataset)
2412   {
2413     AlignmentI copy = new Alignment(new Alignment(seqs));
2414     copy.setDataset(dataset);
2415     boolean isProtein = !copy.isNucleotide();
2416     SequenceIdMatcher matcher = new SequenceIdMatcher(seqs);
2417     if (xrefs != null)
2418     {
2419         // BH 2019.01.25 recoded to remove iterators
2420         
2421       for (int ix = 0, nx = xrefs.length; ix < nx; ix++)
2422       {
2423         SequenceI xref = xrefs[ix];
2424         List<DBRefEntry> dbrefs = xref.getDBRefs();
2425         if (dbrefs != null)
2426         {
2427           for (int ir = 0, nir = dbrefs.size(); ir < nir; ir++)
2428           {
2429             DBRefEntry dbref = dbrefs.get(ir);
2430             Mapping map = dbref.getMap();
2431             SequenceI mto;
2432             if (map == null || (mto = map.getTo()) == null
2433                     || mto.isProtein() != isProtein)
2434             {
2435               continue;
2436             }
2437             SequenceI mappedTo = mto;
2438             SequenceI match = matcher.findIdMatch(mappedTo);
2439             if (match == null)
2440             {
2441               matcher.add(mappedTo);
2442               copy.addSequence(mappedTo);
2443             }
2444           }
2445         }
2446       }
2447     }
2448     return copy;
2449   }
2450
2451   /**
2452    * Try to align sequences in 'unaligned' to match the alignment of their
2453    * mapped regions in 'aligned'. For example, could use this to align CDS
2454    * sequences which are mapped to their parent cDNA sequences.
2455    * 
2456    * This method handles 1:1 mappings (dna-to-dna or protein-to-protein). For
2457    * dna-to-protein or protein-to-dna use alternative methods.
2458    * 
2459    * @param unaligned
2460    *          sequences to be aligned
2461    * @param aligned
2462    *          holds aligned sequences and their mappings
2463    * @return
2464    */
2465   public static int alignAs(AlignmentI unaligned, AlignmentI aligned)
2466   {
2467     /*
2468      * easy case - aligning a copy of aligned sequences
2469      */
2470     if (alignAsSameSequences(unaligned, aligned))
2471     {
2472       return unaligned.getHeight();
2473     }
2474
2475     /*
2476      * fancy case - aligning via mappings between sequences
2477      */
2478     List<SequenceI> unmapped = new ArrayList<>();
2479     Map<Integer, Map<SequenceI, Character>> columnMap = buildMappedColumnsMap(
2480             unaligned, aligned, unmapped);
2481     int width = columnMap.size();
2482     char gap = unaligned.getGapCharacter();
2483     int realignedCount = 0;
2484     // TODO: verify this loop scales sensibly for very wide/high alignments
2485
2486     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2487     {
2488       if (!unmapped.contains(seq))
2489       {
2490         char[] newSeq = new char[width];
2491         Arrays.fill(newSeq, gap); // JBPComment - doubt this is faster than the
2492                                   // Integer iteration below
2493         int newCol = 0;
2494         int lastCol = 0;
2495
2496         /*
2497          * traverse the map to find columns populated
2498          * by our sequence
2499          */
2500         for (Integer column : columnMap.keySet())
2501         {
2502           Character c = columnMap.get(column).get(seq);
2503           if (c != null)
2504           {
2505             /*
2506              * sequence has a character at this position
2507              * 
2508              */
2509             newSeq[newCol] = c;
2510             lastCol = newCol;
2511           }
2512           newCol++;
2513         }
2514
2515         /*
2516          * trim trailing gaps
2517          */
2518         if (lastCol < width)
2519         {
2520           char[] tmp = new char[lastCol + 1];
2521           System.arraycopy(newSeq, 0, tmp, 0, lastCol + 1);
2522           newSeq = tmp;
2523         }
2524         // TODO: optimise SequenceI to avoid char[]->String->char[]
2525         seq.setSequence(String.valueOf(newSeq));
2526         realignedCount++;
2527       }
2528     }
2529     return realignedCount;
2530   }
2531
2532   /**
2533    * If unaligned and aligned sequences share the same dataset sequences, then
2534    * simply copies the aligned sequences to the unaligned sequences and returns
2535    * true; else returns false
2536    * 
2537    * @param unaligned
2538    *                    - sequences to be aligned based on aligned
2539    * @param aligned
2540    *                    - 'guide' alignment containing sequences derived from same
2541    *                    dataset as unaligned
2542    * @return
2543    */
2544   static boolean alignAsSameSequences(AlignmentI unaligned,
2545           AlignmentI aligned)
2546   {
2547     if (aligned.getDataset() == null || unaligned.getDataset() == null)
2548     {
2549       return false; // should only pass alignments with datasets here
2550     }
2551
2552     // map from dataset sequence to alignment sequence(s)
2553     Map<SequenceI, List<SequenceI>> alignedDatasets = new HashMap<>();
2554     for (SequenceI seq : aligned.getSequences())
2555     {
2556       SequenceI ds = seq.getDatasetSequence();
2557       if (alignedDatasets.get(ds) == null)
2558       {
2559         alignedDatasets.put(ds, new ArrayList<SequenceI>());
2560       }
2561       alignedDatasets.get(ds).add(seq);
2562     }
2563
2564     /*
2565      * first pass - check whether all sequences to be aligned share a 
2566      * dataset sequence with an aligned sequence; also note the leftmost
2567      * ungapped column from which to copy
2568      */
2569     int leftmost = Integer.MAX_VALUE;
2570     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2571     {
2572       final SequenceI ds = seq.getDatasetSequence();
2573       if (!alignedDatasets.containsKey(ds))
2574       {
2575         return false;
2576       }
2577       SequenceI alignedSeq = alignedDatasets.get(ds)
2578               .get(0);
2579       int startCol = alignedSeq.findIndex(seq.getStart()); // 1..
2580       leftmost = Math.min(leftmost, startCol);
2581     }
2582
2583     /*
2584      * second pass - copy aligned sequences;
2585      * heuristic rule: pair off sequences in order for the case where 
2586      * more than one shares the same dataset sequence 
2587      */
2588     final char gapCharacter = aligned.getGapCharacter();
2589     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2590     {
2591       List<SequenceI> alignedSequences = alignedDatasets
2592               .get(seq.getDatasetSequence());
2593       if (alignedSequences.isEmpty())
2594       {
2595         /*
2596          * defensive check - shouldn't happen! (JAL-3536)
2597          */
2598         continue;
2599       }
2600       SequenceI alignedSeq = alignedSequences.get(0);
2601
2602       /*
2603        * gap fill for leading (5') UTR if any
2604        */
2605       // TODO this copies intron columns - wrong!
2606       int startCol = alignedSeq.findIndex(seq.getStart()); // 1..
2607       int endCol = alignedSeq.findIndex(seq.getEnd());
2608       char[] seqchars = new char[endCol - leftmost + 1];
2609       Arrays.fill(seqchars, gapCharacter);
2610       char[] toCopy = alignedSeq.getSequence(startCol - 1, endCol);
2611       System.arraycopy(toCopy, 0, seqchars, startCol - leftmost,
2612               toCopy.length);
2613       seq.setSequence(String.valueOf(seqchars));
2614       if (alignedSequences.size() > 0)
2615       {
2616         // pop off aligned sequences (except the last one)
2617         alignedSequences.remove(0);
2618       }
2619     }
2620
2621     /*
2622      * finally remove gapped columns (e.g. introns)
2623      */
2624     new RemoveGapColCommand("", unaligned.getSequencesArray(), 0,
2625             unaligned.getWidth() - 1, unaligned);
2626
2627     return true;
2628   }
2629
2630   /**
2631    * Returns a map whose key is alignment column number (base 1), and whose
2632    * values are a map of sequence characters in that column.
2633    * 
2634    * @param unaligned
2635    * @param aligned
2636    * @param unmapped
2637    * @return
2638    */
2639   static SortedMap<Integer, Map<SequenceI, Character>> buildMappedColumnsMap(
2640           AlignmentI unaligned, AlignmentI aligned,
2641           List<SequenceI> unmapped)
2642   {
2643     /*
2644      * Map will hold, for each aligned column position, a map of
2645      * {unalignedSequence, characterPerSequence} at that position.
2646      * TreeMap keeps the entries in ascending column order. 
2647      */
2648     SortedMap<Integer, Map<SequenceI, Character>> map = new TreeMap<>();
2649
2650     /*
2651      * record any sequences that have no mapping so can't be realigned
2652      */
2653     unmapped.addAll(unaligned.getSequences());
2654
2655     List<AlignedCodonFrame> mappings = aligned.getCodonFrames();
2656
2657     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2658     {
2659       for (AlignedCodonFrame mapping : mappings)
2660       {
2661         SequenceI fromSeq = mapping.findAlignedSequence(seq, aligned);
2662         if (fromSeq != null)
2663         {
2664           Mapping seqMap = mapping.getMappingBetween(fromSeq, seq);
2665           if (addMappedPositions(seq, fromSeq, seqMap, map))
2666           {
2667             unmapped.remove(seq);
2668           }
2669         }
2670       }
2671     }
2672     return map;
2673   }
2674
2675   /**
2676    * Helper method that adds to a map the mapped column positions of a sequence.
2677    * <br>
2678    * For example if aaTT-Tg-gAAA is mapped to TTTAAA then the map should record
2679    * that columns 3,4,6,10,11,12 map to characters T,T,T,A,A,A of the mapped to
2680    * sequence.
2681    * 
2682    * @param seq
2683    *          the sequence whose column positions we are recording
2684    * @param fromSeq
2685    *          a sequence that is mapped to the first sequence
2686    * @param seqMap
2687    *          the mapping from 'fromSeq' to 'seq'
2688    * @param map
2689    *          a map to add the column positions (in fromSeq) of the mapped
2690    *          positions of seq
2691    * @return
2692    */
2693   static boolean addMappedPositions(SequenceI seq, SequenceI fromSeq,
2694           Mapping seqMap, Map<Integer, Map<SequenceI, Character>> map)
2695   {
2696     if (seqMap == null)
2697     {
2698       return false;
2699     }
2700
2701     /*
2702      * invert mapping if it is from unaligned to aligned sequence
2703      */
2704     if (seqMap.getTo() == fromSeq.getDatasetSequence())
2705     {
2706       seqMap = new Mapping(seq.getDatasetSequence(),
2707               seqMap.getMap().getInverse());
2708     }
2709
2710     int toStart = seq.getStart();
2711
2712     /*
2713      * traverse [start, end, start, end...] ranges in fromSeq
2714      */
2715     for (int[] fromRange : seqMap.getMap().getFromRanges())
2716     {
2717       for (int i = 0; i < fromRange.length - 1; i += 2)
2718       {
2719         boolean forward = fromRange[i + 1] >= fromRange[i];
2720
2721         /*
2722          * find the range mapped to (sequence positions base 1)
2723          */
2724         int[] range = seqMap.locateMappedRange(fromRange[i],
2725                 fromRange[i + 1]);
2726         if (range == null)
2727         {
2728           System.err.println("Error in mapping " + seqMap + " from "
2729                   + fromSeq.getName());
2730           return false;
2731         }
2732         int fromCol = fromSeq.findIndex(fromRange[i]);
2733         int mappedCharPos = range[0];
2734
2735         /*
2736          * walk over the 'from' aligned sequence in forward or reverse
2737          * direction; when a non-gap is found, record the column position
2738          * of the next character of the mapped-to sequence; stop when all
2739          * the characters of the range have been counted
2740          */
2741         while (mappedCharPos <= range[1] && fromCol <= fromSeq.getLength()
2742                 && fromCol >= 0)
2743         {
2744           if (!Comparison.isGap(fromSeq.getCharAt(fromCol - 1)))
2745           {
2746             /*
2747              * mapped from sequence has a character in this column
2748              * record the column position for the mapped to character
2749              */
2750             Map<SequenceI, Character> seqsMap = map.get(fromCol);
2751             if (seqsMap == null)
2752             {
2753               seqsMap = new HashMap<>();
2754               map.put(fromCol, seqsMap);
2755             }
2756             seqsMap.put(seq, seq.getCharAt(mappedCharPos - toStart));
2757             mappedCharPos++;
2758           }
2759           fromCol += (forward ? 1 : -1);
2760         }
2761       }
2762     }
2763     return true;
2764   }
2765
2766   // strictly temporary hack until proper criteria for aligning protein to cds
2767   // are in place; this is so Ensembl -> fetch xrefs Uniprot aligns the Uniprot
2768   public static boolean looksLikeEnsembl(AlignmentI alignment)
2769   {
2770     for (SequenceI seq : alignment.getSequences())
2771     {
2772       String name = seq.getName();
2773       if (!name.startsWith("ENSG") && !name.startsWith("ENST"))
2774       {
2775         return false;
2776       }
2777     }
2778     return true;
2779   }
2780 }