JAL-3949 Complete new abstracted logging framework in jalview.log. Updated log calls...
[jalview.git] / src / jalview / analysis / AlignmentUtils.java
1 /*
2  * Jalview - A Sequence Alignment Editor and Viewer ($$Version-Rel$$)
3  * Copyright (C) $$Year-Rel$$ The Jalview Authors
4  * 
5  * This file is part of Jalview.
6  * 
7  * Jalview is free software: you can redistribute it and/or
8  * modify it under the terms of the GNU General Public License 
9  * as published by the Free Software Foundation, either version 3
10  * of the License, or (at your option) any later version.
11  *  
12  * Jalview is distributed in the hope that it will be useful, but 
13  * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty 
14  * of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR 
15  * PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
16  * 
17  * You should have received a copy of the GNU General Public License
18  * along with Jalview.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
19  * The Jalview Authors are detailed in the 'AUTHORS' file.
20  */
21 package jalview.analysis;
22
23 import java.util.Locale;
24
25 import java.util.ArrayList;
26 import java.util.Arrays;
27 import java.util.Collection;
28 import java.util.Collections;
29 import java.util.HashMap;
30 import java.util.HashSet;
31 import java.util.Iterator;
32 import java.util.LinkedHashMap;
33 import java.util.List;
34 import java.util.Map;
35 import java.util.Map.Entry;
36 import java.util.NoSuchElementException;
37 import java.util.Set;
38 import java.util.SortedMap;
39 import java.util.TreeMap;
40
41 import jalview.bin.Cache;
42 import jalview.commands.RemoveGapColCommand;
43 import jalview.datamodel.AlignedCodon;
44 import jalview.datamodel.AlignedCodonFrame;
45 import jalview.datamodel.AlignedCodonFrame.SequenceToSequenceMapping;
46 import jalview.datamodel.Alignment;
47 import jalview.datamodel.AlignmentAnnotation;
48 import jalview.datamodel.AlignmentI;
49 import jalview.datamodel.DBRefEntry;
50 import jalview.datamodel.GeneLociI;
51 import jalview.datamodel.IncompleteCodonException;
52 import jalview.datamodel.Mapping;
53 import jalview.datamodel.Sequence;
54 import jalview.datamodel.SequenceFeature;
55 import jalview.datamodel.SequenceGroup;
56 import jalview.datamodel.SequenceI;
57 import jalview.datamodel.features.SequenceFeatures;
58 import jalview.io.gff.SequenceOntologyI;
59 import jalview.schemes.ResidueProperties;
60 import jalview.util.Comparison;
61 import jalview.util.DBRefUtils;
62 import jalview.util.IntRangeComparator;
63 import jalview.util.MapList;
64 import jalview.util.MappingUtils;
65
66 /**
67  * grab bag of useful alignment manipulation operations Expect these to be
68  * refactored elsewhere at some point.
69  * 
70  * @author jimp
71  * 
72  */
73 public class AlignmentUtils
74 {
75   private static final int CODON_LENGTH = 3;
76
77   private static final String SEQUENCE_VARIANT = "sequence_variant:";
78
79   /*
80    * the 'id' attribute is provided for variant features fetched from
81    * Ensembl using its REST service with JSON format 
82    */
83   public static final String VARIANT_ID = "id";
84
85   /**
86    * A data model to hold the 'normal' base value at a position, and an optional
87    * sequence variant feature
88    */
89   static final class DnaVariant
90   {
91     final String base;
92
93     SequenceFeature variant;
94
95     DnaVariant(String nuc)
96     {
97       base = nuc;
98       variant = null;
99     }
100
101     DnaVariant(String nuc, SequenceFeature var)
102     {
103       base = nuc;
104       variant = var;
105     }
106
107     public String getSource()
108     {
109       return variant == null ? null : variant.getFeatureGroup();
110     }
111
112     /**
113      * toString for aid in the debugger only
114      */
115     @Override
116     public String toString()
117     {
118       return base + ":" + (variant == null ? "" : variant.getDescription());
119     }
120   }
121
122   /**
123    * given an existing alignment, create a new alignment including all, or up to
124    * flankSize additional symbols from each sequence's dataset sequence
125    * 
126    * @param core
127    * @param flankSize
128    * @return AlignmentI
129    */
130   public static AlignmentI expandContext(AlignmentI core, int flankSize)
131   {
132     List<SequenceI> sq = new ArrayList<>();
133     int maxoffset = 0;
134     for (SequenceI s : core.getSequences())
135     {
136       SequenceI newSeq = s.deriveSequence();
137       final int newSeqStart = newSeq.getStart() - 1;
138       if (newSeqStart > maxoffset
139               && newSeq.getDatasetSequence().getStart() < s.getStart())
140       {
141         maxoffset = newSeqStart;
142       }
143       sq.add(newSeq);
144     }
145     if (flankSize > -1)
146     {
147       maxoffset = Math.min(maxoffset, flankSize);
148     }
149
150     /*
151      * now add offset left and right to create an expanded alignment
152      */
153     for (SequenceI s : sq)
154     {
155       SequenceI ds = s;
156       while (ds.getDatasetSequence() != null)
157       {
158         ds = ds.getDatasetSequence();
159       }
160       int s_end = s.findPosition(s.getStart() + s.getLength());
161       // find available flanking residues for sequence
162       int ustream_ds = s.getStart() - ds.getStart();
163       int dstream_ds = ds.getEnd() - s_end;
164
165       // build new flanked sequence
166
167       // compute gap padding to start of flanking sequence
168       int offset = maxoffset - ustream_ds;
169
170       // padding is gapChar x ( maxoffset - min(ustream_ds, flank)
171       if (flankSize >= 0)
172       {
173         if (flankSize < ustream_ds)
174         {
175           // take up to flankSize residues
176           offset = maxoffset - flankSize;
177           ustream_ds = flankSize;
178         }
179         if (flankSize <= dstream_ds)
180         {
181           dstream_ds = flankSize - 1;
182         }
183       }
184       // TODO use Character.toLowerCase to avoid creating String objects?
185       char[] upstream = new String(ds
186               .getSequence(s.getStart() - 1 - ustream_ds, s.getStart() - 1))
187                       .toLowerCase(Locale.ROOT).toCharArray();
188       char[] downstream = new String(
189               ds.getSequence(s_end - 1, s_end + dstream_ds)).toLowerCase(Locale.ROOT)
190                       .toCharArray();
191       char[] coreseq = s.getSequence();
192       char[] nseq = new char[offset + upstream.length + downstream.length
193               + coreseq.length];
194       char c = core.getGapCharacter();
195
196       int p = 0;
197       for (; p < offset; p++)
198       {
199         nseq[p] = c;
200       }
201
202       System.arraycopy(upstream, 0, nseq, p, upstream.length);
203       System.arraycopy(coreseq, 0, nseq, p + upstream.length,
204               coreseq.length);
205       System.arraycopy(downstream, 0, nseq,
206               p + coreseq.length + upstream.length, downstream.length);
207       s.setSequence(new String(nseq));
208       s.setStart(s.getStart() - ustream_ds);
209       s.setEnd(s_end + downstream.length);
210     }
211     AlignmentI newAl = new jalview.datamodel.Alignment(
212             sq.toArray(new SequenceI[0]));
213     for (SequenceI s : sq)
214     {
215       if (s.getAnnotation() != null)
216       {
217         for (AlignmentAnnotation aa : s.getAnnotation())
218         {
219           aa.adjustForAlignment(); // JAL-1712 fix
220           newAl.addAnnotation(aa);
221         }
222       }
223     }
224     newAl.setDataset(core.getDataset());
225     return newAl;
226   }
227
228   /**
229    * Returns the index (zero-based position) of a sequence in an alignment, or
230    * -1 if not found.
231    * 
232    * @param al
233    * @param seq
234    * @return
235    */
236   public static int getSequenceIndex(AlignmentI al, SequenceI seq)
237   {
238     int result = -1;
239     int pos = 0;
240     for (SequenceI alSeq : al.getSequences())
241     {
242       if (alSeq == seq)
243       {
244         result = pos;
245         break;
246       }
247       pos++;
248     }
249     return result;
250   }
251
252   /**
253    * Returns a map of lists of sequences in the alignment, keyed by sequence
254    * name. For use in mapping between different alignment views of the same
255    * sequences.
256    * 
257    * @see jalview.datamodel.AlignmentI#getSequencesByName()
258    */
259   public static Map<String, List<SequenceI>> getSequencesByName(
260           AlignmentI al)
261   {
262     Map<String, List<SequenceI>> theMap = new LinkedHashMap<>();
263     for (SequenceI seq : al.getSequences())
264     {
265       String name = seq.getName();
266       if (name != null)
267       {
268         List<SequenceI> seqs = theMap.get(name);
269         if (seqs == null)
270         {
271           seqs = new ArrayList<>();
272           theMap.put(name, seqs);
273         }
274         seqs.add(seq);
275       }
276     }
277     return theMap;
278   }
279
280   /**
281    * Build mapping of protein to cDNA alignment. Mappings are made between
282    * sequences where the cDNA translates to the protein sequence. Any new
283    * mappings are added to the protein alignment. Returns true if any mappings
284    * either already exist or were added, else false.
285    * 
286    * @param proteinAlignment
287    * @param cdnaAlignment
288    * @return
289    */
290   public static boolean mapProteinAlignmentToCdna(
291           final AlignmentI proteinAlignment, final AlignmentI cdnaAlignment)
292   {
293     if (proteinAlignment == null || cdnaAlignment == null)
294     {
295       return false;
296     }
297
298     Set<SequenceI> mappedDna = new HashSet<>();
299     Set<SequenceI> mappedProtein = new HashSet<>();
300
301     /*
302      * First pass - map sequences where cross-references exist. This include
303      * 1-to-many mappings to support, for example, variant cDNA.
304      */
305     boolean mappingPerformed = mapProteinToCdna(proteinAlignment,
306             cdnaAlignment, mappedDna, mappedProtein, true);
307
308     /*
309      * Second pass - map sequences where no cross-references exist. This only
310      * does 1-to-1 mappings and assumes corresponding sequences are in the same
311      * order in the alignments.
312      */
313     mappingPerformed |= mapProteinToCdna(proteinAlignment, cdnaAlignment,
314             mappedDna, mappedProtein, false);
315     return mappingPerformed;
316   }
317
318   /**
319    * Make mappings between compatible sequences (where the cDNA translation
320    * matches the protein).
321    * 
322    * @param proteinAlignment
323    * @param cdnaAlignment
324    * @param mappedDna
325    *          a set of mapped DNA sequences (to add to)
326    * @param mappedProtein
327    *          a set of mapped Protein sequences (to add to)
328    * @param xrefsOnly
329    *          if true, only map sequences where xrefs exist
330    * @return
331    */
332   protected static boolean mapProteinToCdna(
333           final AlignmentI proteinAlignment, final AlignmentI cdnaAlignment,
334           Set<SequenceI> mappedDna, Set<SequenceI> mappedProtein,
335           boolean xrefsOnly)
336   {
337     boolean mappingExistsOrAdded = false;
338     List<SequenceI> thisSeqs = proteinAlignment.getSequences();
339     for (SequenceI aaSeq : thisSeqs)
340     {
341       boolean proteinMapped = false;
342       AlignedCodonFrame acf = new AlignedCodonFrame();
343
344       for (SequenceI cdnaSeq : cdnaAlignment.getSequences())
345       {
346         /*
347          * Always try to map if sequences have xref to each other; this supports
348          * variant cDNA or alternative splicing for a protein sequence.
349          * 
350          * If no xrefs, try to map progressively, assuming that alignments have
351          * mappable sequences in corresponding order. These are not
352          * many-to-many, as that would risk mixing species with similar cDNA
353          * sequences.
354          */
355         if (xrefsOnly && !AlignmentUtils.haveCrossRef(aaSeq, cdnaSeq))
356         {
357           continue;
358         }
359
360         /*
361          * Don't map non-xrefd sequences more than once each. This heuristic
362          * allows us to pair up similar sequences in ordered alignments.
363          */
364         if (!xrefsOnly && (mappedProtein.contains(aaSeq)
365                 || mappedDna.contains(cdnaSeq)))
366         {
367           continue;
368         }
369         if (mappingExists(proteinAlignment.getCodonFrames(),
370                 aaSeq.getDatasetSequence(), cdnaSeq.getDatasetSequence()))
371         {
372           mappingExistsOrAdded = true;
373         }
374         else
375         {
376           MapList map = mapCdnaToProtein(aaSeq, cdnaSeq);
377           if (map != null)
378           {
379             acf.addMap(cdnaSeq, aaSeq, map);
380             mappingExistsOrAdded = true;
381             proteinMapped = true;
382             mappedDna.add(cdnaSeq);
383             mappedProtein.add(aaSeq);
384           }
385         }
386       }
387       if (proteinMapped)
388       {
389         proteinAlignment.addCodonFrame(acf);
390       }
391     }
392     return mappingExistsOrAdded;
393   }
394
395   /**
396    * Answers true if the mappings include one between the given (dataset)
397    * sequences.
398    */
399   protected static boolean mappingExists(List<AlignedCodonFrame> mappings,
400           SequenceI aaSeq, SequenceI cdnaSeq)
401   {
402     if (mappings != null)
403     {
404       for (AlignedCodonFrame acf : mappings)
405       {
406         if (cdnaSeq == acf.getDnaForAaSeq(aaSeq))
407         {
408           return true;
409         }
410       }
411     }
412     return false;
413   }
414
415   /**
416    * Builds a mapping (if possible) of a cDNA to a protein sequence.
417    * <ul>
418    * <li>first checks if the cdna translates exactly to the protein
419    * sequence</li>
420    * <li>else checks for translation after removing a STOP codon</li>
421    * <li>else checks for translation after removing a START codon</li>
422    * <li>if that fails, inspect CDS features on the cDNA sequence</li>
423    * </ul>
424    * Returns null if no mapping is determined.
425    * 
426    * @param proteinSeq
427    *          the aligned protein sequence
428    * @param cdnaSeq
429    *          the aligned cdna sequence
430    * @return
431    */
432   public static MapList mapCdnaToProtein(SequenceI proteinSeq,
433           SequenceI cdnaSeq)
434   {
435     /*
436      * Here we handle either dataset sequence set (desktop) or absent (applet).
437      * Use only the char[] form of the sequence to avoid creating possibly large
438      * String objects.
439      */
440     final SequenceI proteinDataset = proteinSeq.getDatasetSequence();
441     char[] aaSeqChars = proteinDataset != null
442             ? proteinDataset.getSequence()
443             : proteinSeq.getSequence();
444     final SequenceI cdnaDataset = cdnaSeq.getDatasetSequence();
445     char[] cdnaSeqChars = cdnaDataset != null ? cdnaDataset.getSequence()
446             : cdnaSeq.getSequence();
447     if (aaSeqChars == null || cdnaSeqChars == null)
448     {
449       return null;
450     }
451
452     /*
453      * cdnaStart/End, proteinStartEnd are base 1 (for dataset sequence mapping)
454      */
455     final int mappedLength = CODON_LENGTH * aaSeqChars.length;
456     int cdnaLength = cdnaSeqChars.length;
457     int cdnaStart = cdnaSeq.getStart();
458     int cdnaEnd = cdnaSeq.getEnd();
459     final int proteinStart = proteinSeq.getStart();
460     final int proteinEnd = proteinSeq.getEnd();
461
462     /*
463      * If lengths don't match, try ignoring stop codon (if present)
464      */
465     if (cdnaLength != mappedLength && cdnaLength > 2)
466     {
467       String lastCodon = String.valueOf(cdnaSeqChars,
468               cdnaLength - CODON_LENGTH, CODON_LENGTH).toUpperCase(Locale.ROOT);
469       for (String stop : ResidueProperties.STOP_CODONS)
470       {
471         if (lastCodon.equals(stop))
472         {
473           cdnaEnd -= CODON_LENGTH;
474           cdnaLength -= CODON_LENGTH;
475           break;
476         }
477       }
478     }
479
480     /*
481      * If lengths still don't match, try ignoring start codon.
482      */
483     int startOffset = 0;
484     if (cdnaLength != mappedLength && cdnaLength > 2
485             && String.valueOf(cdnaSeqChars, 0, CODON_LENGTH).toUpperCase(Locale.ROOT)
486                     .equals(ResidueProperties.START))
487     {
488       startOffset += CODON_LENGTH;
489       cdnaStart += CODON_LENGTH;
490       cdnaLength -= CODON_LENGTH;
491     }
492
493     if (translatesAs(cdnaSeqChars, startOffset, aaSeqChars))
494     {
495       /*
496        * protein is translation of dna (+/- start/stop codons)
497        */
498       MapList map = new MapList(new int[] { cdnaStart, cdnaEnd },
499               new int[]
500               { proteinStart, proteinEnd }, CODON_LENGTH, 1);
501       return map;
502     }
503
504     /*
505      * translation failed - try mapping CDS annotated regions of dna
506      */
507     return mapCdsToProtein(cdnaSeq, proteinSeq);
508   }
509
510   /**
511    * Test whether the given cdna sequence, starting at the given offset,
512    * translates to the given amino acid sequence, using the standard translation
513    * table. Designed to fail fast i.e. as soon as a mismatch position is found.
514    * 
515    * @param cdnaSeqChars
516    * @param cdnaStart
517    * @param aaSeqChars
518    * @return
519    */
520   protected static boolean translatesAs(char[] cdnaSeqChars, int cdnaStart,
521           char[] aaSeqChars)
522   {
523     if (cdnaSeqChars == null || aaSeqChars == null)
524     {
525       return false;
526     }
527
528     int aaPos = 0;
529     int dnaPos = cdnaStart;
530     for (; dnaPos < cdnaSeqChars.length - 2
531             && aaPos < aaSeqChars.length; dnaPos += CODON_LENGTH, aaPos++)
532     {
533       String codon = String.valueOf(cdnaSeqChars, dnaPos, CODON_LENGTH);
534       final String translated = ResidueProperties.codonTranslate(codon);
535
536       /*
537        * allow * in protein to match untranslatable in dna
538        */
539       final char aaRes = aaSeqChars[aaPos];
540       if ((translated == null || ResidueProperties.STOP.equals(translated))
541               && aaRes == '*')
542       {
543         continue;
544       }
545       if (translated == null || !(aaRes == translated.charAt(0)))
546       {
547         // debug
548         // System.out.println(("Mismatch at " + i + "/" + aaResidue + ": "
549         // + codon + "(" + translated + ") != " + aaRes));
550         return false;
551       }
552     }
553
554     /*
555      * check we matched all of the protein sequence
556      */
557     if (aaPos != aaSeqChars.length)
558     {
559       return false;
560     }
561
562     /*
563      * check we matched all of the dna except
564      * for optional trailing STOP codon
565      */
566     if (dnaPos == cdnaSeqChars.length)
567     {
568       return true;
569     }
570     if (dnaPos == cdnaSeqChars.length - CODON_LENGTH)
571     {
572       String codon = String.valueOf(cdnaSeqChars, dnaPos, CODON_LENGTH);
573       if (ResidueProperties.STOP
574               .equals(ResidueProperties.codonTranslate(codon)))
575       {
576         return true;
577       }
578     }
579     return false;
580   }
581
582   /**
583    * Align sequence 'seq' to match the alignment of a mapped sequence. Note this
584    * currently assumes that we are aligning cDNA to match protein.
585    * 
586    * @param seq
587    *          the sequence to be realigned
588    * @param al
589    *          the alignment whose sequence alignment is to be 'copied'
590    * @param gap
591    *          character string represent a gap in the realigned sequence
592    * @param preserveUnmappedGaps
593    * @param preserveMappedGaps
594    * @return true if the sequence was realigned, false if it could not be
595    */
596   public static boolean alignSequenceAs(SequenceI seq, AlignmentI al,
597           String gap, boolean preserveMappedGaps,
598           boolean preserveUnmappedGaps)
599   {
600     /*
601      * Get any mappings from the source alignment to the target (dataset)
602      * sequence.
603      */
604     // TODO there may be one AlignedCodonFrame per dataset sequence, or one with
605     // all mappings. Would it help to constrain this?
606     List<AlignedCodonFrame> mappings = al.getCodonFrame(seq);
607     if (mappings == null || mappings.isEmpty())
608     {
609       return false;
610     }
611
612     /*
613      * Locate the aligned source sequence whose dataset sequence is mapped. We
614      * just take the first match here (as we can't align like more than one
615      * sequence).
616      */
617     SequenceI alignFrom = null;
618     AlignedCodonFrame mapping = null;
619     for (AlignedCodonFrame mp : mappings)
620     {
621       alignFrom = mp.findAlignedSequence(seq, al);
622       if (alignFrom != null)
623       {
624         mapping = mp;
625         break;
626       }
627     }
628
629     if (alignFrom == null)
630     {
631       return false;
632     }
633     alignSequenceAs(seq, alignFrom, mapping, gap, al.getGapCharacter(),
634             preserveMappedGaps, preserveUnmappedGaps);
635     return true;
636   }
637
638   /**
639    * Align sequence 'alignTo' the same way as 'alignFrom', using the mapping to
640    * match residues and codons. Flags control whether existing gaps in unmapped
641    * (intron) and mapped (exon) regions are preserved or not. Gaps between
642    * intron and exon are only retained if both flags are set.
643    * 
644    * @param alignTo
645    * @param alignFrom
646    * @param mapping
647    * @param myGap
648    * @param sourceGap
649    * @param preserveUnmappedGaps
650    * @param preserveMappedGaps
651    */
652   public static void alignSequenceAs(SequenceI alignTo, SequenceI alignFrom,
653           AlignedCodonFrame mapping, String myGap, char sourceGap,
654           boolean preserveMappedGaps, boolean preserveUnmappedGaps)
655   {
656     // TODO generalise to work for Protein-Protein, dna-dna, dna-protein
657
658     // aligned and dataset sequence positions, all base zero
659     int thisSeqPos = 0;
660     int sourceDsPos = 0;
661
662     int basesWritten = 0;
663     char myGapChar = myGap.charAt(0);
664     int ratio = myGap.length();
665
666     int fromOffset = alignFrom.getStart() - 1;
667     int toOffset = alignTo.getStart() - 1;
668     int sourceGapMappedLength = 0;
669     boolean inExon = false;
670     final int toLength = alignTo.getLength();
671     final int fromLength = alignFrom.getLength();
672     StringBuilder thisAligned = new StringBuilder(2 * toLength);
673
674     /*
675      * Traverse the 'model' aligned sequence
676      */
677     for (int i = 0; i < fromLength; i++)
678     {
679       char sourceChar = alignFrom.getCharAt(i);
680       if (sourceChar == sourceGap)
681       {
682         sourceGapMappedLength += ratio;
683         continue;
684       }
685
686       /*
687        * Found a non-gap character. Locate its mapped region if any.
688        */
689       sourceDsPos++;
690       // Note mapping positions are base 1, our sequence positions base 0
691       int[] mappedPos = mapping.getMappedRegion(alignTo, alignFrom,
692               sourceDsPos + fromOffset);
693       if (mappedPos == null)
694       {
695         /*
696          * unmapped position; treat like a gap
697          */
698         sourceGapMappedLength += ratio;
699         // System.err.println("Can't align: no codon mapping to residue "
700         // + sourceDsPos + "(" + sourceChar + ")");
701         // return;
702         continue;
703       }
704
705       int mappedCodonStart = mappedPos[0]; // position (1...) of codon start
706       int mappedCodonEnd = mappedPos[mappedPos.length - 1]; // codon end pos
707       StringBuilder trailingCopiedGap = new StringBuilder();
708
709       /*
710        * Copy dna sequence up to and including this codon. Optionally, include
711        * gaps before the codon starts (in introns) and/or after the codon starts
712        * (in exons).
713        * 
714        * Note this only works for 'linear' splicing, not reverse or interleaved.
715        * But then 'align dna as protein' doesn't make much sense otherwise.
716        */
717       int intronLength = 0;
718       while (basesWritten + toOffset < mappedCodonEnd
719               && thisSeqPos < toLength)
720       {
721         final char c = alignTo.getCharAt(thisSeqPos++);
722         if (c != myGapChar)
723         {
724           basesWritten++;
725           int sourcePosition = basesWritten + toOffset;
726           if (sourcePosition < mappedCodonStart)
727           {
728             /*
729              * Found an unmapped (intron) base. First add in any preceding gaps
730              * (if wanted).
731              */
732             if (preserveUnmappedGaps && trailingCopiedGap.length() > 0)
733             {
734               thisAligned.append(trailingCopiedGap.toString());
735               intronLength += trailingCopiedGap.length();
736               trailingCopiedGap = new StringBuilder();
737             }
738             intronLength++;
739             inExon = false;
740           }
741           else
742           {
743             final boolean startOfCodon = sourcePosition == mappedCodonStart;
744             int gapsToAdd = calculateGapsToInsert(preserveMappedGaps,
745                     preserveUnmappedGaps, sourceGapMappedLength, inExon,
746                     trailingCopiedGap.length(), intronLength, startOfCodon);
747             for (int k = 0; k < gapsToAdd; k++)
748             {
749               thisAligned.append(myGapChar);
750             }
751             sourceGapMappedLength = 0;
752             inExon = true;
753           }
754           thisAligned.append(c);
755           trailingCopiedGap = new StringBuilder();
756         }
757         else
758         {
759           if (inExon && preserveMappedGaps)
760           {
761             trailingCopiedGap.append(myGapChar);
762           }
763           else if (!inExon && preserveUnmappedGaps)
764           {
765             trailingCopiedGap.append(myGapChar);
766           }
767         }
768       }
769     }
770
771     /*
772      * At end of model aligned sequence. Copy any remaining target sequence, optionally
773      * including (intron) gaps.
774      */
775     while (thisSeqPos < toLength)
776     {
777       final char c = alignTo.getCharAt(thisSeqPos++);
778       if (c != myGapChar || preserveUnmappedGaps)
779       {
780         thisAligned.append(c);
781       }
782       sourceGapMappedLength--;
783     }
784
785     /*
786      * finally add gaps to pad for any trailing source gaps or
787      * unmapped characters
788      */
789     if (preserveUnmappedGaps)
790     {
791       while (sourceGapMappedLength > 0)
792       {
793         thisAligned.append(myGapChar);
794         sourceGapMappedLength--;
795       }
796     }
797
798     /*
799      * All done aligning, set the aligned sequence.
800      */
801     alignTo.setSequence(new String(thisAligned));
802   }
803
804   /**
805    * Helper method to work out how many gaps to insert when realigning.
806    * 
807    * @param preserveMappedGaps
808    * @param preserveUnmappedGaps
809    * @param sourceGapMappedLength
810    * @param inExon
811    * @param trailingCopiedGap
812    * @param intronLength
813    * @param startOfCodon
814    * @return
815    */
816   protected static int calculateGapsToInsert(boolean preserveMappedGaps,
817           boolean preserveUnmappedGaps, int sourceGapMappedLength,
818           boolean inExon, int trailingGapLength, int intronLength,
819           final boolean startOfCodon)
820   {
821     int gapsToAdd = 0;
822     if (startOfCodon)
823     {
824       /*
825        * Reached start of codon. Ignore trailing gaps in intron unless we are
826        * preserving gaps in both exon and intron. Ignore them anyway if the
827        * protein alignment introduces a gap at least as large as the intronic
828        * region.
829        */
830       if (inExon && !preserveMappedGaps)
831       {
832         trailingGapLength = 0;
833       }
834       if (!inExon && !(preserveMappedGaps && preserveUnmappedGaps))
835       {
836         trailingGapLength = 0;
837       }
838       if (inExon)
839       {
840         gapsToAdd = Math.max(sourceGapMappedLength, trailingGapLength);
841       }
842       else
843       {
844         if (intronLength + trailingGapLength <= sourceGapMappedLength)
845         {
846           gapsToAdd = sourceGapMappedLength - intronLength;
847         }
848         else
849         {
850           gapsToAdd = Math.min(
851                   intronLength + trailingGapLength - sourceGapMappedLength,
852                   trailingGapLength);
853         }
854       }
855     }
856     else
857     {
858       /*
859        * second or third base of codon; check for any gaps in dna
860        */
861       if (!preserveMappedGaps)
862       {
863         trailingGapLength = 0;
864       }
865       gapsToAdd = Math.max(sourceGapMappedLength, trailingGapLength);
866     }
867     return gapsToAdd;
868   }
869
870   /**
871    * Realigns the given protein to match the alignment of the dna, using codon
872    * mappings to translate aligned codon positions to protein residues.
873    * 
874    * @param protein
875    *          the alignment whose sequences are realigned by this method
876    * @param dna
877    *          the dna alignment whose alignment we are 'copying'
878    * @return the number of sequences that were realigned
879    */
880   public static int alignProteinAsDna(AlignmentI protein, AlignmentI dna)
881   {
882     if (protein.isNucleotide() || !dna.isNucleotide())
883     {
884       System.err.println("Wrong alignment type in alignProteinAsDna");
885       return 0;
886     }
887     List<SequenceI> unmappedProtein = new ArrayList<>();
888     Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons = buildCodonColumnsMap(
889             protein, dna, unmappedProtein);
890     return alignProteinAs(protein, alignedCodons, unmappedProtein);
891   }
892
893   /**
894    * Realigns the given dna to match the alignment of the protein, using codon
895    * mappings to translate aligned peptide positions to codons.
896    * 
897    * Always produces a padded CDS alignment.
898    * 
899    * @param dna
900    *          the alignment whose sequences are realigned by this method
901    * @param protein
902    *          the protein alignment whose alignment we are 'copying'
903    * @return the number of sequences that were realigned
904    */
905   public static int alignCdsAsProtein(AlignmentI dna, AlignmentI protein)
906   {
907     if (protein.isNucleotide() || !dna.isNucleotide())
908     {
909       System.err.println("Wrong alignment type in alignProteinAsDna");
910       return 0;
911     }
912     // todo: implement this
913     List<AlignedCodonFrame> mappings = protein.getCodonFrames();
914     int alignedCount = 0;
915     int width = 0; // alignment width for padding CDS
916     for (SequenceI dnaSeq : dna.getSequences())
917     {
918       if (alignCdsSequenceAsProtein(dnaSeq, protein, mappings,
919               dna.getGapCharacter()))
920       {
921         alignedCount++;
922       }
923       width = Math.max(dnaSeq.getLength(), width);
924     }
925     int oldwidth;
926     int diff;
927     for (SequenceI dnaSeq : dna.getSequences())
928     {
929       oldwidth = dnaSeq.getLength();
930       diff = width - oldwidth;
931       if (diff > 0)
932       {
933         dnaSeq.insertCharAt(oldwidth, diff, dna.getGapCharacter());
934       }
935     }
936     return alignedCount;
937   }
938
939   /**
940    * Helper method to align (if possible) the dna sequence to match the
941    * alignment of a mapped protein sequence. This is currently limited to
942    * handling coding sequence only.
943    * 
944    * @param cdsSeq
945    * @param protein
946    * @param mappings
947    * @param gapChar
948    * @return
949    */
950   static boolean alignCdsSequenceAsProtein(SequenceI cdsSeq,
951           AlignmentI protein, List<AlignedCodonFrame> mappings,
952           char gapChar)
953   {
954     SequenceI cdsDss = cdsSeq.getDatasetSequence();
955     if (cdsDss == null)
956     {
957       System.err
958               .println("alignCdsSequenceAsProtein needs aligned sequence!");
959       return false;
960     }
961
962     List<AlignedCodonFrame> dnaMappings = MappingUtils
963             .findMappingsForSequence(cdsSeq, mappings);
964     for (AlignedCodonFrame mapping : dnaMappings)
965     {
966       SequenceI peptide = mapping.findAlignedSequence(cdsSeq, protein);
967       if (peptide != null)
968       {
969         final int peptideLength = peptide.getLength();
970         Mapping map = mapping.getMappingBetween(cdsSeq, peptide);
971         if (map != null)
972         {
973           MapList mapList = map.getMap();
974           if (map.getTo() == peptide.getDatasetSequence())
975           {
976             mapList = mapList.getInverse();
977           }
978           final int cdsLength = cdsDss.getLength();
979           int mappedFromLength = MappingUtils.getLength(mapList
980                   .getFromRanges());
981           int mappedToLength = MappingUtils
982                   .getLength(mapList.getToRanges());
983           boolean addStopCodon = (cdsLength == mappedFromLength
984                   * CODON_LENGTH + CODON_LENGTH)
985                   || (peptide.getDatasetSequence()
986                           .getLength() == mappedFromLength - 1);
987           if (cdsLength != mappedToLength && !addStopCodon)
988           {
989             System.err.println(String.format(
990                     "Can't align cds as protein (length mismatch %d/%d): %s",
991                     cdsLength, mappedToLength, cdsSeq.getName()));
992           }
993
994           /*
995            * pre-fill the aligned cds sequence with gaps
996            */
997           char[] alignedCds = new char[peptideLength * CODON_LENGTH
998                   + (addStopCodon ? CODON_LENGTH : 0)];
999           Arrays.fill(alignedCds, gapChar);
1000
1001           /*
1002            * walk over the aligned peptide sequence and insert mapped 
1003            * codons for residues in the aligned cds sequence 
1004            */
1005           int copiedBases = 0;
1006           int cdsStart = cdsDss.getStart();
1007           int proteinPos = peptide.getStart() - 1;
1008           int cdsCol = 0;
1009
1010           for (int col = 0; col < peptideLength; col++)
1011           {
1012             char residue = peptide.getCharAt(col);
1013
1014             if (Comparison.isGap(residue))
1015             {
1016               cdsCol += CODON_LENGTH;
1017             }
1018             else
1019             {
1020               proteinPos++;
1021               int[] codon = mapList.locateInTo(proteinPos, proteinPos);
1022               if (codon == null)
1023               {
1024                 // e.g. incomplete start codon, X in peptide
1025                 cdsCol += CODON_LENGTH;
1026               }
1027               else
1028               {
1029                 for (int j = codon[0]; j <= codon[1]; j++)
1030                 {
1031                   char mappedBase = cdsDss.getCharAt(j - cdsStart);
1032                   alignedCds[cdsCol++] = mappedBase;
1033                   copiedBases++;
1034                 }
1035               }
1036             }
1037           }
1038
1039           /*
1040            * append stop codon if not mapped from protein,
1041            * closing it up to the end of the mapped sequence
1042            */
1043           if (copiedBases == cdsLength - CODON_LENGTH)
1044           {
1045             for (int i = alignedCds.length - 1; i >= 0; i--)
1046             {
1047               if (!Comparison.isGap(alignedCds[i]))
1048               {
1049                 cdsCol = i + 1; // gap just after end of sequence
1050                 break;
1051               }
1052             }
1053             for (int i = cdsLength - CODON_LENGTH; i < cdsLength; i++)
1054             {
1055               alignedCds[cdsCol++] = cdsDss.getCharAt(i);
1056             }
1057           }
1058           cdsSeq.setSequence(new String(alignedCds));
1059           return true;
1060         }
1061       }
1062     }
1063     return false;
1064   }
1065
1066   /**
1067    * Builds a map whose key is an aligned codon position (3 alignment column
1068    * numbers base 0), and whose value is a map from protein sequence to each
1069    * protein's peptide residue for that codon. The map generates an ordering of
1070    * the codons, and allows us to read off the peptides at each position in
1071    * order to assemble 'aligned' protein sequences.
1072    * 
1073    * @param protein
1074    *          the protein alignment
1075    * @param dna
1076    *          the coding dna alignment
1077    * @param unmappedProtein
1078    *          any unmapped proteins are added to this list
1079    * @return
1080    */
1081   protected static Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> buildCodonColumnsMap(
1082           AlignmentI protein, AlignmentI dna,
1083           List<SequenceI> unmappedProtein)
1084   {
1085     /*
1086      * maintain a list of any proteins with no mappings - these will be
1087      * rendered 'as is' in the protein alignment as we can't align them
1088      */
1089     unmappedProtein.addAll(protein.getSequences());
1090
1091     List<AlignedCodonFrame> mappings = protein.getCodonFrames();
1092
1093     /*
1094      * Map will hold, for each aligned codon position e.g. [3, 5, 6], a map of
1095      * {dnaSequence, {proteinSequence, codonProduct}} at that position. The
1096      * comparator keeps the codon positions ordered.
1097      */
1098     Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons = new TreeMap<>(
1099             new CodonComparator());
1100
1101     for (SequenceI dnaSeq : dna.getSequences())
1102     {
1103       for (AlignedCodonFrame mapping : mappings)
1104       {
1105         SequenceI prot = mapping.findAlignedSequence(dnaSeq, protein);
1106         if (prot != null)
1107         {
1108           Mapping seqMap = mapping.getMappingForSequence(dnaSeq);
1109           addCodonPositions(dnaSeq, prot, protein.getGapCharacter(), seqMap,
1110                   alignedCodons);
1111           unmappedProtein.remove(prot);
1112         }
1113       }
1114     }
1115
1116     /*
1117      * Finally add any unmapped peptide start residues (e.g. for incomplete
1118      * codons) as if at the codon position before the second residue
1119      */
1120     // TODO resolve JAL-2022 so this fudge can be removed
1121     int mappedSequenceCount = protein.getHeight() - unmappedProtein.size();
1122     addUnmappedPeptideStarts(alignedCodons, mappedSequenceCount);
1123
1124     return alignedCodons;
1125   }
1126
1127   /**
1128    * Scans for any protein mapped from position 2 (meaning unmapped start
1129    * position e.g. an incomplete codon), and synthesizes a 'codon' for it at the
1130    * preceding position in the alignment
1131    * 
1132    * @param alignedCodons
1133    *          the codon-to-peptide map
1134    * @param mappedSequenceCount
1135    *          the number of distinct sequences in the map
1136    */
1137   protected static void addUnmappedPeptideStarts(
1138           Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons,
1139           int mappedSequenceCount)
1140   {
1141     // TODO delete this ugly hack once JAL-2022 is resolved
1142     // i.e. we can model startPhase > 0 (incomplete start codon)
1143
1144     List<SequenceI> sequencesChecked = new ArrayList<>();
1145     AlignedCodon lastCodon = null;
1146     Map<SequenceI, AlignedCodon> toAdd = new HashMap<>();
1147
1148     for (Entry<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> entry : alignedCodons
1149             .entrySet())
1150     {
1151       for (Entry<SequenceI, AlignedCodon> sequenceCodon : entry.getValue()
1152               .entrySet())
1153       {
1154         SequenceI seq = sequenceCodon.getKey();
1155         if (sequencesChecked.contains(seq))
1156         {
1157           continue;
1158         }
1159         sequencesChecked.add(seq);
1160         AlignedCodon codon = sequenceCodon.getValue();
1161         if (codon.peptideCol > 1)
1162         {
1163           System.err.println(
1164                   "Problem mapping protein with >1 unmapped start positions: "
1165                           + seq.getName());
1166         }
1167         else if (codon.peptideCol == 1)
1168         {
1169           /*
1170            * first position (peptideCol == 0) was unmapped - add it
1171            */
1172           if (lastCodon != null)
1173           {
1174             AlignedCodon firstPeptide = new AlignedCodon(lastCodon.pos1,
1175                     lastCodon.pos2, lastCodon.pos3,
1176                     String.valueOf(seq.getCharAt(0)), 0);
1177             toAdd.put(seq, firstPeptide);
1178           }
1179           else
1180           {
1181             /*
1182              * unmapped residue at start of alignment (no prior column) -
1183              * 'insert' at nominal codon [0, 0, 0]
1184              */
1185             AlignedCodon firstPeptide = new AlignedCodon(0, 0, 0,
1186                     String.valueOf(seq.getCharAt(0)), 0);
1187             toAdd.put(seq, firstPeptide);
1188           }
1189         }
1190         if (sequencesChecked.size() == mappedSequenceCount)
1191         {
1192           // no need to check past first mapped position in all sequences
1193           break;
1194         }
1195       }
1196       lastCodon = entry.getKey();
1197     }
1198
1199     /*
1200      * add any new codons safely after iterating over the map
1201      */
1202     for (Entry<SequenceI, AlignedCodon> startCodon : toAdd.entrySet())
1203     {
1204       addCodonToMap(alignedCodons, startCodon.getValue(),
1205               startCodon.getKey());
1206     }
1207   }
1208
1209   /**
1210    * Update the aligned protein sequences to match the codon alignments given in
1211    * the map.
1212    * 
1213    * @param protein
1214    * @param alignedCodons
1215    *          an ordered map of codon positions (columns), with sequence/peptide
1216    *          values present in each column
1217    * @param unmappedProtein
1218    * @return
1219    */
1220   protected static int alignProteinAs(AlignmentI protein,
1221           Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons,
1222           List<SequenceI> unmappedProtein)
1223   {
1224     /*
1225      * prefill peptide sequences with gaps 
1226      */
1227     int alignedWidth = alignedCodons.size();
1228     char[] gaps = new char[alignedWidth];
1229     Arrays.fill(gaps, protein.getGapCharacter());
1230     Map<SequenceI, char[]> peptides = new HashMap<>();
1231     for (SequenceI seq : protein.getSequences())
1232     {
1233       if (!unmappedProtein.contains(seq))
1234       {
1235         peptides.put(seq, Arrays.copyOf(gaps, gaps.length));
1236       }
1237     }
1238
1239     /*
1240      * Traverse the codons left to right (as defined by CodonComparator)
1241      * and insert peptides in each column where the sequence is mapped.
1242      * This gives a peptide 'alignment' where residues are aligned if their
1243      * corresponding codons occupy the same columns in the cdna alignment.
1244      */
1245     int column = 0;
1246     for (AlignedCodon codon : alignedCodons.keySet())
1247     {
1248       final Map<SequenceI, AlignedCodon> columnResidues = alignedCodons
1249               .get(codon);
1250       for (Entry<SequenceI, AlignedCodon> entry : columnResidues.entrySet())
1251       {
1252         char residue = entry.getValue().product.charAt(0);
1253         peptides.get(entry.getKey())[column] = residue;
1254       }
1255       column++;
1256     }
1257
1258     /*
1259      * and finally set the constructed sequences
1260      */
1261     for (Entry<SequenceI, char[]> entry : peptides.entrySet())
1262     {
1263       entry.getKey().setSequence(new String(entry.getValue()));
1264     }
1265
1266     return 0;
1267   }
1268
1269   /**
1270    * Populate the map of aligned codons by traversing the given sequence
1271    * mapping, locating the aligned positions of mapped codons, and adding those
1272    * positions and their translation products to the map.
1273    * 
1274    * @param dna
1275    *          the aligned sequence we are mapping from
1276    * @param protein
1277    *          the sequence to be aligned to the codons
1278    * @param gapChar
1279    *          the gap character in the dna sequence
1280    * @param seqMap
1281    *          a mapping to a sequence translation
1282    * @param alignedCodons
1283    *          the map we are building up
1284    */
1285   static void addCodonPositions(SequenceI dna, SequenceI protein,
1286           char gapChar, Mapping seqMap,
1287           Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons)
1288   {
1289     Iterator<AlignedCodon> codons = seqMap.getCodonIterator(dna, gapChar);
1290
1291     /*
1292      * add codon positions, and their peptide translations, to the alignment
1293      * map, while remembering the first codon mapped
1294      */
1295     while (codons.hasNext())
1296     {
1297       try
1298       {
1299         AlignedCodon codon = codons.next();
1300         addCodonToMap(alignedCodons, codon, protein);
1301       } catch (IncompleteCodonException e)
1302       {
1303         // possible incomplete trailing codon - ignore
1304       } catch (NoSuchElementException e)
1305       {
1306         // possibly peptide lacking STOP
1307       }
1308     }
1309   }
1310
1311   /**
1312    * Helper method to add a codon-to-peptide entry to the aligned codons map
1313    * 
1314    * @param alignedCodons
1315    * @param codon
1316    * @param protein
1317    */
1318   protected static void addCodonToMap(
1319           Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons,
1320           AlignedCodon codon, SequenceI protein)
1321   {
1322     Map<SequenceI, AlignedCodon> seqProduct = alignedCodons.get(codon);
1323     if (seqProduct == null)
1324     {
1325       seqProduct = new HashMap<>();
1326       alignedCodons.put(codon, seqProduct);
1327     }
1328     seqProduct.put(protein, codon);
1329   }
1330
1331   /**
1332    * Returns true if a cDNA/Protein mapping either exists, or could be made,
1333    * between at least one pair of sequences in the two alignments. Currently,
1334    * the logic is:
1335    * <ul>
1336    * <li>One alignment must be nucleotide, and the other protein</li>
1337    * <li>At least one pair of sequences must be already mapped, or mappable</li>
1338    * <li>Mappable means the nucleotide translation matches the protein
1339    * sequence</li>
1340    * <li>The translation may ignore start and stop codons if present in the
1341    * nucleotide</li>
1342    * </ul>
1343    * 
1344    * @param al1
1345    * @param al2
1346    * @return
1347    */
1348   public static boolean isMappable(AlignmentI al1, AlignmentI al2)
1349   {
1350     if (al1 == null || al2 == null)
1351     {
1352       return false;
1353     }
1354
1355     /*
1356      * Require one nucleotide and one protein
1357      */
1358     if (al1.isNucleotide() == al2.isNucleotide())
1359     {
1360       return false;
1361     }
1362     AlignmentI dna = al1.isNucleotide() ? al1 : al2;
1363     AlignmentI protein = dna == al1 ? al2 : al1;
1364     List<AlignedCodonFrame> mappings = protein.getCodonFrames();
1365     for (SequenceI dnaSeq : dna.getSequences())
1366     {
1367       for (SequenceI proteinSeq : protein.getSequences())
1368       {
1369         if (isMappable(dnaSeq, proteinSeq, mappings))
1370         {
1371           return true;
1372         }
1373       }
1374     }
1375     return false;
1376   }
1377
1378   /**
1379    * Returns true if the dna sequence is mapped, or could be mapped, to the
1380    * protein sequence.
1381    * 
1382    * @param dnaSeq
1383    * @param proteinSeq
1384    * @param mappings
1385    * @return
1386    */
1387   protected static boolean isMappable(SequenceI dnaSeq,
1388           SequenceI proteinSeq, List<AlignedCodonFrame> mappings)
1389   {
1390     if (dnaSeq == null || proteinSeq == null)
1391     {
1392       return false;
1393     }
1394
1395     SequenceI dnaDs = dnaSeq.getDatasetSequence() == null ? dnaSeq
1396             : dnaSeq.getDatasetSequence();
1397     SequenceI proteinDs = proteinSeq.getDatasetSequence() == null
1398             ? proteinSeq
1399             : proteinSeq.getDatasetSequence();
1400
1401     for (AlignedCodonFrame mapping : mappings)
1402     {
1403       if (proteinDs == mapping.getAaForDnaSeq(dnaDs))
1404       {
1405         /*
1406          * already mapped
1407          */
1408         return true;
1409       }
1410     }
1411
1412     /*
1413      * Just try to make a mapping (it is not yet stored), test whether
1414      * successful.
1415      */
1416     return mapCdnaToProtein(proteinDs, dnaDs) != null;
1417   }
1418
1419   /**
1420    * Finds any reference annotations associated with the sequences in
1421    * sequenceScope, that are not already added to the alignment, and adds them
1422    * to the 'candidates' map. Also populates a lookup table of annotation
1423    * labels, keyed by calcId, for use in constructing tooltips or the like.
1424    * 
1425    * @param sequenceScope
1426    *          the sequences to scan for reference annotations
1427    * @param labelForCalcId
1428    *          (optional) map to populate with label for calcId
1429    * @param candidates
1430    *          map to populate with annotations for sequence
1431    * @param al
1432    *          the alignment to check for presence of annotations
1433    */
1434   public static void findAddableReferenceAnnotations(
1435           List<SequenceI> sequenceScope, Map<String, String> labelForCalcId,
1436           final Map<SequenceI, List<AlignmentAnnotation>> candidates,
1437           AlignmentI al)
1438   {
1439     if (sequenceScope == null)
1440     {
1441       return;
1442     }
1443
1444     /*
1445      * For each sequence in scope, make a list of any annotations on the
1446      * underlying dataset sequence which are not already on the alignment.
1447      * 
1448      * Add to a map of { alignmentSequence, <List of annotations to add> }
1449      */
1450     for (SequenceI seq : sequenceScope)
1451     {
1452       SequenceI dataset = seq.getDatasetSequence();
1453       if (dataset == null)
1454       {
1455         continue;
1456       }
1457       AlignmentAnnotation[] datasetAnnotations = dataset.getAnnotation();
1458       if (datasetAnnotations == null)
1459       {
1460         continue;
1461       }
1462       final List<AlignmentAnnotation> result = new ArrayList<>();
1463       for (AlignmentAnnotation dsann : datasetAnnotations)
1464       {
1465         /*
1466          * Find matching annotations on the alignment. If none is found, then
1467          * add this annotation to the list of 'addable' annotations for this
1468          * sequence.
1469          */
1470         final Iterable<AlignmentAnnotation> matchedAlignmentAnnotations = al
1471                 .findAnnotations(seq, dsann.getCalcId(), dsann.label);
1472         if (!matchedAlignmentAnnotations.iterator().hasNext())
1473         {
1474           result.add(dsann);
1475           if (labelForCalcId != null)
1476           {
1477             labelForCalcId.put(dsann.getCalcId(), dsann.label);
1478           }
1479         }
1480       }
1481       /*
1482        * Save any addable annotations for this sequence
1483        */
1484       if (!result.isEmpty())
1485       {
1486         candidates.put(seq, result);
1487       }
1488     }
1489   }
1490
1491   /**
1492    * Adds annotations to the top of the alignment annotations, in the same order
1493    * as their related sequences.
1494    * 
1495    * @param annotations
1496    *          the annotations to add
1497    * @param alignment
1498    *          the alignment to add them to
1499    * @param selectionGroup
1500    *          current selection group (or null if none)
1501    */
1502   public static void addReferenceAnnotations(
1503           Map<SequenceI, List<AlignmentAnnotation>> annotations,
1504           final AlignmentI alignment, final SequenceGroup selectionGroup)
1505   {
1506     for (SequenceI seq : annotations.keySet())
1507     {
1508       for (AlignmentAnnotation ann : annotations.get(seq))
1509       {
1510         AlignmentAnnotation copyAnn = new AlignmentAnnotation(ann);
1511         int startRes = 0;
1512         int endRes = ann.annotations.length;
1513         if (selectionGroup != null)
1514         {
1515           startRes = selectionGroup.getStartRes();
1516           endRes = selectionGroup.getEndRes();
1517         }
1518         copyAnn.restrict(startRes, endRes);
1519
1520         /*
1521          * Add to the sequence (sets copyAnn.datasetSequence), unless the
1522          * original annotation is already on the sequence.
1523          */
1524         if (!seq.hasAnnotation(ann))
1525         {
1526           seq.addAlignmentAnnotation(copyAnn);
1527         }
1528         // adjust for gaps
1529         copyAnn.adjustForAlignment();
1530         // add to the alignment and set visible
1531         alignment.addAnnotation(copyAnn);
1532         copyAnn.visible = true;
1533       }
1534     }
1535   }
1536
1537   /**
1538    * Set visibility of alignment annotations of specified types (labels), for
1539    * specified sequences. This supports controls like "Show all secondary
1540    * structure", "Hide all Temp factor", etc.
1541    * 
1542    * @al the alignment to scan for annotations
1543    * @param types
1544    *          the types (labels) of annotations to be updated
1545    * @param forSequences
1546    *          if not null, only annotations linked to one of these sequences are
1547    *          in scope for update; if null, acts on all sequence annotations
1548    * @param anyType
1549    *          if this flag is true, 'types' is ignored (label not checked)
1550    * @param doShow
1551    *          if true, set visibility on, else set off
1552    */
1553   public static void showOrHideSequenceAnnotations(AlignmentI al,
1554           Collection<String> types, List<SequenceI> forSequences,
1555           boolean anyType, boolean doShow)
1556   {
1557     AlignmentAnnotation[] anns = al.getAlignmentAnnotation();
1558     if (anns != null)
1559     {
1560       for (AlignmentAnnotation aa : anns)
1561       {
1562         if (anyType || types.contains(aa.label))
1563         {
1564           if ((aa.sequenceRef != null) && (forSequences == null
1565                   || forSequences.contains(aa.sequenceRef)))
1566           {
1567             aa.visible = doShow;
1568           }
1569         }
1570       }
1571     }
1572   }
1573
1574   /**
1575    * Returns true if either sequence has a cross-reference to the other
1576    * 
1577    * @param seq1
1578    * @param seq2
1579    * @return
1580    */
1581   public static boolean haveCrossRef(SequenceI seq1, SequenceI seq2)
1582   {
1583     // Note: moved here from class CrossRef as the latter class has dependencies
1584     // not availability to the applet's classpath
1585     return hasCrossRef(seq1, seq2) || hasCrossRef(seq2, seq1);
1586   }
1587
1588   /**
1589    * Returns true if seq1 has a cross-reference to seq2. Currently this assumes
1590    * that sequence name is structured as Source|AccessionId.
1591    * 
1592    * @param seq1
1593    * @param seq2
1594    * @return
1595    */
1596   public static boolean hasCrossRef(SequenceI seq1, SequenceI seq2)
1597   {
1598     if (seq1 == null || seq2 == null)
1599     {
1600       return false;
1601     }
1602     String name = seq2.getName();
1603     final List<DBRefEntry> xrefs = seq1.getDBRefs();
1604     if (xrefs != null)
1605     {
1606       for (int ix = 0, nx = xrefs.size(); ix < nx; ix++)
1607       {
1608         DBRefEntry xref = xrefs.get(ix);
1609         String xrefName = xref.getSource() + "|" + xref.getAccessionId();
1610         // case-insensitive test, consistent with DBRefEntry.equalRef()
1611         if (xrefName.equalsIgnoreCase(name))
1612         {
1613           return true;
1614         }
1615       }
1616     }
1617     return false;
1618   }
1619
1620   /**
1621    * Constructs an alignment consisting of the mapped (CDS) regions in the given
1622    * nucleotide sequences, and updates mappings to match. The CDS sequences are
1623    * added to the original alignment's dataset, which is shared by the new
1624    * alignment. Mappings from nucleotide to CDS, and from CDS to protein, are
1625    * added to the alignment dataset.
1626    * 
1627    * @param dna
1628    *          aligned nucleotide (dna or cds) sequences
1629    * @param dataset
1630    *          the alignment dataset the sequences belong to
1631    * @param products
1632    *          (optional) to restrict results to CDS that map to specified
1633    *          protein products
1634    * @return an alignment whose sequences are the cds-only parts of the dna
1635    *         sequences (or null if no mappings are found)
1636    */
1637   public static AlignmentI makeCdsAlignment(SequenceI[] dna,
1638           AlignmentI dataset, SequenceI[] products)
1639   {
1640     if (dataset == null || dataset.getDataset() != null)
1641     {
1642       throw new IllegalArgumentException(
1643               "IMPLEMENTATION ERROR: dataset.getDataset() must be null!");
1644     }
1645     List<SequenceI> foundSeqs = new ArrayList<>();
1646     List<SequenceI> cdsSeqs = new ArrayList<>();
1647     List<AlignedCodonFrame> mappings = dataset.getCodonFrames();
1648     HashSet<SequenceI> productSeqs = null;
1649     if (products != null)
1650     {
1651       productSeqs = new HashSet<>();
1652       for (SequenceI seq : products)
1653       {
1654         productSeqs.add(seq.getDatasetSequence() == null ? seq : seq
1655                 .getDatasetSequence());
1656       }
1657     }
1658
1659     /*
1660      * Construct CDS sequences from mappings on the alignment dataset.
1661      * The logic is:
1662      * - find the protein product(s) mapped to from each dna sequence
1663      * - if the mapping covers the whole dna sequence (give or take start/stop
1664      *   codon), take the dna as the CDS sequence
1665      * - else search dataset mappings for a suitable dna sequence, i.e. one
1666      *   whose whole sequence is mapped to the protein 
1667      * - if no sequence found, construct one from the dna sequence and mapping
1668      *   (and add it to dataset so it is found if this is repeated)
1669      */
1670     for (SequenceI dnaSeq : dna)
1671     {
1672       SequenceI dnaDss = dnaSeq.getDatasetSequence() == null ? dnaSeq
1673               : dnaSeq.getDatasetSequence();
1674
1675       List<AlignedCodonFrame> seqMappings = MappingUtils
1676               .findMappingsForSequence(dnaSeq, mappings);
1677       for (AlignedCodonFrame mapping : seqMappings)
1678       {
1679         List<Mapping> mappingsFromSequence = mapping
1680                 .getMappingsFromSequence(dnaSeq);
1681
1682         for (Mapping aMapping : mappingsFromSequence)
1683         {
1684           MapList mapList = aMapping.getMap();
1685           if (mapList.getFromRatio() == 1)
1686           {
1687             /*
1688              * not a dna-to-protein mapping (likely dna-to-cds)
1689              */
1690             continue;
1691           }
1692
1693           /*
1694            * skip if mapping is not to one of the target set of proteins
1695            */
1696           SequenceI proteinProduct = aMapping.getTo();
1697           if (productSeqs != null && !productSeqs.contains(proteinProduct))
1698           {
1699             continue;
1700           }
1701
1702           /*
1703            * try to locate the CDS from the dataset mappings;
1704            * guard against duplicate results (for the case that protein has
1705            * dbrefs to both dna and cds sequences)
1706            */
1707           SequenceI cdsSeq = findCdsForProtein(mappings, dnaSeq,
1708                   seqMappings, aMapping);
1709           if (cdsSeq != null)
1710           {
1711             if (!foundSeqs.contains(cdsSeq))
1712             {
1713               foundSeqs.add(cdsSeq);
1714               SequenceI derivedSequence = cdsSeq.deriveSequence();
1715               cdsSeqs.add(derivedSequence);
1716               if (!dataset.getSequences().contains(cdsSeq))
1717               {
1718                 dataset.addSequence(cdsSeq);
1719               }
1720             }
1721             continue;
1722           }
1723
1724           /*
1725            * didn't find mapped CDS sequence - construct it and add
1726            * its dataset sequence to the dataset
1727            */
1728           cdsSeq = makeCdsSequence(dnaSeq.getDatasetSequence(), aMapping,
1729                   dataset).deriveSequence();
1730           // cdsSeq has a name constructed as CDS|<dbref>
1731           // <dbref> will be either the accession for the coding sequence,
1732           // marked in the /via/ dbref to the protein product accession
1733           // or it will be the original nucleotide accession.
1734           SequenceI cdsSeqDss = cdsSeq.getDatasetSequence();
1735
1736           cdsSeqs.add(cdsSeq);
1737
1738           /*
1739            * build the mapping from CDS to protein
1740            */
1741           List<int[]> cdsRange = Collections
1742                   .singletonList(new int[]
1743                   { cdsSeq.getStart(),
1744                       cdsSeq.getLength() + cdsSeq.getStart() - 1 });
1745           MapList cdsToProteinMap = new MapList(cdsRange,
1746                   mapList.getToRanges(), mapList.getFromRatio(),
1747                   mapList.getToRatio());
1748
1749           if (!dataset.getSequences().contains(cdsSeqDss))
1750           {
1751             /*
1752              * if this sequence is a newly created one, add it to the dataset
1753              * and made a CDS to protein mapping (if sequence already exists,
1754              * CDS-to-protein mapping _is_ the transcript-to-protein mapping)
1755              */
1756             dataset.addSequence(cdsSeqDss);
1757             AlignedCodonFrame cdsToProteinMapping = new AlignedCodonFrame();
1758             cdsToProteinMapping.addMap(cdsSeqDss, proteinProduct,
1759                   cdsToProteinMap);
1760
1761             /*
1762              * guard against duplicating the mapping if repeating this action
1763              */
1764             if (!mappings.contains(cdsToProteinMapping))
1765             {
1766               mappings.add(cdsToProteinMapping);
1767             }
1768           }
1769
1770           propagateDBRefsToCDS(cdsSeqDss, dnaSeq.getDatasetSequence(),
1771                   proteinProduct, aMapping);
1772           /*
1773            * add another mapping from original 'from' range to CDS
1774            */
1775           AlignedCodonFrame dnaToCdsMapping = new AlignedCodonFrame();
1776           final MapList dnaToCdsMap = new MapList(mapList.getFromRanges(),
1777                   cdsRange, 1, 1);
1778           dnaToCdsMapping.addMap(dnaSeq.getDatasetSequence(), cdsSeqDss,
1779                   dnaToCdsMap);
1780           if (!mappings.contains(dnaToCdsMapping))
1781           {
1782             mappings.add(dnaToCdsMapping);
1783           }
1784
1785           /*
1786            * transfer dna chromosomal loci (if known) to the CDS
1787            * sequence (via the mapping)
1788            */
1789           final MapList cdsToDnaMap = dnaToCdsMap.getInverse();
1790           transferGeneLoci(dnaSeq, cdsToDnaMap, cdsSeq);
1791
1792           /*
1793            * add DBRef with mapping from protein to CDS
1794            * (this enables Get Cross-References from protein alignment)
1795            * This is tricky because we can't have two DBRefs with the
1796            * same source and accession, so need a different accession for
1797            * the CDS from the dna sequence
1798            */
1799
1800           // specific use case:
1801           // Genomic contig ENSCHR:1, contains coding regions for ENSG01,
1802           // ENSG02, ENSG03, with transcripts and products similarly named.
1803           // cannot add distinct dbrefs mapping location on ENSCHR:1 to ENSG01
1804
1805           // JBPNote: ?? can't actually create an example that demonstrates we
1806           // need to
1807           // synthesize an xref.
1808
1809           List<DBRefEntry> primrefs = dnaDss.getPrimaryDBRefs();
1810           for (int ip = 0, np = primrefs.size(); ip < np; ip++)
1811           {
1812                   DBRefEntry primRef = primrefs.get(ip);
1813             /*
1814              * create a cross-reference from CDS to the source sequence's
1815              * primary reference and vice versa
1816              */
1817             String source = primRef.getSource();
1818             String version = primRef.getVersion();
1819             DBRefEntry cdsCrossRef = new DBRefEntry(source, source + ":"
1820                     + version, primRef.getAccessionId());
1821             cdsCrossRef.setMap(new Mapping(dnaDss, new MapList(cdsToDnaMap)));
1822             cdsSeqDss.addDBRef(cdsCrossRef);
1823
1824             dnaSeq.addDBRef(new DBRefEntry(source, version, cdsSeq
1825                     .getName(), new Mapping(cdsSeqDss, dnaToCdsMap)));
1826             // problem here is that the cross-reference is synthesized -
1827             // cdsSeq.getName() may be like 'CDS|dnaaccession' or
1828             // 'CDS|emblcdsacc'
1829             // assuming cds version same as dna ?!?
1830
1831             DBRefEntry proteinToCdsRef = new DBRefEntry(source, version,
1832                     cdsSeq.getName());
1833             //
1834             proteinToCdsRef.setMap(new Mapping(cdsSeqDss, cdsToProteinMap
1835                     .getInverse()));
1836             proteinProduct.addDBRef(proteinToCdsRef);
1837           }
1838           /*
1839            * transfer any features on dna that overlap the CDS
1840            */
1841           transferFeatures(dnaSeq, cdsSeq, dnaToCdsMap, null,
1842                   SequenceOntologyI.CDS);
1843         }
1844       }
1845     }
1846
1847     AlignmentI cds = new Alignment(cdsSeqs.toArray(new SequenceI[cdsSeqs
1848             .size()]));
1849     cds.setDataset(dataset);
1850
1851     return cds;
1852   }
1853
1854   /**
1855    * Tries to transfer gene loci (dbref to chromosome positions) from fromSeq to
1856    * toSeq, mediated by the given mapping between the sequences
1857    * 
1858    * @param fromSeq
1859    * @param targetToFrom
1860    *          Map
1861    * @param targetSeq
1862    */
1863   protected static void transferGeneLoci(SequenceI fromSeq,
1864           MapList targetToFrom, SequenceI targetSeq)
1865   {
1866     if (targetSeq.getGeneLoci() != null)
1867     {
1868       // already have - don't override
1869       return;
1870     }
1871     GeneLociI fromLoci = fromSeq.getGeneLoci();
1872     if (fromLoci == null)
1873     {
1874       return;
1875     }
1876
1877     MapList newMap = targetToFrom.traverse(fromLoci.getMapping());
1878
1879     if (newMap != null)
1880     {
1881       targetSeq.setGeneLoci(fromLoci.getSpeciesId(),
1882               fromLoci.getAssemblyId(), fromLoci.getChromosomeId(), newMap);
1883     }
1884   }
1885
1886   /**
1887    * A helper method that finds a CDS sequence in the alignment dataset that is
1888    * mapped to the given protein sequence, and either is, or has a mapping from,
1889    * the given dna sequence.
1890    * 
1891    * @param mappings
1892    *          set of all mappings on the dataset
1893    * @param dnaSeq
1894    *          a dna (or cds) sequence we are searching from
1895    * @param seqMappings
1896    *          the set of mappings involving dnaSeq
1897    * @param aMapping
1898    *          a transcript-to-peptide mapping
1899    * @return
1900    */
1901   static SequenceI findCdsForProtein(List<AlignedCodonFrame> mappings,
1902           SequenceI dnaSeq, List<AlignedCodonFrame> seqMappings,
1903           Mapping aMapping)
1904   {
1905     /*
1906      * TODO a better dna-cds-protein mapping data representation to allow easy
1907      * navigation; until then this clunky looping around lists of mappings
1908      */
1909     SequenceI seqDss = dnaSeq.getDatasetSequence() == null ? dnaSeq
1910             : dnaSeq.getDatasetSequence();
1911     SequenceI proteinProduct = aMapping.getTo();
1912
1913     /*
1914      * is this mapping from the whole dna sequence (i.e. CDS)?
1915      * allowing for possible stop codon on dna but not peptide
1916      */
1917     int mappedFromLength = MappingUtils
1918             .getLength(aMapping.getMap().getFromRanges());
1919     int dnaLength = seqDss.getLength();
1920     if (mappedFromLength == dnaLength
1921             || mappedFromLength == dnaLength - CODON_LENGTH)
1922     {
1923       /*
1924        * if sequence has CDS features, this is a transcript with no UTR
1925        * - do not take this as the CDS sequence! (JAL-2789)
1926        */
1927       if (seqDss.getFeatures().getFeaturesByOntology(SequenceOntologyI.CDS)
1928               .isEmpty())
1929       {
1930         return seqDss;
1931       }
1932     }
1933
1934     /*
1935      * looks like we found the dna-to-protein mapping; search for the
1936      * corresponding cds-to-protein mapping
1937      */
1938     List<AlignedCodonFrame> mappingsToPeptide = MappingUtils
1939             .findMappingsForSequence(proteinProduct, mappings);
1940     for (AlignedCodonFrame acf : mappingsToPeptide)
1941     {
1942       for (SequenceToSequenceMapping map : acf.getMappings())
1943       {
1944         Mapping mapping = map.getMapping();
1945         if (mapping != aMapping
1946                 && mapping.getMap().getFromRatio() == CODON_LENGTH
1947                 && proteinProduct == mapping.getTo()
1948                 && seqDss != map.getFromSeq())
1949         {
1950           mappedFromLength = MappingUtils
1951                   .getLength(mapping.getMap().getFromRanges());
1952           if (mappedFromLength == map.getFromSeq().getLength())
1953           {
1954             /*
1955             * found a 3:1 mapping to the protein product which covers
1956             * the whole dna sequence i.e. is from CDS; finally check the CDS
1957             * is mapped from the given dna start sequence
1958             */
1959             SequenceI cdsSeq = map.getFromSeq();
1960             // todo this test is weak if seqMappings contains multiple mappings;
1961             // we get away with it if transcript:cds relationship is 1:1
1962             List<AlignedCodonFrame> dnaToCdsMaps = MappingUtils
1963                     .findMappingsForSequence(cdsSeq, seqMappings);
1964             if (!dnaToCdsMaps.isEmpty())
1965             {
1966               return cdsSeq;
1967             }
1968           }
1969         }
1970       }
1971     }
1972     return null;
1973   }
1974
1975   /**
1976    * Helper method that makes a CDS sequence as defined by the mappings from the
1977    * given sequence i.e. extracts the 'mapped from' ranges (which may be on
1978    * forward or reverse strand).
1979    * 
1980    * @param seq
1981    * @param mapping
1982    * @param dataset
1983    *          - existing dataset. We check for sequences that look like the CDS
1984    *          we are about to construct, if one exists already, then we will
1985    *          just return that one.
1986    * @return CDS sequence (as a dataset sequence)
1987    */
1988   static SequenceI makeCdsSequence(SequenceI seq, Mapping mapping,
1989           AlignmentI dataset)
1990   {
1991     /*
1992      * construct CDS sequence name as "CDS|" with 'from id' held in the mapping
1993      * if set (e.g. EMBL protein_id), else sequence name appended
1994      */
1995     String mapFromId = mapping.getMappedFromId();
1996     final String seqId = "CDS|"
1997             + (mapFromId != null ? mapFromId : seq.getName());
1998
1999     SequenceI newSeq = null;
2000
2001     /*
2002      * construct CDS sequence by splicing mapped from ranges
2003      */
2004     char[] seqChars = seq.getSequence();
2005     List<int[]> fromRanges = mapping.getMap().getFromRanges();
2006     int cdsWidth = MappingUtils.getLength(fromRanges);
2007     char[] newSeqChars = new char[cdsWidth];
2008
2009     int newPos = 0;
2010     for (int[] range : fromRanges)
2011     {
2012       if (range[0] <= range[1])
2013       {
2014         // forward strand mapping - just copy the range
2015         int length = range[1] - range[0] + 1;
2016         System.arraycopy(seqChars, range[0] - 1, newSeqChars, newPos,
2017                 length);
2018         newPos += length;
2019       }
2020       else
2021       {
2022         // reverse strand mapping - copy and complement one by one
2023         for (int i = range[0]; i >= range[1]; i--)
2024         {
2025           newSeqChars[newPos++] = Dna.getComplement(seqChars[i - 1]);
2026         }
2027       }
2028
2029       newSeq = new Sequence(seqId, newSeqChars, 1, newPos);
2030     }
2031
2032     if (dataset != null)
2033     {
2034       SequenceI[] matches = dataset.findSequenceMatch(newSeq.getName());
2035       if (matches != null)
2036       {
2037         boolean matched = false;
2038         for (SequenceI mtch : matches)
2039         {
2040           if (mtch.getStart() != newSeq.getStart())
2041           {
2042             continue;
2043           }
2044           if (mtch.getEnd() != newSeq.getEnd())
2045           {
2046             continue;
2047           }
2048           if (!Arrays.equals(mtch.getSequence(), newSeq.getSequence()))
2049           {
2050             continue;
2051           }
2052           if (!matched)
2053           {
2054             matched = true;
2055             newSeq = mtch;
2056           }
2057           else
2058           {
2059             Cache.error(
2060                     "JAL-2154 regression: warning - found (and ignored) a duplicate CDS sequence:" + mtch.toString());
2061           }
2062         }
2063       }
2064     }
2065     // newSeq.setDescription(mapFromId);
2066
2067     return newSeq;
2068   }
2069
2070   /**
2071    * Adds any DBRefEntrys to cdsSeq from contig that have a Mapping congruent to
2072    * the given mapping.
2073    * 
2074    * @param cdsSeq
2075    * @param contig
2076    * @param proteinProduct
2077    * @param mapping
2078    * @return list of DBRefEntrys added
2079    */
2080   protected static List<DBRefEntry> propagateDBRefsToCDS(SequenceI cdsSeq,
2081           SequenceI contig, SequenceI proteinProduct, Mapping mapping)
2082   {
2083
2084     // gather direct refs from contig congruent with mapping
2085     List<DBRefEntry> direct = new ArrayList<>();
2086     HashSet<String> directSources = new HashSet<>();
2087
2088     List<DBRefEntry> refs = contig.getDBRefs();
2089     if (refs != null)
2090     {
2091       for (int ib = 0, nb = refs.size(); ib < nb; ib++)
2092       {
2093         DBRefEntry dbr = refs.get(ib);
2094         MapList map;
2095         if (dbr.hasMap() && (map = dbr.getMap().getMap()).isTripletMap())
2096         {
2097           // check if map is the CDS mapping
2098           if (mapping.getMap().equals(map))
2099           {
2100             direct.add(dbr);
2101             directSources.add(dbr.getSource());
2102           }
2103         }
2104       }
2105     }
2106     List<DBRefEntry> onSource = DBRefUtils.selectRefs(
2107             proteinProduct.getDBRefs(),
2108             directSources.toArray(new String[0]));
2109     List<DBRefEntry> propagated = new ArrayList<>();
2110
2111     // and generate appropriate mappings
2112     for (int ic = 0, nc = direct.size(); ic < nc; ic++)
2113     {
2114       DBRefEntry cdsref = direct.get(ic);
2115       Mapping m = cdsref.getMap();
2116       // clone maplist and mapping
2117       MapList cdsposmap = new MapList(
2118               Arrays.asList(new int[][]
2119               { new int[] { cdsSeq.getStart(), cdsSeq.getEnd() } }),
2120               m.getMap().getToRanges(), 3, 1);
2121       Mapping cdsmap = new Mapping(m.getTo(), m.getMap());
2122
2123       // create dbref
2124       DBRefEntry newref = new DBRefEntry(cdsref.getSource(),
2125               cdsref.getVersion(), cdsref.getAccessionId(),
2126               new Mapping(cdsmap.getTo(), cdsposmap));
2127
2128       // and see if we can map to the protein product for this mapping.
2129       // onSource is the filtered set of accessions on protein that we are
2130       // tranferring, so we assume accession is the same.
2131       if (cdsmap.getTo() == null && onSource != null)
2132       {
2133         List<DBRefEntry> sourceRefs = DBRefUtils.searchRefs(onSource,
2134                 cdsref.getAccessionId());
2135         if (sourceRefs != null)
2136         {
2137           for (DBRefEntry srcref : sourceRefs)
2138           {
2139             if (srcref.getSource().equalsIgnoreCase(cdsref.getSource()))
2140             {
2141               // we have found a complementary dbref on the protein product, so
2142               // update mapping's getTo
2143               newref.getMap().setTo(proteinProduct);
2144             }
2145           }
2146         }
2147       }
2148       cdsSeq.addDBRef(newref);
2149       propagated.add(newref);
2150     }
2151     return propagated;
2152   }
2153
2154   /**
2155    * Transfers co-located features on 'fromSeq' to 'toSeq', adjusting the
2156    * feature start/end ranges, optionally omitting specified feature types.
2157    * Returns the number of features copied.
2158    * 
2159    * @param fromSeq
2160    * @param toSeq
2161    * @param mapping
2162    *          the mapping from 'fromSeq' to 'toSeq'
2163    * @param select
2164    *          if not null, only features of this type are copied (including
2165    *          subtypes in the Sequence Ontology)
2166    * @param omitting
2167    */
2168   protected static int transferFeatures(SequenceI fromSeq, SequenceI toSeq,
2169           MapList mapping, String select, String... omitting)
2170   {
2171     SequenceI copyTo = toSeq;
2172     while (copyTo.getDatasetSequence() != null)
2173     {
2174       copyTo = copyTo.getDatasetSequence();
2175     }
2176     if (fromSeq == copyTo || fromSeq.getDatasetSequence() == copyTo)
2177     {
2178       return 0; // shared dataset sequence
2179     }
2180
2181     /*
2182      * get features, optionally restricted by an ontology term
2183      */
2184     List<SequenceFeature> sfs = select == null ? fromSeq.getFeatures()
2185             .getPositionalFeatures() : fromSeq.getFeatures()
2186             .getFeaturesByOntology(select);
2187
2188     int count = 0;
2189     for (SequenceFeature sf : sfs)
2190     {
2191       String type = sf.getType();
2192       boolean omit = false;
2193       for (String toOmit : omitting)
2194       {
2195         if (type.equals(toOmit))
2196         {
2197           omit = true;
2198         }
2199       }
2200       if (omit)
2201       {
2202         continue;
2203       }
2204
2205       /*
2206        * locate the mapped range - null if either start or end is
2207        * not mapped (no partial overlaps are calculated)
2208        */
2209       int start = sf.getBegin();
2210       int end = sf.getEnd();
2211       int[] mappedTo = mapping.locateInTo(start, end);
2212       /*
2213        * if whole exon range doesn't map, try interpreting it
2214        * as 5' or 3' exon overlapping the CDS range
2215        */
2216       if (mappedTo == null)
2217       {
2218         mappedTo = mapping.locateInTo(end, end);
2219         if (mappedTo != null)
2220         {
2221           /*
2222            * end of exon is in CDS range - 5' overlap
2223            * to a range from the start of the peptide
2224            */
2225           mappedTo[0] = 1;
2226         }
2227       }
2228       if (mappedTo == null)
2229       {
2230         mappedTo = mapping.locateInTo(start, start);
2231         if (mappedTo != null)
2232         {
2233           /*
2234            * start of exon is in CDS range - 3' overlap
2235            * to a range up to the end of the peptide
2236            */
2237           mappedTo[1] = toSeq.getLength();
2238         }
2239       }
2240       if (mappedTo != null)
2241       {
2242         int newBegin = Math.min(mappedTo[0], mappedTo[1]);
2243         int newEnd = Math.max(mappedTo[0], mappedTo[1]);
2244         SequenceFeature copy = new SequenceFeature(sf, newBegin, newEnd,
2245                 sf.getFeatureGroup(), sf.getScore());
2246         copyTo.addSequenceFeature(copy);
2247         count++;
2248       }
2249     }
2250     return count;
2251   }
2252
2253   /**
2254    * Returns a mapping from dna to protein by inspecting sequence features of
2255    * type "CDS" on the dna. A mapping is constructed if the total CDS feature
2256    * length is 3 times the peptide length (optionally after dropping a trailing
2257    * stop codon). This method does not check whether the CDS nucleotide sequence
2258    * translates to the peptide sequence.
2259    * 
2260    * @param dnaSeq
2261    * @param proteinSeq
2262    * @return
2263    */
2264   public static MapList mapCdsToProtein(SequenceI dnaSeq,
2265           SequenceI proteinSeq)
2266   {
2267     List<int[]> ranges = findCdsPositions(dnaSeq);
2268     int mappedDnaLength = MappingUtils.getLength(ranges);
2269
2270     /*
2271      * if not a whole number of codons, truncate mapping
2272      */
2273     int codonRemainder = mappedDnaLength % CODON_LENGTH;
2274     if (codonRemainder > 0)
2275     {
2276       mappedDnaLength -= codonRemainder;
2277       MappingUtils.removeEndPositions(codonRemainder, ranges);
2278     }
2279
2280     int proteinLength = proteinSeq.getLength();
2281     int proteinStart = proteinSeq.getStart();
2282     int proteinEnd = proteinSeq.getEnd();
2283
2284     /*
2285      * incomplete start codon may mean X at start of peptide
2286      * we ignore both for mapping purposes
2287      */
2288     if (proteinSeq.getCharAt(0) == 'X')
2289     {
2290       // todo JAL-2022 support startPhase > 0
2291       proteinStart++;
2292       proteinLength--;
2293     }
2294     List<int[]> proteinRange = new ArrayList<>();
2295
2296     /*
2297      * dna length should map to protein (or protein plus stop codon)
2298      */
2299     int codesForResidues = mappedDnaLength / CODON_LENGTH;
2300     if (codesForResidues == (proteinLength + 1))
2301     {
2302       // assuming extra codon is for STOP and not in peptide
2303       // todo: check trailing codon is indeed a STOP codon
2304       codesForResidues--;
2305       mappedDnaLength -= CODON_LENGTH;
2306       MappingUtils.removeEndPositions(CODON_LENGTH, ranges);
2307     }
2308
2309     if (codesForResidues == proteinLength)
2310     {
2311       proteinRange.add(new int[] { proteinStart, proteinEnd });
2312       return new MapList(ranges, proteinRange, CODON_LENGTH, 1);
2313     }
2314     return null;
2315   }
2316
2317   /**
2318    * Returns a list of CDS ranges found (as sequence positions base 1), i.e. of
2319    * [start, end] positions of sequence features of type "CDS" (or a sub-type of
2320    * CDS in the Sequence Ontology). The ranges are sorted into ascending start
2321    * position order, so this method is only valid for linear CDS in the same
2322    * sense as the protein product.
2323    * 
2324    * @param dnaSeq
2325    * @return
2326    */
2327   protected static List<int[]> findCdsPositions(SequenceI dnaSeq)
2328   {
2329     List<int[]> result = new ArrayList<>();
2330
2331     List<SequenceFeature> sfs = dnaSeq.getFeatures().getFeaturesByOntology(
2332             SequenceOntologyI.CDS);
2333     if (sfs.isEmpty())
2334     {
2335       return result;
2336     }
2337     SequenceFeatures.sortFeatures(sfs, true);
2338
2339     for (SequenceFeature sf : sfs)
2340     {
2341       int phase = 0;
2342       try
2343       {
2344         String s = sf.getPhase();
2345         if (s != null) 
2346         {
2347                 phase = Integer.parseInt(s);
2348         }
2349       } catch (NumberFormatException e)
2350       {
2351         // leave as zero
2352       }
2353       /*
2354        * phase > 0 on first codon means 5' incomplete - skip to the start
2355        * of the next codon; example ENST00000496384
2356        */
2357       int begin = sf.getBegin();
2358       int end = sf.getEnd();
2359       if (result.isEmpty() && phase > 0)
2360       {
2361         begin += phase;
2362         if (begin > end)
2363         {
2364           // shouldn't happen!
2365           System.err
2366                   .println("Error: start phase extends beyond start CDS in "
2367                           + dnaSeq.getName());
2368         }
2369       }
2370       result.add(new int[] { begin, end });
2371     }
2372
2373     /*
2374      * Finally sort ranges by start position. This avoids a dependency on 
2375      * keeping features in order on the sequence (if they are in order anyway,
2376      * the sort will have almost no work to do). The implicit assumption is CDS
2377      * ranges are assembled in order. Other cases should not use this method,
2378      * but instead construct an explicit mapping for CDS (e.g. EMBL parsing).
2379      */
2380     Collections.sort(result, IntRangeComparator.ASCENDING);
2381     return result;
2382   }
2383
2384   /**
2385    * Makes an alignment with a copy of the given sequences, adding in any
2386    * non-redundant sequences which are mapped to by the cross-referenced
2387    * sequences.
2388    * 
2389    * @param seqs
2390    * @param xrefs
2391    * @param dataset
2392    *          the alignment dataset shared by the new copy
2393    * @return
2394    */
2395   public static AlignmentI makeCopyAlignment(SequenceI[] seqs,
2396           SequenceI[] xrefs, AlignmentI dataset)
2397   {
2398     AlignmentI copy = new Alignment(new Alignment(seqs));
2399     copy.setDataset(dataset);
2400     boolean isProtein = !copy.isNucleotide();
2401     SequenceIdMatcher matcher = new SequenceIdMatcher(seqs);
2402     if (xrefs != null)
2403     {
2404         // BH 2019.01.25 recoded to remove iterators
2405         
2406       for (int ix = 0, nx = xrefs.length; ix < nx; ix++)
2407       {
2408         SequenceI xref = xrefs[ix];
2409         List<DBRefEntry> dbrefs = xref.getDBRefs();
2410         if (dbrefs != null)
2411         {
2412           for (int ir = 0, nir = dbrefs.size(); ir < nir; ir++)
2413           {
2414             DBRefEntry dbref = dbrefs.get(ir);
2415             Mapping map = dbref.getMap();
2416             SequenceI mto;
2417             if (map == null || (mto = map.getTo()) == null
2418                     || mto.isProtein() != isProtein)
2419             {
2420               continue;
2421             }
2422             SequenceI mappedTo = mto;
2423             SequenceI match = matcher.findIdMatch(mappedTo);
2424             if (match == null)
2425             {
2426               matcher.add(mappedTo);
2427               copy.addSequence(mappedTo);
2428             }
2429           }
2430         }
2431       }
2432     }
2433     return copy;
2434   }
2435
2436   /**
2437    * Try to align sequences in 'unaligned' to match the alignment of their
2438    * mapped regions in 'aligned'. For example, could use this to align CDS
2439    * sequences which are mapped to their parent cDNA sequences.
2440    * 
2441    * This method handles 1:1 mappings (dna-to-dna or protein-to-protein). For
2442    * dna-to-protein or protein-to-dna use alternative methods.
2443    * 
2444    * @param unaligned
2445    *          sequences to be aligned
2446    * @param aligned
2447    *          holds aligned sequences and their mappings
2448    * @return
2449    */
2450   public static int alignAs(AlignmentI unaligned, AlignmentI aligned)
2451   {
2452     /*
2453      * easy case - aligning a copy of aligned sequences
2454      */
2455     if (alignAsSameSequences(unaligned, aligned))
2456     {
2457       return unaligned.getHeight();
2458     }
2459
2460     /*
2461      * fancy case - aligning via mappings between sequences
2462      */
2463     List<SequenceI> unmapped = new ArrayList<>();
2464     Map<Integer, Map<SequenceI, Character>> columnMap = buildMappedColumnsMap(
2465             unaligned, aligned, unmapped);
2466     int width = columnMap.size();
2467     char gap = unaligned.getGapCharacter();
2468     int realignedCount = 0;
2469     // TODO: verify this loop scales sensibly for very wide/high alignments
2470
2471     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2472     {
2473       if (!unmapped.contains(seq))
2474       {
2475         char[] newSeq = new char[width];
2476         Arrays.fill(newSeq, gap); // JBPComment - doubt this is faster than the
2477                                   // Integer iteration below
2478         int newCol = 0;
2479         int lastCol = 0;
2480
2481         /*
2482          * traverse the map to find columns populated
2483          * by our sequence
2484          */
2485         for (Integer column : columnMap.keySet())
2486         {
2487           Character c = columnMap.get(column).get(seq);
2488           if (c != null)
2489           {
2490             /*
2491              * sequence has a character at this position
2492              * 
2493              */
2494             newSeq[newCol] = c;
2495             lastCol = newCol;
2496           }
2497           newCol++;
2498         }
2499
2500         /*
2501          * trim trailing gaps
2502          */
2503         if (lastCol < width)
2504         {
2505           char[] tmp = new char[lastCol + 1];
2506           System.arraycopy(newSeq, 0, tmp, 0, lastCol + 1);
2507           newSeq = tmp;
2508         }
2509         // TODO: optimise SequenceI to avoid char[]->String->char[]
2510         seq.setSequence(String.valueOf(newSeq));
2511         realignedCount++;
2512       }
2513     }
2514     return realignedCount;
2515   }
2516
2517   /**
2518    * If unaligned and aligned sequences share the same dataset sequences, then
2519    * simply copies the aligned sequences to the unaligned sequences and returns
2520    * true; else returns false
2521    * 
2522    * @param unaligned
2523    *                    - sequences to be aligned based on aligned
2524    * @param aligned
2525    *                    - 'guide' alignment containing sequences derived from same
2526    *                    dataset as unaligned
2527    * @return
2528    */
2529   static boolean alignAsSameSequences(AlignmentI unaligned,
2530           AlignmentI aligned)
2531   {
2532     if (aligned.getDataset() == null || unaligned.getDataset() == null)
2533     {
2534       return false; // should only pass alignments with datasets here
2535     }
2536
2537     // map from dataset sequence to alignment sequence(s)
2538     Map<SequenceI, List<SequenceI>> alignedDatasets = new HashMap<>();
2539     for (SequenceI seq : aligned.getSequences())
2540     {
2541       SequenceI ds = seq.getDatasetSequence();
2542       if (alignedDatasets.get(ds) == null)
2543       {
2544         alignedDatasets.put(ds, new ArrayList<SequenceI>());
2545       }
2546       alignedDatasets.get(ds).add(seq);
2547     }
2548
2549     /*
2550      * first pass - check whether all sequences to be aligned share a 
2551      * dataset sequence with an aligned sequence; also note the leftmost
2552      * ungapped column from which to copy
2553      */
2554     int leftmost = Integer.MAX_VALUE;
2555     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2556     {
2557       final SequenceI ds = seq.getDatasetSequence();
2558       if (!alignedDatasets.containsKey(ds))
2559       {
2560         return false;
2561       }
2562       SequenceI alignedSeq = alignedDatasets.get(ds)
2563               .get(0);
2564       int startCol = alignedSeq.findIndex(seq.getStart()); // 1..
2565       leftmost = Math.min(leftmost, startCol);
2566     }
2567
2568     /*
2569      * second pass - copy aligned sequences;
2570      * heuristic rule: pair off sequences in order for the case where 
2571      * more than one shares the same dataset sequence 
2572      */
2573     final char gapCharacter = aligned.getGapCharacter();
2574     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2575     {
2576       List<SequenceI> alignedSequences = alignedDatasets
2577               .get(seq.getDatasetSequence());
2578       if (alignedSequences.isEmpty())
2579       {
2580         /*
2581          * defensive check - shouldn't happen! (JAL-3536)
2582          */
2583         continue;
2584       }
2585       SequenceI alignedSeq = alignedSequences.get(0);
2586
2587       /*
2588        * gap fill for leading (5') UTR if any
2589        */
2590       // TODO this copies intron columns - wrong!
2591       int startCol = alignedSeq.findIndex(seq.getStart()); // 1..
2592       int endCol = alignedSeq.findIndex(seq.getEnd());
2593       char[] seqchars = new char[endCol - leftmost + 1];
2594       Arrays.fill(seqchars, gapCharacter);
2595       char[] toCopy = alignedSeq.getSequence(startCol - 1, endCol);
2596       System.arraycopy(toCopy, 0, seqchars, startCol - leftmost,
2597               toCopy.length);
2598       seq.setSequence(String.valueOf(seqchars));
2599       if (alignedSequences.size() > 0)
2600       {
2601         // pop off aligned sequences (except the last one)
2602         alignedSequences.remove(0);
2603       }
2604     }
2605
2606     /*
2607      * finally remove gapped columns (e.g. introns)
2608      */
2609     new RemoveGapColCommand("", unaligned.getSequencesArray(), 0,
2610             unaligned.getWidth() - 1, unaligned);
2611
2612     return true;
2613   }
2614
2615   /**
2616    * Returns a map whose key is alignment column number (base 1), and whose
2617    * values are a map of sequence characters in that column.
2618    * 
2619    * @param unaligned
2620    * @param aligned
2621    * @param unmapped
2622    * @return
2623    */
2624   static SortedMap<Integer, Map<SequenceI, Character>> buildMappedColumnsMap(
2625           AlignmentI unaligned, AlignmentI aligned,
2626           List<SequenceI> unmapped)
2627   {
2628     /*
2629      * Map will hold, for each aligned column position, a map of
2630      * {unalignedSequence, characterPerSequence} at that position.
2631      * TreeMap keeps the entries in ascending column order. 
2632      */
2633     SortedMap<Integer, Map<SequenceI, Character>> map = new TreeMap<>();
2634
2635     /*
2636      * record any sequences that have no mapping so can't be realigned
2637      */
2638     unmapped.addAll(unaligned.getSequences());
2639
2640     List<AlignedCodonFrame> mappings = aligned.getCodonFrames();
2641
2642     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2643     {
2644       for (AlignedCodonFrame mapping : mappings)
2645       {
2646         SequenceI fromSeq = mapping.findAlignedSequence(seq, aligned);
2647         if (fromSeq != null)
2648         {
2649           Mapping seqMap = mapping.getMappingBetween(fromSeq, seq);
2650           if (addMappedPositions(seq, fromSeq, seqMap, map))
2651           {
2652             unmapped.remove(seq);
2653           }
2654         }
2655       }
2656     }
2657     return map;
2658   }
2659
2660   /**
2661    * Helper method that adds to a map the mapped column positions of a sequence.
2662    * <br>
2663    * For example if aaTT-Tg-gAAA is mapped to TTTAAA then the map should record
2664    * that columns 3,4,6,10,11,12 map to characters T,T,T,A,A,A of the mapped to
2665    * sequence.
2666    * 
2667    * @param seq
2668    *          the sequence whose column positions we are recording
2669    * @param fromSeq
2670    *          a sequence that is mapped to the first sequence
2671    * @param seqMap
2672    *          the mapping from 'fromSeq' to 'seq'
2673    * @param map
2674    *          a map to add the column positions (in fromSeq) of the mapped
2675    *          positions of seq
2676    * @return
2677    */
2678   static boolean addMappedPositions(SequenceI seq, SequenceI fromSeq,
2679           Mapping seqMap, Map<Integer, Map<SequenceI, Character>> map)
2680   {
2681     if (seqMap == null)
2682     {
2683       return false;
2684     }
2685
2686     /*
2687      * invert mapping if it is from unaligned to aligned sequence
2688      */
2689     if (seqMap.getTo() == fromSeq.getDatasetSequence())
2690     {
2691       seqMap = new Mapping(seq.getDatasetSequence(),
2692               seqMap.getMap().getInverse());
2693     }
2694
2695     int toStart = seq.getStart();
2696
2697     /*
2698      * traverse [start, end, start, end...] ranges in fromSeq
2699      */
2700     for (int[] fromRange : seqMap.getMap().getFromRanges())
2701     {
2702       for (int i = 0; i < fromRange.length - 1; i += 2)
2703       {
2704         boolean forward = fromRange[i + 1] >= fromRange[i];
2705
2706         /*
2707          * find the range mapped to (sequence positions base 1)
2708          */
2709         int[] range = seqMap.locateMappedRange(fromRange[i],
2710                 fromRange[i + 1]);
2711         if (range == null)
2712         {
2713           System.err.println("Error in mapping " + seqMap + " from "
2714                   + fromSeq.getName());
2715           return false;
2716         }
2717         int fromCol = fromSeq.findIndex(fromRange[i]);
2718         int mappedCharPos = range[0];
2719
2720         /*
2721          * walk over the 'from' aligned sequence in forward or reverse
2722          * direction; when a non-gap is found, record the column position
2723          * of the next character of the mapped-to sequence; stop when all
2724          * the characters of the range have been counted
2725          */
2726         while (mappedCharPos <= range[1] && fromCol <= fromSeq.getLength()
2727                 && fromCol >= 0)
2728         {
2729           if (!Comparison.isGap(fromSeq.getCharAt(fromCol - 1)))
2730           {
2731             /*
2732              * mapped from sequence has a character in this column
2733              * record the column position for the mapped to character
2734              */
2735             Map<SequenceI, Character> seqsMap = map.get(fromCol);
2736             if (seqsMap == null)
2737             {
2738               seqsMap = new HashMap<>();
2739               map.put(fromCol, seqsMap);
2740             }
2741             seqsMap.put(seq, seq.getCharAt(mappedCharPos - toStart));
2742             mappedCharPos++;
2743           }
2744           fromCol += (forward ? 1 : -1);
2745         }
2746       }
2747     }
2748     return true;
2749   }
2750
2751   // strictly temporary hack until proper criteria for aligning protein to cds
2752   // are in place; this is so Ensembl -> fetch xrefs Uniprot aligns the Uniprot
2753   public static boolean looksLikeEnsembl(AlignmentI alignment)
2754   {
2755     for (SequenceI seq : alignment.getSequences())
2756     {
2757       String name = seq.getName();
2758       if (!name.startsWith("ENSG") && !name.startsWith("ENST"))
2759       {
2760         return false;
2761       }
2762     }
2763     return true;
2764   }
2765 }