Merge branch 'develop' into alpha/JAL-3362_Jalview_212_alpha
[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 DBRefEntry[] xrefs = seq1.getDBRefs();
1604     if (xrefs != null)
1605     {
1606       for (DBRefEntry xref : xrefs)
1607       {
1608         String xrefName = xref.getSource() + "|" + xref.getAccessionId();
1609         // case-insensitive test, consistent with DBRefEntry.equalRef()
1610         if (xrefName.equalsIgnoreCase(name))
1611         {
1612           return true;
1613         }
1614       }
1615     }
1616     return false;
1617   }
1618
1619   /**
1620    * Constructs an alignment consisting of the mapped (CDS) regions in the given
1621    * nucleotide sequences, and updates mappings to match. The CDS sequences are
1622    * added to the original alignment's dataset, which is shared by the new
1623    * alignment. Mappings from nucleotide to CDS, and from CDS to protein, are
1624    * added to the alignment dataset.
1625    * 
1626    * @param dna
1627    *          aligned nucleotide (dna or cds) sequences
1628    * @param dataset
1629    *          the alignment dataset the sequences belong to
1630    * @param products
1631    *          (optional) to restrict results to CDS that map to specified
1632    *          protein products
1633    * @return an alignment whose sequences are the cds-only parts of the dna
1634    *         sequences (or null if no mappings are found)
1635    */
1636   public static AlignmentI makeCdsAlignment(SequenceI[] dna,
1637           AlignmentI dataset, SequenceI[] products)
1638   {
1639     if (dataset == null || dataset.getDataset() != null)
1640     {
1641       throw new IllegalArgumentException(
1642               "IMPLEMENTATION ERROR: dataset.getDataset() must be null!");
1643     }
1644     List<SequenceI> foundSeqs = new ArrayList<>();
1645     List<SequenceI> cdsSeqs = new ArrayList<>();
1646     List<AlignedCodonFrame> mappings = dataset.getCodonFrames();
1647     HashSet<SequenceI> productSeqs = null;
1648     if (products != null)
1649     {
1650       productSeqs = new HashSet<>();
1651       for (SequenceI seq : products)
1652       {
1653         productSeqs.add(seq.getDatasetSequence() == null ? seq : seq
1654                 .getDatasetSequence());
1655       }
1656     }
1657
1658     /*
1659      * Construct CDS sequences from mappings on the alignment dataset.
1660      * The logic is:
1661      * - find the protein product(s) mapped to from each dna sequence
1662      * - if the mapping covers the whole dna sequence (give or take start/stop
1663      *   codon), take the dna as the CDS sequence
1664      * - else search dataset mappings for a suitable dna sequence, i.e. one
1665      *   whose whole sequence is mapped to the protein 
1666      * - if no sequence found, construct one from the dna sequence and mapping
1667      *   (and add it to dataset so it is found if this is repeated)
1668      */
1669     for (SequenceI dnaSeq : dna)
1670     {
1671       SequenceI dnaDss = dnaSeq.getDatasetSequence() == null ? dnaSeq
1672               : dnaSeq.getDatasetSequence();
1673
1674       List<AlignedCodonFrame> seqMappings = MappingUtils
1675               .findMappingsForSequence(dnaSeq, mappings);
1676       for (AlignedCodonFrame mapping : seqMappings)
1677       {
1678         List<Mapping> mappingsFromSequence = mapping
1679                 .getMappingsFromSequence(dnaSeq);
1680
1681         for (Mapping aMapping : mappingsFromSequence)
1682         {
1683           MapList mapList = aMapping.getMap();
1684           if (mapList.getFromRatio() == 1)
1685           {
1686             /*
1687              * not a dna-to-protein mapping (likely dna-to-cds)
1688              */
1689             continue;
1690           }
1691
1692           /*
1693            * skip if mapping is not to one of the target set of proteins
1694            */
1695           SequenceI proteinProduct = aMapping.getTo();
1696           if (productSeqs != null && !productSeqs.contains(proteinProduct))
1697           {
1698             continue;
1699           }
1700
1701           /*
1702            * try to locate the CDS from the dataset mappings;
1703            * guard against duplicate results (for the case that protein has
1704            * dbrefs to both dna and cds sequences)
1705            */
1706           SequenceI cdsSeq = findCdsForProtein(mappings, dnaSeq,
1707                   seqMappings, aMapping);
1708           if (cdsSeq != null)
1709           {
1710             if (!foundSeqs.contains(cdsSeq))
1711             {
1712               foundSeqs.add(cdsSeq);
1713               SequenceI derivedSequence = cdsSeq.deriveSequence();
1714               cdsSeqs.add(derivedSequence);
1715               if (!dataset.getSequences().contains(cdsSeq))
1716               {
1717                 dataset.addSequence(cdsSeq);
1718               }
1719             }
1720             continue;
1721           }
1722
1723           /*
1724            * didn't find mapped CDS sequence - construct it and add
1725            * its dataset sequence to the dataset
1726            */
1727           cdsSeq = makeCdsSequence(dnaSeq.getDatasetSequence(), aMapping,
1728                   dataset).deriveSequence();
1729           // cdsSeq has a name constructed as CDS|<dbref>
1730           // <dbref> will be either the accession for the coding sequence,
1731           // marked in the /via/ dbref to the protein product accession
1732           // or it will be the original nucleotide accession.
1733           SequenceI cdsSeqDss = cdsSeq.getDatasetSequence();
1734
1735           cdsSeqs.add(cdsSeq);
1736
1737           /*
1738            * build the mapping from CDS to protein
1739            */
1740           List<int[]> cdsRange = Collections
1741                   .singletonList(new int[]
1742                   { cdsSeq.getStart(),
1743                       cdsSeq.getLength() + cdsSeq.getStart() - 1 });
1744           MapList cdsToProteinMap = new MapList(cdsRange,
1745                   mapList.getToRanges(), mapList.getFromRatio(),
1746                   mapList.getToRatio());
1747
1748           if (!dataset.getSequences().contains(cdsSeqDss))
1749           {
1750             /*
1751              * if this sequence is a newly created one, add it to the dataset
1752              * and made a CDS to protein mapping (if sequence already exists,
1753              * CDS-to-protein mapping _is_ the transcript-to-protein mapping)
1754              */
1755             dataset.addSequence(cdsSeqDss);
1756             AlignedCodonFrame cdsToProteinMapping = new AlignedCodonFrame();
1757             cdsToProteinMapping.addMap(cdsSeqDss, proteinProduct,
1758                   cdsToProteinMap);
1759
1760             /*
1761              * guard against duplicating the mapping if repeating this action
1762              */
1763             if (!mappings.contains(cdsToProteinMapping))
1764             {
1765               mappings.add(cdsToProteinMapping);
1766             }
1767           }
1768
1769           propagateDBRefsToCDS(cdsSeqDss, dnaSeq.getDatasetSequence(),
1770                   proteinProduct, aMapping);
1771           /*
1772            * add another mapping from original 'from' range to CDS
1773            */
1774           AlignedCodonFrame dnaToCdsMapping = new AlignedCodonFrame();
1775           final MapList dnaToCdsMap = new MapList(mapList.getFromRanges(),
1776                   cdsRange, 1, 1);
1777           dnaToCdsMapping.addMap(dnaSeq.getDatasetSequence(), cdsSeqDss,
1778                   dnaToCdsMap);
1779           if (!mappings.contains(dnaToCdsMapping))
1780           {
1781             mappings.add(dnaToCdsMapping);
1782           }
1783
1784           /*
1785            * transfer dna chromosomal loci (if known) to the CDS
1786            * sequence (via the mapping)
1787            */
1788           final MapList cdsToDnaMap = dnaToCdsMap.getInverse();
1789           transferGeneLoci(dnaSeq, cdsToDnaMap, cdsSeq);
1790
1791           /*
1792            * add DBRef with mapping from protein to CDS
1793            * (this enables Get Cross-References from protein alignment)
1794            * This is tricky because we can't have two DBRefs with the
1795            * same source and accession, so need a different accession for
1796            * the CDS from the dna sequence
1797            */
1798
1799           // specific use case:
1800           // Genomic contig ENSCHR:1, contains coding regions for ENSG01,
1801           // ENSG02, ENSG03, with transcripts and products similarly named.
1802           // cannot add distinct dbrefs mapping location on ENSCHR:1 to ENSG01
1803
1804           // JBPNote: ?? can't actually create an example that demonstrates we
1805           // need to
1806           // synthesize an xref.
1807
1808           for (DBRefEntry primRef : dnaDss.getPrimaryDBRefs())
1809           {
1810             /*
1811              * create a cross-reference from CDS to the source sequence's
1812              * primary reference and vice versa
1813              */
1814             String source = primRef.getSource();
1815             String version = primRef.getVersion();
1816             DBRefEntry cdsCrossRef = new DBRefEntry(source, source + ":"
1817                     + version, primRef.getAccessionId());
1818             cdsCrossRef.setMap(new Mapping(dnaDss, new MapList(cdsToDnaMap)));
1819             cdsSeqDss.addDBRef(cdsCrossRef);
1820
1821             dnaSeq.addDBRef(new DBRefEntry(source, version, cdsSeq
1822                     .getName(), new Mapping(cdsSeqDss, dnaToCdsMap)));
1823
1824             // problem here is that the cross-reference is synthesized -
1825             // cdsSeq.getName() may be like 'CDS|dnaaccession' or
1826             // 'CDS|emblcdsacc'
1827             // assuming cds version same as dna ?!?
1828
1829             DBRefEntry proteinToCdsRef = new DBRefEntry(source, version,
1830                     cdsSeq.getName());
1831             //
1832             proteinToCdsRef.setMap(new Mapping(cdsSeqDss, cdsToProteinMap
1833                     .getInverse()));
1834             proteinProduct.addDBRef(proteinToCdsRef);
1835           }
1836
1837           /*
1838            * transfer any features on dna that overlap the CDS
1839            */
1840           transferFeatures(dnaSeq, cdsSeq, dnaToCdsMap, null,
1841                   SequenceOntologyI.CDS);
1842         }
1843       }
1844     }
1845
1846     AlignmentI cds = new Alignment(cdsSeqs.toArray(new SequenceI[cdsSeqs
1847             .size()]));
1848     cds.setDataset(dataset);
1849
1850     return cds;
1851   }
1852
1853   /**
1854    * Tries to transfer gene loci (dbref to chromosome positions) from fromSeq to
1855    * toSeq, mediated by the given mapping between the sequences
1856    * 
1857    * @param fromSeq
1858    * @param targetToFrom
1859    *          Map
1860    * @param targetSeq
1861    */
1862   protected static void transferGeneLoci(SequenceI fromSeq,
1863           MapList targetToFrom, SequenceI targetSeq)
1864   {
1865     if (targetSeq.getGeneLoci() != null)
1866     {
1867       // already have - don't override
1868       return;
1869     }
1870     GeneLociI fromLoci = fromSeq.getGeneLoci();
1871     if (fromLoci == null)
1872     {
1873       return;
1874     }
1875
1876     MapList newMap = targetToFrom.traverse(fromLoci.getMapping());
1877
1878     if (newMap != null)
1879     {
1880       targetSeq.setGeneLoci(fromLoci.getSpeciesId(),
1881               fromLoci.getAssemblyId(), fromLoci.getChromosomeId(), newMap);
1882     }
1883   }
1884
1885   /**
1886    * A helper method that finds a CDS sequence in the alignment dataset that is
1887    * mapped to the given protein sequence, and either is, or has a mapping from,
1888    * the given dna sequence.
1889    * 
1890    * @param mappings
1891    *          set of all mappings on the dataset
1892    * @param dnaSeq
1893    *          a dna (or cds) sequence we are searching from
1894    * @param seqMappings
1895    *          the set of mappings involving dnaSeq
1896    * @param aMapping
1897    *          a transcript-to-peptide mapping
1898    * @return
1899    */
1900   static SequenceI findCdsForProtein(List<AlignedCodonFrame> mappings,
1901           SequenceI dnaSeq, List<AlignedCodonFrame> seqMappings,
1902           Mapping aMapping)
1903   {
1904     /*
1905      * TODO a better dna-cds-protein mapping data representation to allow easy
1906      * navigation; until then this clunky looping around lists of mappings
1907      */
1908     SequenceI seqDss = dnaSeq.getDatasetSequence() == null ? dnaSeq
1909             : dnaSeq.getDatasetSequence();
1910     SequenceI proteinProduct = aMapping.getTo();
1911
1912     /*
1913      * is this mapping from the whole dna sequence (i.e. CDS)?
1914      * allowing for possible stop codon on dna but not peptide
1915      */
1916     int mappedFromLength = MappingUtils
1917             .getLength(aMapping.getMap().getFromRanges());
1918     int dnaLength = seqDss.getLength();
1919     if (mappedFromLength == dnaLength
1920             || mappedFromLength == dnaLength - CODON_LENGTH)
1921     {
1922       /*
1923        * if sequence has CDS features, this is a transcript with no UTR
1924        * - do not take this as the CDS sequence! (JAL-2789)
1925        */
1926       if (seqDss.getFeatures().getFeaturesByOntology(SequenceOntologyI.CDS)
1927               .isEmpty())
1928       {
1929         return seqDss;
1930       }
1931     }
1932
1933     /*
1934      * looks like we found the dna-to-protein mapping; search for the
1935      * corresponding cds-to-protein mapping
1936      */
1937     List<AlignedCodonFrame> mappingsToPeptide = MappingUtils
1938             .findMappingsForSequence(proteinProduct, mappings);
1939     for (AlignedCodonFrame acf : mappingsToPeptide)
1940     {
1941       for (SequenceToSequenceMapping map : acf.getMappings())
1942       {
1943         Mapping mapping = map.getMapping();
1944         if (mapping != aMapping
1945                 && mapping.getMap().getFromRatio() == CODON_LENGTH
1946                 && proteinProduct == mapping.getTo()
1947                 && seqDss != map.getFromSeq())
1948         {
1949           mappedFromLength = MappingUtils
1950                   .getLength(mapping.getMap().getFromRanges());
1951           if (mappedFromLength == map.getFromSeq().getLength())
1952           {
1953             /*
1954             * found a 3:1 mapping to the protein product which covers
1955             * the whole dna sequence i.e. is from CDS; finally check the CDS
1956             * is mapped from the given dna start sequence
1957             */
1958             SequenceI cdsSeq = map.getFromSeq();
1959             // todo this test is weak if seqMappings contains multiple mappings;
1960             // we get away with it if transcript:cds relationship is 1:1
1961             List<AlignedCodonFrame> dnaToCdsMaps = MappingUtils
1962                     .findMappingsForSequence(cdsSeq, seqMappings);
1963             if (!dnaToCdsMaps.isEmpty())
1964             {
1965               return cdsSeq;
1966             }
1967           }
1968         }
1969       }
1970     }
1971     return null;
1972   }
1973
1974   /**
1975    * Helper method that makes a CDS sequence as defined by the mappings from the
1976    * given sequence i.e. extracts the 'mapped from' ranges (which may be on
1977    * forward or reverse strand).
1978    * 
1979    * @param seq
1980    * @param mapping
1981    * @param dataset
1982    *          - existing dataset. We check for sequences that look like the CDS
1983    *          we are about to construct, if one exists already, then we will
1984    *          just return that one.
1985    * @return CDS sequence (as a dataset sequence)
1986    */
1987   static SequenceI makeCdsSequence(SequenceI seq, Mapping mapping,
1988           AlignmentI dataset)
1989   {
1990     /*
1991      * construct CDS sequence name as "CDS|" with 'from id' held in the mapping
1992      * if set (e.g. EMBL protein_id), else sequence name appended
1993      */
1994     String mapFromId = mapping.getMappedFromId();
1995     final String seqId = "CDS|"
1996             + (mapFromId != null ? mapFromId : seq.getName());
1997
1998     SequenceI newSeq = null;
1999
2000     final MapList maplist = mapping.getMap();
2001     if (maplist.isContiguous() && maplist.isFromForwardStrand())
2002     {
2003       /*
2004        * just a subsequence, keep same dataset sequence
2005        */
2006       int start = maplist.getFromLowest();
2007       int end = maplist.getFromHighest();
2008       newSeq = seq.getSubSequence(start - 1, end);
2009       newSeq.setName(seqId);
2010     }
2011     else
2012     {
2013       /*
2014        * construct by splicing mapped from ranges
2015        */
2016       char[] seqChars = seq.getSequence();
2017       List<int[]> fromRanges = maplist.getFromRanges();
2018       int cdsWidth = MappingUtils.getLength(fromRanges);
2019       char[] newSeqChars = new char[cdsWidth];
2020
2021       int newPos = 0;
2022       for (int[] range : fromRanges)
2023       {
2024         if (range[0] <= range[1])
2025         {
2026           // forward strand mapping - just copy the range
2027           int length = range[1] - range[0] + 1;
2028           System.arraycopy(seqChars, range[0] - 1, newSeqChars, newPos,
2029                   length);
2030           newPos += length;
2031         }
2032         else
2033         {
2034           // reverse strand mapping - copy and complement one by one
2035           for (int i = range[0]; i >= range[1]; i--)
2036           {
2037             newSeqChars[newPos++] = Dna.getComplement(seqChars[i - 1]);
2038           }
2039         }
2040       }
2041
2042       newSeq = new Sequence(seqId, newSeqChars, 1, newPos);
2043     }
2044
2045     if (dataset != null)
2046     {
2047       SequenceI[] matches = dataset.findSequenceMatch(newSeq.getName());
2048       if (matches != null)
2049       {
2050         boolean matched = false;
2051         for (SequenceI mtch : matches)
2052         {
2053           if (mtch.getStart() != newSeq.getStart())
2054           {
2055             continue;
2056           }
2057           if (mtch.getEnd() != newSeq.getEnd())
2058           {
2059             continue;
2060           }
2061           if (!Arrays.equals(mtch.getSequence(), newSeq.getSequence()))
2062           {
2063             continue;
2064           }
2065           if (!matched)
2066           {
2067             matched = true;
2068             newSeq = mtch;
2069           }
2070           else
2071           {
2072             System.err.println(
2073                     "JAL-2154 regression: warning - found (and ignnored a duplicate CDS sequence):"
2074                             + mtch.toString());
2075           }
2076         }
2077       }
2078     }
2079     // newSeq.setDescription(mapFromId);
2080
2081     return newSeq;
2082   }
2083
2084   /**
2085    * Adds any DBRefEntrys to cdsSeq from contig that have a Mapping congruent to
2086    * the given mapping.
2087    * 
2088    * @param cdsSeq
2089    * @param contig
2090    * @param proteinProduct
2091    * @param mapping
2092    * @return list of DBRefEntrys added
2093    */
2094   protected static List<DBRefEntry> propagateDBRefsToCDS(SequenceI cdsSeq,
2095           SequenceI contig, SequenceI proteinProduct, Mapping mapping)
2096   {
2097
2098     // gather direct refs from contig congruent with mapping
2099     List<DBRefEntry> direct = new ArrayList<>();
2100     HashSet<String> directSources = new HashSet<>();
2101
2102     if (contig.getDBRefs() != null)
2103     {
2104       for (DBRefEntry dbr : contig.getDBRefs())
2105       {
2106         if (dbr.hasMap() && dbr.getMap().getMap().isTripletMap())
2107         {
2108           MapList map = dbr.getMap().getMap();
2109           // check if map is the CDS mapping
2110           if (mapping.getMap().equals(map))
2111           {
2112             direct.add(dbr);
2113             directSources.add(dbr.getSource());
2114           }
2115         }
2116       }
2117     }
2118     DBRefEntry[] onSource = DBRefUtils.selectRefs(
2119             proteinProduct.getDBRefs(),
2120             directSources.toArray(new String[0]));
2121     List<DBRefEntry> propagated = new ArrayList<>();
2122
2123     // and generate appropriate mappings
2124     for (DBRefEntry cdsref : direct)
2125     {
2126       // clone maplist and mapping
2127       MapList cdsposmap = new MapList(
2128               Arrays.asList(new int[][]
2129               { new int[] { cdsSeq.getStart(), cdsSeq.getEnd() } }),
2130               cdsref.getMap().getMap().getToRanges(), 3, 1);
2131       Mapping cdsmap = new Mapping(cdsref.getMap().getTo(),
2132               cdsref.getMap().getMap());
2133
2134       // create dbref
2135       DBRefEntry newref = new DBRefEntry(cdsref.getSource(),
2136               cdsref.getVersion(), cdsref.getAccessionId(),
2137               new Mapping(cdsmap.getTo(), cdsposmap));
2138
2139       // and see if we can map to the protein product for this mapping.
2140       // onSource is the filtered set of accessions on protein that we are
2141       // tranferring, so we assume accession is the same.
2142       if (cdsmap.getTo() == null && onSource != null)
2143       {
2144         List<DBRefEntry> sourceRefs = DBRefUtils.searchRefs(onSource,
2145                 cdsref.getAccessionId());
2146         if (sourceRefs != null)
2147         {
2148           for (DBRefEntry srcref : sourceRefs)
2149           {
2150             if (srcref.getSource().equalsIgnoreCase(cdsref.getSource()))
2151             {
2152               // we have found a complementary dbref on the protein product, so
2153               // update mapping's getTo
2154               newref.getMap().setTo(proteinProduct);
2155             }
2156           }
2157         }
2158       }
2159       cdsSeq.addDBRef(newref);
2160       propagated.add(newref);
2161     }
2162     return propagated;
2163   }
2164
2165   /**
2166    * Transfers co-located features on 'fromSeq' to 'toSeq', adjusting the
2167    * feature start/end ranges, optionally omitting specified feature types.
2168    * Returns the number of features copied.
2169    * 
2170    * @param fromSeq
2171    * @param toSeq
2172    * @param mapping
2173    *          the mapping from 'fromSeq' to 'toSeq'
2174    * @param select
2175    *          if not null, only features of this type are copied (including
2176    *          subtypes in the Sequence Ontology)
2177    * @param omitting
2178    */
2179   protected static int transferFeatures(SequenceI fromSeq, SequenceI toSeq,
2180           MapList mapping, String select, String... omitting)
2181   {
2182     SequenceI copyTo = toSeq;
2183     while (copyTo.getDatasetSequence() != null)
2184     {
2185       copyTo = copyTo.getDatasetSequence();
2186     }
2187     if (fromSeq == copyTo || fromSeq.getDatasetSequence() == copyTo)
2188     {
2189       return 0; // shared dataset sequence
2190     }
2191
2192     /*
2193      * get features, optionally restricted by an ontology term
2194      */
2195     List<SequenceFeature> sfs = select == null ? fromSeq.getFeatures()
2196             .getPositionalFeatures() : fromSeq.getFeatures()
2197             .getFeaturesByOntology(select);
2198
2199     int count = 0;
2200     for (SequenceFeature sf : sfs)
2201     {
2202       String type = sf.getType();
2203       boolean omit = false;
2204       for (String toOmit : omitting)
2205       {
2206         if (type.equals(toOmit))
2207         {
2208           omit = true;
2209         }
2210       }
2211       if (omit)
2212       {
2213         continue;
2214       }
2215
2216       /*
2217        * locate the mapped range - null if either start or end is
2218        * not mapped (no partial overlaps are calculated)
2219        */
2220       int start = sf.getBegin();
2221       int end = sf.getEnd();
2222       int[] mappedTo = mapping.locateInTo(start, end);
2223       /*
2224        * if whole exon range doesn't map, try interpreting it
2225        * as 5' or 3' exon overlapping the CDS range
2226        */
2227       if (mappedTo == null)
2228       {
2229         mappedTo = mapping.locateInTo(end, end);
2230         if (mappedTo != null)
2231         {
2232           /*
2233            * end of exon is in CDS range - 5' overlap
2234            * to a range from the start of the peptide
2235            */
2236           mappedTo[0] = 1;
2237         }
2238       }
2239       if (mappedTo == null)
2240       {
2241         mappedTo = mapping.locateInTo(start, start);
2242         if (mappedTo != null)
2243         {
2244           /*
2245            * start of exon is in CDS range - 3' overlap
2246            * to a range up to the end of the peptide
2247            */
2248           mappedTo[1] = toSeq.getLength();
2249         }
2250       }
2251       if (mappedTo != null)
2252       {
2253         int newBegin = Math.min(mappedTo[0], mappedTo[1]);
2254         int newEnd = Math.max(mappedTo[0], mappedTo[1]);
2255         SequenceFeature copy = new SequenceFeature(sf, newBegin, newEnd,
2256                 sf.getFeatureGroup(), sf.getScore());
2257         copyTo.addSequenceFeature(copy);
2258         count++;
2259       }
2260     }
2261     return count;
2262   }
2263
2264   /**
2265    * Returns a mapping from dna to protein by inspecting sequence features of
2266    * type "CDS" on the dna. A mapping is constructed if the total CDS feature
2267    * length is 3 times the peptide length (optionally after dropping a trailing
2268    * stop codon). This method does not check whether the CDS nucleotide sequence
2269    * translates to the peptide sequence.
2270    * 
2271    * @param dnaSeq
2272    * @param proteinSeq
2273    * @return
2274    */
2275   public static MapList mapCdsToProtein(SequenceI dnaSeq,
2276           SequenceI proteinSeq)
2277   {
2278     List<int[]> ranges = findCdsPositions(dnaSeq);
2279     int mappedDnaLength = MappingUtils.getLength(ranges);
2280
2281     /*
2282      * if not a whole number of codons, truncate mapping
2283      */
2284     int codonRemainder = mappedDnaLength % CODON_LENGTH;
2285     if (codonRemainder > 0)
2286     {
2287       mappedDnaLength -= codonRemainder;
2288       MappingUtils.removeEndPositions(codonRemainder, ranges);
2289     }
2290
2291     int proteinLength = proteinSeq.getLength();
2292     int proteinStart = proteinSeq.getStart();
2293     int proteinEnd = proteinSeq.getEnd();
2294
2295     /*
2296      * incomplete start codon may mean X at start of peptide
2297      * we ignore both for mapping purposes
2298      */
2299     if (proteinSeq.getCharAt(0) == 'X')
2300     {
2301       // todo JAL-2022 support startPhase > 0
2302       proteinStart++;
2303       proteinLength--;
2304     }
2305     List<int[]> proteinRange = new ArrayList<>();
2306
2307     /*
2308      * dna length should map to protein (or protein plus stop codon)
2309      */
2310     int codesForResidues = mappedDnaLength / CODON_LENGTH;
2311     if (codesForResidues == (proteinLength + 1))
2312     {
2313       // assuming extra codon is for STOP and not in peptide
2314       // todo: check trailing codon is indeed a STOP codon
2315       codesForResidues--;
2316       mappedDnaLength -= CODON_LENGTH;
2317       MappingUtils.removeEndPositions(CODON_LENGTH, ranges);
2318     }
2319
2320     if (codesForResidues == proteinLength)
2321     {
2322       proteinRange.add(new int[] { proteinStart, proteinEnd });
2323       return new MapList(ranges, proteinRange, CODON_LENGTH, 1);
2324     }
2325     return null;
2326   }
2327
2328   /**
2329    * Returns a list of CDS ranges found (as sequence positions base 1), i.e. of
2330    * [start, end] positions of sequence features of type "CDS" (or a sub-type of
2331    * CDS in the Sequence Ontology). The ranges are sorted into ascending start
2332    * position order, so this method is only valid for linear CDS in the same
2333    * sense as the protein product.
2334    * 
2335    * @param dnaSeq
2336    * @return
2337    */
2338   protected static List<int[]> findCdsPositions(SequenceI dnaSeq)
2339   {
2340     List<int[]> result = new ArrayList<>();
2341
2342     List<SequenceFeature> sfs = dnaSeq.getFeatures().getFeaturesByOntology(
2343             SequenceOntologyI.CDS);
2344     if (sfs.isEmpty())
2345     {
2346       return result;
2347     }
2348     SequenceFeatures.sortFeatures(sfs, true);
2349
2350     for (SequenceFeature sf : sfs)
2351     {
2352       int phase = 0;
2353       try
2354       {
2355         phase = Integer.parseInt(sf.getPhase());
2356       } catch (NumberFormatException e)
2357       {
2358         // ignore
2359       }
2360       /*
2361        * phase > 0 on first codon means 5' incomplete - skip to the start
2362        * of the next codon; example ENST00000496384
2363        */
2364       int begin = sf.getBegin();
2365       int end = sf.getEnd();
2366       if (result.isEmpty() && phase > 0)
2367       {
2368         begin += phase;
2369         if (begin > end)
2370         {
2371           // shouldn't happen!
2372           System.err
2373                   .println("Error: start phase extends beyond start CDS in "
2374                           + dnaSeq.getName());
2375         }
2376       }
2377       result.add(new int[] { begin, end });
2378     }
2379
2380     /*
2381      * Finally sort ranges by start position. This avoids a dependency on 
2382      * keeping features in order on the sequence (if they are in order anyway,
2383      * the sort will have almost no work to do). The implicit assumption is CDS
2384      * ranges are assembled in order. Other cases should not use this method,
2385      * but instead construct an explicit mapping for CDS (e.g. EMBL parsing).
2386      */
2387     Collections.sort(result, IntRangeComparator.ASCENDING);
2388     return result;
2389   }
2390
2391   /**
2392    * Makes an alignment with a copy of the given sequences, adding in any
2393    * non-redundant sequences which are mapped to by the cross-referenced
2394    * sequences.
2395    * 
2396    * @param seqs
2397    * @param xrefs
2398    * @param dataset
2399    *          the alignment dataset shared by the new copy
2400    * @return
2401    */
2402   public static AlignmentI makeCopyAlignment(SequenceI[] seqs,
2403           SequenceI[] xrefs, AlignmentI dataset)
2404   {
2405     AlignmentI copy = new Alignment(new Alignment(seqs));
2406     copy.setDataset(dataset);
2407     boolean isProtein = !copy.isNucleotide();
2408     SequenceIdMatcher matcher = new SequenceIdMatcher(seqs);
2409     if (xrefs != null)
2410     {
2411       for (SequenceI xref : xrefs)
2412       {
2413         DBRefEntry[] dbrefs = xref.getDBRefs();
2414         if (dbrefs != null)
2415         {
2416           for (DBRefEntry dbref : dbrefs)
2417           {
2418             if (dbref.getMap() == null || dbref.getMap().getTo() == null
2419                     || dbref.getMap().getTo().isProtein() != isProtein)
2420             {
2421               continue;
2422             }
2423             SequenceI mappedTo = dbref.getMap().getTo();
2424             SequenceI match = matcher.findIdMatch(mappedTo);
2425             if (match == null)
2426             {
2427               matcher.add(mappedTo);
2428               copy.addSequence(mappedTo);
2429             }
2430           }
2431         }
2432       }
2433     }
2434     return copy;
2435   }
2436
2437   /**
2438    * Try to align sequences in 'unaligned' to match the alignment of their
2439    * mapped regions in 'aligned'. For example, could use this to align CDS
2440    * sequences which are mapped to their parent cDNA sequences.
2441    * 
2442    * This method handles 1:1 mappings (dna-to-dna or protein-to-protein). For
2443    * dna-to-protein or protein-to-dna use alternative methods.
2444    * 
2445    * @param unaligned
2446    *          sequences to be aligned
2447    * @param aligned
2448    *          holds aligned sequences and their mappings
2449    * @return
2450    */
2451   public static int alignAs(AlignmentI unaligned, AlignmentI aligned)
2452   {
2453     /*
2454      * easy case - aligning a copy of aligned sequences
2455      */
2456     if (alignAsSameSequences(unaligned, aligned))
2457     {
2458       return unaligned.getHeight();
2459     }
2460
2461     /*
2462      * fancy case - aligning via mappings between sequences
2463      */
2464     List<SequenceI> unmapped = new ArrayList<>();
2465     Map<Integer, Map<SequenceI, Character>> columnMap = buildMappedColumnsMap(
2466             unaligned, aligned, unmapped);
2467     int width = columnMap.size();
2468     char gap = unaligned.getGapCharacter();
2469     int realignedCount = 0;
2470     // TODO: verify this loop scales sensibly for very wide/high alignments
2471
2472     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2473     {
2474       if (!unmapped.contains(seq))
2475       {
2476         char[] newSeq = new char[width];
2477         Arrays.fill(newSeq, gap); // JBPComment - doubt this is faster than the
2478                                   // Integer iteration below
2479         int newCol = 0;
2480         int lastCol = 0;
2481
2482         /*
2483          * traverse the map to find columns populated
2484          * by our sequence
2485          */
2486         for (Integer column : columnMap.keySet())
2487         {
2488           Character c = columnMap.get(column).get(seq);
2489           if (c != null)
2490           {
2491             /*
2492              * sequence has a character at this position
2493              * 
2494              */
2495             newSeq[newCol] = c;
2496             lastCol = newCol;
2497           }
2498           newCol++;
2499         }
2500
2501         /*
2502          * trim trailing gaps
2503          */
2504         if (lastCol < width)
2505         {
2506           char[] tmp = new char[lastCol + 1];
2507           System.arraycopy(newSeq, 0, tmp, 0, lastCol + 1);
2508           newSeq = tmp;
2509         }
2510         // TODO: optimise SequenceI to avoid char[]->String->char[]
2511         seq.setSequence(String.valueOf(newSeq));
2512         realignedCount++;
2513       }
2514     }
2515     return realignedCount;
2516   }
2517
2518   /**
2519    * If unaligned and aligned sequences share the same dataset sequences, then
2520    * simply copies the aligned sequences to the unaligned sequences and returns
2521    * true; else returns false
2522    * 
2523    * @param unaligned
2524    *                    - sequences to be aligned based on aligned
2525    * @param aligned
2526    *                    - 'guide' alignment containing sequences derived from same
2527    *                    dataset as unaligned
2528    * @return
2529    */
2530   static boolean alignAsSameSequences(AlignmentI unaligned,
2531           AlignmentI aligned)
2532   {
2533     if (aligned.getDataset() == null || unaligned.getDataset() == null)
2534     {
2535       return false; // should only pass alignments with datasets here
2536     }
2537
2538     // map from dataset sequence to alignment sequence(s)
2539     Map<SequenceI, List<SequenceI>> alignedDatasets = new HashMap<>();
2540     for (SequenceI seq : aligned.getSequences())
2541     {
2542       SequenceI ds = seq.getDatasetSequence();
2543       if (alignedDatasets.get(ds) == null)
2544       {
2545         alignedDatasets.put(ds, new ArrayList<SequenceI>());
2546       }
2547       alignedDatasets.get(ds).add(seq);
2548     }
2549
2550     /*
2551      * first pass - check whether all sequences to be aligned share a 
2552      * dataset sequence with an aligned sequence; also note the leftmost
2553      * ungapped column from which to copy
2554      */
2555     int leftmost = Integer.MAX_VALUE;
2556     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2557     {
2558       final SequenceI ds = seq.getDatasetSequence();
2559       if (!alignedDatasets.containsKey(ds))
2560       {
2561         return false;
2562       }
2563       SequenceI alignedSeq = alignedDatasets.get(ds)
2564               .get(0);
2565       int startCol = alignedSeq.findIndex(seq.getStart()); // 1..
2566       leftmost = Math.min(leftmost, startCol);
2567     }
2568
2569     /*
2570      * second pass - copy aligned sequences;
2571      * heuristic rule: pair off sequences in order for the case where 
2572      * more than one shares the same dataset sequence 
2573      */
2574     final char gapCharacter = aligned.getGapCharacter();
2575     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2576     {
2577       List<SequenceI> alignedSequences = alignedDatasets
2578               .get(seq.getDatasetSequence());
2579       if (alignedSequences.isEmpty())
2580       {
2581         /*
2582          * defensive check - shouldn't happen! (JAL-3536)
2583          */
2584         continue;
2585       }
2586       SequenceI alignedSeq = alignedSequences.get(0);
2587
2588       /*
2589        * gap fill for leading (5') UTR if any
2590        */
2591       // TODO this copies intron columns - wrong!
2592       int startCol = alignedSeq.findIndex(seq.getStart()); // 1..
2593       int endCol = alignedSeq.findIndex(seq.getEnd());
2594       char[] seqchars = new char[endCol - leftmost + 1];
2595       Arrays.fill(seqchars, gapCharacter);
2596       char[] toCopy = alignedSeq.getSequence(startCol - 1, endCol);
2597       System.arraycopy(toCopy, 0, seqchars, startCol - leftmost,
2598               toCopy.length);
2599       seq.setSequence(String.valueOf(seqchars));
2600       if (alignedSequences.size() > 0)
2601       {
2602         // pop off aligned sequences (except the last one)
2603         alignedSequences.remove(0);
2604       }
2605     }
2606
2607     /*
2608      * finally remove gapped columns (e.g. introns)
2609      */
2610     new RemoveGapColCommand("", unaligned.getSequencesArray(), 0,
2611             unaligned.getWidth() - 1, unaligned);
2612
2613     return true;
2614   }
2615
2616   /**
2617    * Returns a map whose key is alignment column number (base 1), and whose
2618    * values are a map of sequence characters in that column.
2619    * 
2620    * @param unaligned
2621    * @param aligned
2622    * @param unmapped
2623    * @return
2624    */
2625   static SortedMap<Integer, Map<SequenceI, Character>> buildMappedColumnsMap(
2626           AlignmentI unaligned, AlignmentI aligned,
2627           List<SequenceI> unmapped)
2628   {
2629     /*
2630      * Map will hold, for each aligned column position, a map of
2631      * {unalignedSequence, characterPerSequence} at that position.
2632      * TreeMap keeps the entries in ascending column order. 
2633      */
2634     SortedMap<Integer, Map<SequenceI, Character>> map = new TreeMap<>();
2635
2636     /*
2637      * record any sequences that have no mapping so can't be realigned
2638      */
2639     unmapped.addAll(unaligned.getSequences());
2640
2641     List<AlignedCodonFrame> mappings = aligned.getCodonFrames();
2642
2643     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2644     {
2645       for (AlignedCodonFrame mapping : mappings)
2646       {
2647         SequenceI fromSeq = mapping.findAlignedSequence(seq, aligned);
2648         if (fromSeq != null)
2649         {
2650           Mapping seqMap = mapping.getMappingBetween(fromSeq, seq);
2651           if (addMappedPositions(seq, fromSeq, seqMap, map))
2652           {
2653             unmapped.remove(seq);
2654           }
2655         }
2656       }
2657     }
2658     return map;
2659   }
2660
2661   /**
2662    * Helper method that adds to a map the mapped column positions of a sequence.
2663    * <br>
2664    * For example if aaTT-Tg-gAAA is mapped to TTTAAA then the map should record
2665    * that columns 3,4,6,10,11,12 map to characters T,T,T,A,A,A of the mapped to
2666    * sequence.
2667    * 
2668    * @param seq
2669    *          the sequence whose column positions we are recording
2670    * @param fromSeq
2671    *          a sequence that is mapped to the first sequence
2672    * @param seqMap
2673    *          the mapping from 'fromSeq' to 'seq'
2674    * @param map
2675    *          a map to add the column positions (in fromSeq) of the mapped
2676    *          positions of seq
2677    * @return
2678    */
2679   static boolean addMappedPositions(SequenceI seq, SequenceI fromSeq,
2680           Mapping seqMap, Map<Integer, Map<SequenceI, Character>> map)
2681   {
2682     if (seqMap == null)
2683     {
2684       return false;
2685     }
2686
2687     /*
2688      * invert mapping if it is from unaligned to aligned sequence
2689      */
2690     if (seqMap.getTo() == fromSeq.getDatasetSequence())
2691     {
2692       seqMap = new Mapping(seq.getDatasetSequence(),
2693               seqMap.getMap().getInverse());
2694     }
2695
2696     int toStart = seq.getStart();
2697
2698     /*
2699      * traverse [start, end, start, end...] ranges in fromSeq
2700      */
2701     for (int[] fromRange : seqMap.getMap().getFromRanges())
2702     {
2703       for (int i = 0; i < fromRange.length - 1; i += 2)
2704       {
2705         boolean forward = fromRange[i + 1] >= fromRange[i];
2706
2707         /*
2708          * find the range mapped to (sequence positions base 1)
2709          */
2710         int[] range = seqMap.locateMappedRange(fromRange[i],
2711                 fromRange[i + 1]);
2712         if (range == null)
2713         {
2714           System.err.println("Error in mapping " + seqMap + " from "
2715                   + fromSeq.getName());
2716           return false;
2717         }
2718         int fromCol = fromSeq.findIndex(fromRange[i]);
2719         int mappedCharPos = range[0];
2720
2721         /*
2722          * walk over the 'from' aligned sequence in forward or reverse
2723          * direction; when a non-gap is found, record the column position
2724          * of the next character of the mapped-to sequence; stop when all
2725          * the characters of the range have been counted
2726          */
2727         while (mappedCharPos <= range[1] && fromCol <= fromSeq.getLength()
2728                 && fromCol >= 0)
2729         {
2730           if (!Comparison.isGap(fromSeq.getCharAt(fromCol - 1)))
2731           {
2732             /*
2733              * mapped from sequence has a character in this column
2734              * record the column position for the mapped to character
2735              */
2736             Map<SequenceI, Character> seqsMap = map.get(fromCol);
2737             if (seqsMap == null)
2738             {
2739               seqsMap = new HashMap<>();
2740               map.put(fromCol, seqsMap);
2741             }
2742             seqsMap.put(seq, seq.getCharAt(mappedCharPos - toStart));
2743             mappedCharPos++;
2744           }
2745           fromCol += (forward ? 1 : -1);
2746         }
2747       }
2748     }
2749     return true;
2750   }
2751
2752   // strictly temporary hack until proper criteria for aligning protein to cds
2753   // are in place; this is so Ensembl -> fetch xrefs Uniprot aligns the Uniprot
2754   public static boolean looksLikeEnsembl(AlignmentI alignment)
2755   {
2756     for (SequenceI seq : alignment.getSequences())
2757     {
2758       String name = seq.getName();
2759       if (!name.startsWith("ENSG") && !name.startsWith("ENST"))
2760       {
2761         return false;
2762       }
2763     }
2764     return true;
2765   }
2766 }