JAL-2154 should only add mappings between dataset sequences
[jalview.git] / src / jalview / analysis / AlignmentUtils.java
1 /*
2  * Jalview - A Sequence Alignment Editor and Viewer ($$Version-Rel$$)
3  * Copyright (C) $$Year-Rel$$ The Jalview Authors
4  * 
5  * This file is part of Jalview.
6  * 
7  * Jalview is free software: you can redistribute it and/or
8  * modify it under the terms of the GNU General Public License 
9  * as published by the Free Software Foundation, either version 3
10  * of the License, or (at your option) any later version.
11  *  
12  * Jalview is distributed in the hope that it will be useful, but 
13  * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty 
14  * of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR 
15  * PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
16  * 
17  * You should have received a copy of the GNU General Public License
18  * along with Jalview.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
19  * The Jalview Authors are detailed in the 'AUTHORS' file.
20  */
21 package jalview.analysis;
22
23 import static jalview.io.gff.GffConstants.CLINICAL_SIGNIFICANCE;
24
25 import jalview.api.DBRefEntryI;
26 import jalview.datamodel.AlignedCodon;
27 import jalview.datamodel.AlignedCodonFrame;
28 import jalview.datamodel.AlignedCodonFrame.SequenceToSequenceMapping;
29 import jalview.datamodel.Alignment;
30 import jalview.datamodel.AlignmentAnnotation;
31 import jalview.datamodel.AlignmentI;
32 import jalview.datamodel.DBRefEntry;
33 import jalview.datamodel.IncompleteCodonException;
34 import jalview.datamodel.Mapping;
35 import jalview.datamodel.Sequence;
36 import jalview.datamodel.SequenceFeature;
37 import jalview.datamodel.SequenceGroup;
38 import jalview.datamodel.SequenceI;
39 import jalview.io.gff.SequenceOntologyFactory;
40 import jalview.io.gff.SequenceOntologyI;
41 import jalview.schemes.ResidueProperties;
42 import jalview.util.Comparison;
43 import jalview.util.DBRefUtils;
44 import jalview.util.MapList;
45 import jalview.util.MappingUtils;
46 import jalview.util.StringUtils;
47
48 import java.io.UnsupportedEncodingException;
49 import java.net.URLEncoder;
50 import java.util.ArrayList;
51 import java.util.Arrays;
52 import java.util.Collection;
53 import java.util.Collections;
54 import java.util.Comparator;
55 import java.util.HashMap;
56 import java.util.HashSet;
57 import java.util.Iterator;
58 import java.util.LinkedHashMap;
59 import java.util.List;
60 import java.util.Map;
61 import java.util.Map.Entry;
62 import java.util.NoSuchElementException;
63 import java.util.Set;
64 import java.util.TreeMap;
65
66 /**
67  * grab bag of useful alignment manipulation operations Expect these to be
68  * refactored elsewhere at some point.
69  * 
70  * @author jimp
71  * 
72  */
73 public class AlignmentUtils
74 {
75
76   private static final String SEQUENCE_VARIANT = "sequence_variant:";
77   private static final String ID = "ID";
78
79   /**
80    * A data model to hold the 'normal' base value at a position, and an optional
81    * sequence variant feature
82    */
83   static class DnaVariant
84   {
85     String base;
86
87     SequenceFeature variant;
88
89     DnaVariant(String nuc)
90     {
91       base = nuc;
92     }
93
94     DnaVariant(String nuc, SequenceFeature var)
95     {
96       base = nuc;
97       variant = var;
98     }
99   }
100
101   /**
102    * given an existing alignment, create a new alignment including all, or up to
103    * flankSize additional symbols from each sequence's dataset sequence
104    * 
105    * @param core
106    * @param flankSize
107    * @return AlignmentI
108    */
109   public static AlignmentI expandContext(AlignmentI core, int flankSize)
110   {
111     List<SequenceI> sq = new ArrayList<SequenceI>();
112     int maxoffset = 0;
113     for (SequenceI s : core.getSequences())
114     {
115       SequenceI newSeq = s.deriveSequence();
116       final int newSeqStart = newSeq.getStart() - 1;
117       if (newSeqStart > maxoffset
118               && newSeq.getDatasetSequence().getStart() < s.getStart())
119       {
120         maxoffset = newSeqStart;
121       }
122       sq.add(newSeq);
123     }
124     if (flankSize > -1)
125     {
126       maxoffset = Math.min(maxoffset, flankSize);
127     }
128
129     /*
130      * now add offset left and right to create an expanded alignment
131      */
132     for (SequenceI s : sq)
133     {
134       SequenceI ds = s;
135       while (ds.getDatasetSequence() != null)
136       {
137         ds = ds.getDatasetSequence();
138       }
139       int s_end = s.findPosition(s.getStart() + s.getLength());
140       // find available flanking residues for sequence
141       int ustream_ds = s.getStart() - ds.getStart();
142       int dstream_ds = ds.getEnd() - s_end;
143
144       // build new flanked sequence
145
146       // compute gap padding to start of flanking sequence
147       int offset = maxoffset - ustream_ds;
148
149       // padding is gapChar x ( maxoffset - min(ustream_ds, flank)
150       if (flankSize >= 0)
151       {
152         if (flankSize < ustream_ds)
153         {
154           // take up to flankSize residues
155           offset = maxoffset - flankSize;
156           ustream_ds = flankSize;
157         }
158         if (flankSize <= dstream_ds)
159         {
160           dstream_ds = flankSize - 1;
161         }
162       }
163       // TODO use Character.toLowerCase to avoid creating String objects?
164       char[] upstream = new String(ds.getSequence(s.getStart() - 1
165               - ustream_ds, s.getStart() - 1)).toLowerCase().toCharArray();
166       char[] downstream = new String(ds.getSequence(s_end - 1, s_end
167               + dstream_ds)).toLowerCase().toCharArray();
168       char[] coreseq = s.getSequence();
169       char[] nseq = new char[offset + upstream.length + downstream.length
170               + coreseq.length];
171       char c = core.getGapCharacter();
172
173       int p = 0;
174       for (; p < offset; p++)
175       {
176         nseq[p] = c;
177       }
178
179       System.arraycopy(upstream, 0, nseq, p, upstream.length);
180       System.arraycopy(coreseq, 0, nseq, p + upstream.length,
181               coreseq.length);
182       System.arraycopy(downstream, 0, nseq, p + coreseq.length
183               + upstream.length, downstream.length);
184       s.setSequence(new String(nseq));
185       s.setStart(s.getStart() - ustream_ds);
186       s.setEnd(s_end + downstream.length);
187     }
188     AlignmentI newAl = new jalview.datamodel.Alignment(
189             sq.toArray(new SequenceI[0]));
190     for (SequenceI s : sq)
191     {
192       if (s.getAnnotation() != null)
193       {
194         for (AlignmentAnnotation aa : s.getAnnotation())
195         {
196           aa.adjustForAlignment(); // JAL-1712 fix
197           newAl.addAnnotation(aa);
198         }
199       }
200     }
201     newAl.setDataset(core.getDataset());
202     return newAl;
203   }
204
205   /**
206    * Returns the index (zero-based position) of a sequence in an alignment, or
207    * -1 if not found.
208    * 
209    * @param al
210    * @param seq
211    * @return
212    */
213   public static int getSequenceIndex(AlignmentI al, SequenceI seq)
214   {
215     int result = -1;
216     int pos = 0;
217     for (SequenceI alSeq : al.getSequences())
218     {
219       if (alSeq == seq)
220       {
221         result = pos;
222         break;
223       }
224       pos++;
225     }
226     return result;
227   }
228
229   /**
230    * Returns a map of lists of sequences in the alignment, keyed by sequence
231    * name. For use in mapping between different alignment views of the same
232    * sequences.
233    * 
234    * @see jalview.datamodel.AlignmentI#getSequencesByName()
235    */
236   public static Map<String, List<SequenceI>> getSequencesByName(
237           AlignmentI al)
238   {
239     Map<String, List<SequenceI>> theMap = new LinkedHashMap<String, List<SequenceI>>();
240     for (SequenceI seq : al.getSequences())
241     {
242       String name = seq.getName();
243       if (name != null)
244       {
245         List<SequenceI> seqs = theMap.get(name);
246         if (seqs == null)
247         {
248           seqs = new ArrayList<SequenceI>();
249           theMap.put(name, seqs);
250         }
251         seqs.add(seq);
252       }
253     }
254     return theMap;
255   }
256
257   /**
258    * Build mapping of protein to cDNA alignment. Mappings are made between
259    * sequences where the cDNA translates to the protein sequence. Any new
260    * mappings are added to the protein alignment. Returns true if any mappings
261    * either already exist or were added, else false.
262    * 
263    * @param proteinAlignment
264    * @param cdnaAlignment
265    * @return
266    */
267   public static boolean mapProteinAlignmentToCdna(
268           final AlignmentI proteinAlignment, final AlignmentI cdnaAlignment)
269   {
270     if (proteinAlignment == null || cdnaAlignment == null)
271     {
272       return false;
273     }
274
275     Set<SequenceI> mappedDna = new HashSet<SequenceI>();
276     Set<SequenceI> mappedProtein = new HashSet<SequenceI>();
277
278     /*
279      * First pass - map sequences where cross-references exist. This include
280      * 1-to-many mappings to support, for example, variant cDNA.
281      */
282     boolean mappingPerformed = mapProteinToCdna(proteinAlignment,
283             cdnaAlignment, mappedDna, mappedProtein, true);
284
285     /*
286      * Second pass - map sequences where no cross-references exist. This only
287      * does 1-to-1 mappings and assumes corresponding sequences are in the same
288      * order in the alignments.
289      */
290     mappingPerformed |= mapProteinToCdna(proteinAlignment, cdnaAlignment,
291             mappedDna, mappedProtein, false);
292     return mappingPerformed;
293   }
294
295   /**
296    * Make mappings between compatible sequences (where the cDNA translation
297    * matches the protein).
298    * 
299    * @param proteinAlignment
300    * @param cdnaAlignment
301    * @param mappedDna
302    *          a set of mapped DNA sequences (to add to)
303    * @param mappedProtein
304    *          a set of mapped Protein sequences (to add to)
305    * @param xrefsOnly
306    *          if true, only map sequences where xrefs exist
307    * @return
308    */
309   protected static boolean mapProteinToCdna(
310           final AlignmentI proteinAlignment,
311           final AlignmentI cdnaAlignment, Set<SequenceI> mappedDna,
312           Set<SequenceI> mappedProtein, boolean xrefsOnly)
313   {
314     boolean mappingExistsOrAdded = false;
315     List<SequenceI> thisSeqs = proteinAlignment.getSequences();
316     for (SequenceI aaSeq : thisSeqs)
317     {
318       boolean proteinMapped = false;
319       AlignedCodonFrame acf = new AlignedCodonFrame();
320
321       for (SequenceI cdnaSeq : cdnaAlignment.getSequences())
322       {
323         /*
324          * Always try to map if sequences have xref to each other; this supports
325          * variant cDNA or alternative splicing for a protein sequence.
326          * 
327          * If no xrefs, try to map progressively, assuming that alignments have
328          * mappable sequences in corresponding order. These are not
329          * many-to-many, as that would risk mixing species with similar cDNA
330          * sequences.
331          */
332         if (xrefsOnly && !AlignmentUtils.haveCrossRef(aaSeq, cdnaSeq))
333         {
334           continue;
335         }
336
337         /*
338          * Don't map non-xrefd sequences more than once each. This heuristic
339          * allows us to pair up similar sequences in ordered alignments.
340          */
341         if (!xrefsOnly
342                 && (mappedProtein.contains(aaSeq) || mappedDna
343                         .contains(cdnaSeq)))
344         {
345           continue;
346         }
347         if (mappingExists(proteinAlignment.getCodonFrames(),
348                 aaSeq.getDatasetSequence(), cdnaSeq.getDatasetSequence()))
349         {
350           mappingExistsOrAdded = true;
351         }
352         else
353         {
354           MapList map = mapCdnaToProtein(aaSeq, cdnaSeq);
355           if (map != null)
356           {
357             acf.addMap(cdnaSeq, aaSeq, map);
358             mappingExistsOrAdded = true;
359             proteinMapped = true;
360             mappedDna.add(cdnaSeq);
361             mappedProtein.add(aaSeq);
362           }
363         }
364       }
365       if (proteinMapped)
366       {
367         proteinAlignment.addCodonFrame(acf);
368       }
369     }
370     return mappingExistsOrAdded;
371   }
372
373   /**
374    * Answers true if the mappings include one between the given (dataset)
375    * sequences.
376    */
377   public static boolean mappingExists(List<AlignedCodonFrame> mappings,
378           SequenceI aaSeq, SequenceI cdnaSeq)
379   {
380     if (mappings != null)
381     {
382       for (AlignedCodonFrame acf : mappings)
383       {
384         if (cdnaSeq == acf.getDnaForAaSeq(aaSeq))
385         {
386           return true;
387         }
388       }
389     }
390     return false;
391   }
392
393   /**
394    * Builds a mapping (if possible) of a cDNA to a protein sequence.
395    * <ul>
396    * <li>first checks if the cdna translates exactly to the protein sequence</li>
397    * <li>else checks for translation after removing a STOP codon</li>
398    * <li>else checks for translation after removing a START codon</li>
399    * <li>if that fails, inspect CDS features on the cDNA sequence</li>
400    * </ul>
401    * Returns null if no mapping is determined.
402    * 
403    * @param proteinSeq
404    *          the aligned protein sequence
405    * @param cdnaSeq
406    *          the aligned cdna sequence
407    * @return
408    */
409   public static MapList mapCdnaToProtein(SequenceI proteinSeq,
410           SequenceI cdnaSeq)
411   {
412     /*
413      * Here we handle either dataset sequence set (desktop) or absent (applet).
414      * Use only the char[] form of the sequence to avoid creating possibly large
415      * String objects.
416      */
417     final SequenceI proteinDataset = proteinSeq.getDatasetSequence();
418     char[] aaSeqChars = proteinDataset != null ? proteinDataset
419             .getSequence() : proteinSeq.getSequence();
420     final SequenceI cdnaDataset = cdnaSeq.getDatasetSequence();
421     char[] cdnaSeqChars = cdnaDataset != null ? cdnaDataset.getSequence()
422             : cdnaSeq.getSequence();
423     if (aaSeqChars == null || cdnaSeqChars == null)
424     {
425       return null;
426     }
427
428     /*
429      * cdnaStart/End, proteinStartEnd are base 1 (for dataset sequence mapping)
430      */
431     final int mappedLength = 3 * aaSeqChars.length;
432     int cdnaLength = cdnaSeqChars.length;
433     int cdnaStart = cdnaSeq.getStart();
434     int cdnaEnd = cdnaSeq.getEnd();
435     final int proteinStart = proteinSeq.getStart();
436     final int proteinEnd = proteinSeq.getEnd();
437
438     /*
439      * If lengths don't match, try ignoring stop codon (if present)
440      */
441     if (cdnaLength != mappedLength && cdnaLength > 2)
442     {
443       String lastCodon = String.valueOf(cdnaSeqChars, cdnaLength - 3, 3)
444               .toUpperCase();
445       for (String stop : ResidueProperties.STOP)
446       {
447         if (lastCodon.equals(stop))
448         {
449           cdnaEnd -= 3;
450           cdnaLength -= 3;
451           break;
452         }
453       }
454     }
455
456     /*
457      * If lengths still don't match, try ignoring start codon.
458      */
459     int startOffset = 0;
460     if (cdnaLength != mappedLength
461             && cdnaLength > 2
462             && String.valueOf(cdnaSeqChars, 0, 3).toUpperCase()
463                     .equals(ResidueProperties.START))
464     {
465       startOffset += 3;
466       cdnaStart += 3;
467       cdnaLength -= 3;
468     }
469
470     if (translatesAs(cdnaSeqChars, startOffset, aaSeqChars))
471     {
472       /*
473        * protein is translation of dna (+/- start/stop codons)
474        */
475       MapList map = new MapList(new int[] { cdnaStart, cdnaEnd }, new int[]
476       { proteinStart, proteinEnd }, 3, 1);
477       return map;
478     }
479
480     /*
481      * translation failed - try mapping CDS annotated regions of dna
482      */
483     return mapCdsToProtein(cdnaSeq, proteinSeq);
484   }
485
486   /**
487    * Test whether the given cdna sequence, starting at the given offset,
488    * translates to the given amino acid sequence, using the standard translation
489    * table. Designed to fail fast i.e. as soon as a mismatch position is found.
490    * 
491    * @param cdnaSeqChars
492    * @param cdnaStart
493    * @param aaSeqChars
494    * @return
495    */
496   protected static boolean translatesAs(char[] cdnaSeqChars, int cdnaStart,
497           char[] aaSeqChars)
498   {
499     if (cdnaSeqChars == null || aaSeqChars == null)
500     {
501       return false;
502     }
503
504     int aaPos = 0;
505     int dnaPos = cdnaStart;
506     for (; dnaPos < cdnaSeqChars.length - 2
507             && aaPos < aaSeqChars.length; dnaPos += 3, aaPos++)
508     {
509       String codon = String.valueOf(cdnaSeqChars, dnaPos, 3);
510       final String translated = ResidueProperties.codonTranslate(codon);
511
512       /*
513        * allow * in protein to match untranslatable in dna
514        */
515       final char aaRes = aaSeqChars[aaPos];
516       if ((translated == null || "STOP".equals(translated)) && aaRes == '*')
517       {
518         continue;
519       }
520       if (translated == null || !(aaRes == translated.charAt(0)))
521       {
522         // debug
523         // System.out.println(("Mismatch at " + i + "/" + aaResidue + ": "
524         // + codon + "(" + translated + ") != " + aaRes));
525         return false;
526       }
527     }
528
529     /*
530      * check we matched all of the protein sequence
531      */
532     if (aaPos != aaSeqChars.length)
533     {
534       return false;
535     }
536
537     /*
538      * check we matched all of the dna except
539      * for optional trailing STOP codon
540      */
541     if (dnaPos == cdnaSeqChars.length)
542     {
543       return true;
544     }
545     if (dnaPos == cdnaSeqChars.length - 3)
546     {
547       String codon = String.valueOf(cdnaSeqChars, dnaPos, 3);
548       if ("STOP".equals(ResidueProperties.codonTranslate(codon)))
549       {
550         return true;
551       }
552     }
553     return false;
554   }
555
556   /**
557    * Align sequence 'seq' to match the alignment of a mapped sequence. Note this
558    * currently assumes that we are aligning cDNA to match protein.
559    * 
560    * @param seq
561    *          the sequence to be realigned
562    * @param al
563    *          the alignment whose sequence alignment is to be 'copied'
564    * @param gap
565    *          character string represent a gap in the realigned sequence
566    * @param preserveUnmappedGaps
567    * @param preserveMappedGaps
568    * @return true if the sequence was realigned, false if it could not be
569    */
570   public static boolean alignSequenceAs(SequenceI seq, AlignmentI al,
571           String gap, boolean preserveMappedGaps,
572           boolean preserveUnmappedGaps)
573   {
574     /*
575      * Get any mappings from the source alignment to the target (dataset)
576      * sequence.
577      */
578     // TODO there may be one AlignedCodonFrame per dataset sequence, or one with
579     // all mappings. Would it help to constrain this?
580     List<AlignedCodonFrame> mappings = al.getCodonFrame(seq);
581     if (mappings == null || mappings.isEmpty())
582     {
583       return false;
584     }
585
586     /*
587      * Locate the aligned source sequence whose dataset sequence is mapped. We
588      * just take the first match here (as we can't align like more than one
589      * sequence).
590      */
591     SequenceI alignFrom = null;
592     AlignedCodonFrame mapping = null;
593     for (AlignedCodonFrame mp : mappings)
594     {
595       alignFrom = mp.findAlignedSequence(seq, al);
596       if (alignFrom != null)
597       {
598         mapping = mp;
599         break;
600       }
601     }
602
603     if (alignFrom == null)
604     {
605       return false;
606     }
607     alignSequenceAs(seq, alignFrom, mapping, gap, al.getGapCharacter(),
608             preserveMappedGaps, preserveUnmappedGaps);
609     return true;
610   }
611
612   /**
613    * Align sequence 'alignTo' the same way as 'alignFrom', using the mapping to
614    * match residues and codons. Flags control whether existing gaps in unmapped
615    * (intron) and mapped (exon) regions are preserved or not. Gaps between
616    * intron and exon are only retained if both flags are set.
617    * 
618    * @param alignTo
619    * @param alignFrom
620    * @param mapping
621    * @param myGap
622    * @param sourceGap
623    * @param preserveUnmappedGaps
624    * @param preserveMappedGaps
625    */
626   public static void alignSequenceAs(SequenceI alignTo,
627           SequenceI alignFrom, AlignedCodonFrame mapping, String myGap,
628           char sourceGap, boolean preserveMappedGaps,
629           boolean preserveUnmappedGaps)
630   {
631     // TODO generalise to work for Protein-Protein, dna-dna, dna-protein
632
633     // aligned and dataset sequence positions, all base zero
634     int thisSeqPos = 0;
635     int sourceDsPos = 0;
636
637     int basesWritten = 0;
638     char myGapChar = myGap.charAt(0);
639     int ratio = myGap.length();
640
641     int fromOffset = alignFrom.getStart() - 1;
642     int toOffset = alignTo.getStart() - 1;
643     int sourceGapMappedLength = 0;
644     boolean inExon = false;
645     final char[] thisSeq = alignTo.getSequence();
646     final char[] thatAligned = alignFrom.getSequence();
647     StringBuilder thisAligned = new StringBuilder(2 * thisSeq.length);
648
649     /*
650      * Traverse the 'model' aligned sequence
651      */
652     for (char sourceChar : thatAligned)
653     {
654       if (sourceChar == sourceGap)
655       {
656         sourceGapMappedLength += ratio;
657         continue;
658       }
659
660       /*
661        * Found a non-gap character. Locate its mapped region if any.
662        */
663       sourceDsPos++;
664       // Note mapping positions are base 1, our sequence positions base 0
665       int[] mappedPos = mapping.getMappedRegion(alignTo, alignFrom,
666               sourceDsPos + fromOffset);
667       if (mappedPos == null)
668       {
669         /*
670          * unmapped position; treat like a gap
671          */
672         sourceGapMappedLength += ratio;
673         // System.err.println("Can't align: no codon mapping to residue "
674         // + sourceDsPos + "(" + sourceChar + ")");
675         // return;
676         continue;
677       }
678
679       int mappedCodonStart = mappedPos[0]; // position (1...) of codon start
680       int mappedCodonEnd = mappedPos[mappedPos.length - 1]; // codon end pos
681       StringBuilder trailingCopiedGap = new StringBuilder();
682
683       /*
684        * Copy dna sequence up to and including this codon. Optionally, include
685        * gaps before the codon starts (in introns) and/or after the codon starts
686        * (in exons).
687        * 
688        * Note this only works for 'linear' splicing, not reverse or interleaved.
689        * But then 'align dna as protein' doesn't make much sense otherwise.
690        */
691       int intronLength = 0;
692       while (basesWritten + toOffset < mappedCodonEnd
693               && thisSeqPos < thisSeq.length)
694       {
695         final char c = thisSeq[thisSeqPos++];
696         if (c != myGapChar)
697         {
698           basesWritten++;
699           int sourcePosition = basesWritten + toOffset;
700           if (sourcePosition < mappedCodonStart)
701           {
702             /*
703              * Found an unmapped (intron) base. First add in any preceding gaps
704              * (if wanted).
705              */
706             if (preserveUnmappedGaps && trailingCopiedGap.length() > 0)
707             {
708               thisAligned.append(trailingCopiedGap.toString());
709               intronLength += trailingCopiedGap.length();
710               trailingCopiedGap = new StringBuilder();
711             }
712             intronLength++;
713             inExon = false;
714           }
715           else
716           {
717             final boolean startOfCodon = sourcePosition == mappedCodonStart;
718             int gapsToAdd = calculateGapsToInsert(preserveMappedGaps,
719                     preserveUnmappedGaps, sourceGapMappedLength, inExon,
720                     trailingCopiedGap.length(), intronLength, startOfCodon);
721             for (int i = 0; i < gapsToAdd; i++)
722             {
723               thisAligned.append(myGapChar);
724             }
725             sourceGapMappedLength = 0;
726             inExon = true;
727           }
728           thisAligned.append(c);
729           trailingCopiedGap = new StringBuilder();
730         }
731         else
732         {
733           if (inExon && preserveMappedGaps)
734           {
735             trailingCopiedGap.append(myGapChar);
736           }
737           else if (!inExon && preserveUnmappedGaps)
738           {
739             trailingCopiedGap.append(myGapChar);
740           }
741         }
742       }
743     }
744
745     /*
746      * At end of model aligned sequence. Copy any remaining target sequence, optionally
747      * including (intron) gaps.
748      */
749     while (thisSeqPos < thisSeq.length)
750     {
751       final char c = thisSeq[thisSeqPos++];
752       if (c != myGapChar || preserveUnmappedGaps)
753       {
754         thisAligned.append(c);
755       }
756       sourceGapMappedLength--;
757     }
758
759     /*
760      * finally add gaps to pad for any trailing source gaps or
761      * unmapped characters
762      */
763     if (preserveUnmappedGaps)
764     {
765       while (sourceGapMappedLength > 0)
766       {
767         thisAligned.append(myGapChar);
768         sourceGapMappedLength--;
769       }
770     }
771
772     /*
773      * All done aligning, set the aligned sequence.
774      */
775     alignTo.setSequence(new String(thisAligned));
776   }
777
778   /**
779    * Helper method to work out how many gaps to insert when realigning.
780    * 
781    * @param preserveMappedGaps
782    * @param preserveUnmappedGaps
783    * @param sourceGapMappedLength
784    * @param inExon
785    * @param trailingCopiedGap
786    * @param intronLength
787    * @param startOfCodon
788    * @return
789    */
790   protected static int calculateGapsToInsert(boolean preserveMappedGaps,
791           boolean preserveUnmappedGaps, int sourceGapMappedLength,
792           boolean inExon, int trailingGapLength, int intronLength,
793           final boolean startOfCodon)
794   {
795     int gapsToAdd = 0;
796     if (startOfCodon)
797     {
798       /*
799        * Reached start of codon. Ignore trailing gaps in intron unless we are
800        * preserving gaps in both exon and intron. Ignore them anyway if the
801        * protein alignment introduces a gap at least as large as the intronic
802        * region.
803        */
804       if (inExon && !preserveMappedGaps)
805       {
806         trailingGapLength = 0;
807       }
808       if (!inExon && !(preserveMappedGaps && preserveUnmappedGaps))
809       {
810         trailingGapLength = 0;
811       }
812       if (inExon)
813       {
814         gapsToAdd = Math.max(sourceGapMappedLength, trailingGapLength);
815       }
816       else
817       {
818         if (intronLength + trailingGapLength <= sourceGapMappedLength)
819         {
820           gapsToAdd = sourceGapMappedLength - intronLength;
821         }
822         else
823         {
824           gapsToAdd = Math.min(intronLength + trailingGapLength
825                   - sourceGapMappedLength, trailingGapLength);
826         }
827       }
828     }
829     else
830     {
831       /*
832        * second or third base of codon; check for any gaps in dna
833        */
834       if (!preserveMappedGaps)
835       {
836         trailingGapLength = 0;
837       }
838       gapsToAdd = Math.max(sourceGapMappedLength, trailingGapLength);
839     }
840     return gapsToAdd;
841   }
842
843   /**
844    * Realigns the given protein to match the alignment of the dna, using codon
845    * mappings to translate aligned codon positions to protein residues.
846    * 
847    * @param protein
848    *          the alignment whose sequences are realigned by this method
849    * @param dna
850    *          the dna alignment whose alignment we are 'copying'
851    * @return the number of sequences that were realigned
852    */
853   public static int alignProteinAsDna(AlignmentI protein, AlignmentI dna)
854   {
855     if (protein.isNucleotide() || !dna.isNucleotide())
856     {
857       System.err.println("Wrong alignment type in alignProteinAsDna");
858       return 0;
859     }
860     List<SequenceI> unmappedProtein = new ArrayList<SequenceI>();
861     Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons = buildCodonColumnsMap(
862             protein, dna, unmappedProtein);
863     return alignProteinAs(protein, alignedCodons, unmappedProtein);
864   }
865
866   /**
867    * Realigns the given dna to match the alignment of the protein, using codon
868    * mappings to translate aligned peptide positions to codons.
869    * 
870    * Always produces a padded CDS alignment.
871    * 
872    * @param dna
873    *          the alignment whose sequences are realigned by this method
874    * @param protein
875    *          the protein alignment whose alignment we are 'copying'
876    * @return the number of sequences that were realigned
877    */
878   public static int alignCdsAsProtein(AlignmentI dna, AlignmentI protein)
879   {
880     if (protein.isNucleotide() || !dna.isNucleotide())
881     {
882       System.err.println("Wrong alignment type in alignProteinAsDna");
883       return 0;
884     }
885     // todo: implement this
886     List<AlignedCodonFrame> mappings = protein.getCodonFrames();
887     int alignedCount = 0;
888     int width = 0; // alignment width for padding CDS
889     for (SequenceI dnaSeq : dna.getSequences())
890     {
891       if (alignCdsSequenceAsProtein(dnaSeq, protein, mappings,
892               dna.getGapCharacter()))
893       {
894         alignedCount++;
895       }
896       width = Math.max(dnaSeq.getLength(), width);
897     }
898     int oldwidth, diff;
899     for (SequenceI dnaSeq : dna.getSequences())
900     {
901       oldwidth = dnaSeq.getLength();
902       diff = width - oldwidth;
903       if (diff > 0)
904       {
905         dnaSeq.insertCharAt(oldwidth, diff, dna.getGapCharacter());
906       }
907     }
908     return alignedCount;
909   }
910
911   /**
912    * Helper method to align (if possible) the dna sequence to match the
913    * alignment of a mapped protein sequence. This is currently limited to
914    * handling coding sequence only.
915    * 
916    * @param cdsSeq
917    * @param protein
918    * @param mappings
919    * @param gapChar
920    * @return
921    */
922   static boolean alignCdsSequenceAsProtein(SequenceI cdsSeq,
923           AlignmentI protein, List<AlignedCodonFrame> mappings, char gapChar)
924   {
925     SequenceI cdsDss = cdsSeq.getDatasetSequence();
926     if (cdsDss == null)
927     {
928       System.err
929               .println("alignCdsSequenceAsProtein needs aligned sequence!");
930       return false;
931     }
932     
933     List<AlignedCodonFrame> dnaMappings = MappingUtils
934             .findMappingsForSequence(cdsSeq, mappings);
935     for (AlignedCodonFrame mapping : dnaMappings)
936     {
937       SequenceI peptide = mapping.findAlignedSequence(cdsSeq, protein);
938       int peptideLength = peptide.getLength();
939       if (peptide != null)
940       {
941         Mapping map = mapping.getMappingBetween(cdsSeq, peptide);
942         if (map != null)
943         {
944           MapList mapList = map.getMap();
945           if (map.getTo() == peptide.getDatasetSequence())
946           {
947             mapList = mapList.getInverse();
948           }
949           int cdsLength = cdsDss.getLength();
950           int mappedFromLength = MappingUtils.getLength(mapList
951                   .getFromRanges());
952           int mappedToLength = MappingUtils
953                   .getLength(mapList.getToRanges());
954           boolean addStopCodon = (cdsLength == mappedFromLength * 3 + 3)
955                   || (peptide.getDatasetSequence().getLength() == mappedFromLength - 1);
956           if (cdsLength != mappedToLength && !addStopCodon)
957           {
958             System.err
959                     .println(String
960                             .format("Can't align cds as protein (length mismatch %d/%d): %s",
961                                     cdsLength, mappedToLength,
962                                     cdsSeq.getName()));
963           }
964
965           /*
966            * pre-fill the aligned cds sequence with gaps
967            */
968           char[] alignedCds = new char[peptideLength * 3
969                   + (addStopCodon ? 3 : 0)];
970           Arrays.fill(alignedCds, gapChar);
971
972           /*
973            * walk over the aligned peptide sequence and insert mapped 
974            * codons for residues in the aligned cds sequence 
975            */
976           char[] alignedPeptide = peptide.getSequence();
977           char[] nucleotides = cdsDss.getSequence();
978           int copiedBases = 0;
979           int cdsStart = cdsDss.getStart();
980           int proteinPos = peptide.getStart() - 1;
981           int cdsCol = 0;
982           for (char residue : alignedPeptide)
983           {
984             if (Comparison.isGap(residue))
985             {
986               cdsCol += 3;
987             }
988             else
989             {
990               proteinPos++;
991               int[] codon = mapList.locateInTo(proteinPos, proteinPos);
992               if (codon == null)
993               {
994                 // e.g. incomplete start codon, X in peptide
995                 cdsCol += 3;
996               }
997               else
998               {
999                 for (int j = codon[0]; j <= codon[1]; j++)
1000                 {
1001                   char mappedBase = nucleotides[j - cdsStart];
1002                   alignedCds[cdsCol++] = mappedBase;
1003                   copiedBases++;
1004                 }
1005               }
1006             }
1007           }
1008
1009           /*
1010            * append stop codon if not mapped from protein,
1011            * closing it up to the end of the mapped sequence
1012            */
1013           if (copiedBases == nucleotides.length - 3)
1014           {
1015             for (int i = alignedCds.length - 1; i >= 0; i--)
1016             {
1017               if (!Comparison.isGap(alignedCds[i]))
1018               {
1019                 cdsCol = i + 1; // gap just after end of sequence
1020                 break;
1021               }
1022             }
1023             for (int i = nucleotides.length - 3; i < nucleotides.length; i++)
1024             {
1025               alignedCds[cdsCol++] = nucleotides[i];
1026             }
1027           }
1028           cdsSeq.setSequence(new String(alignedCds));
1029           return true;
1030         }
1031       }
1032     }
1033     return false;
1034   }
1035
1036   /**
1037    * Builds a map whose key is an aligned codon position (3 alignment column
1038    * numbers base 0), and whose value is a map from protein sequence to each
1039    * protein's peptide residue for that codon. The map generates an ordering of
1040    * the codons, and allows us to read off the peptides at each position in
1041    * order to assemble 'aligned' protein sequences.
1042    * 
1043    * @param protein
1044    *          the protein alignment
1045    * @param dna
1046    *          the coding dna alignment
1047    * @param unmappedProtein
1048    *          any unmapped proteins are added to this list
1049    * @return
1050    */
1051   protected static Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> buildCodonColumnsMap(
1052           AlignmentI protein, AlignmentI dna,
1053           List<SequenceI> unmappedProtein)
1054   {
1055     /*
1056      * maintain a list of any proteins with no mappings - these will be
1057      * rendered 'as is' in the protein alignment as we can't align them
1058      */
1059     unmappedProtein.addAll(protein.getSequences());
1060
1061     List<AlignedCodonFrame> mappings = protein.getCodonFrames();
1062
1063     /*
1064      * Map will hold, for each aligned codon position e.g. [3, 5, 6], a map of
1065      * {dnaSequence, {proteinSequence, codonProduct}} at that position. The
1066      * comparator keeps the codon positions ordered.
1067      */
1068     Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons = new TreeMap<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>>(
1069             new CodonComparator());
1070
1071     for (SequenceI dnaSeq : dna.getSequences())
1072     {
1073       for (AlignedCodonFrame mapping : mappings)
1074       {
1075         SequenceI prot = mapping.findAlignedSequence(dnaSeq, protein);
1076         if (prot != null)
1077         {
1078           Mapping seqMap = mapping.getMappingForSequence(dnaSeq);
1079           addCodonPositions(dnaSeq, prot, protein.getGapCharacter(),
1080                   seqMap, alignedCodons);
1081           unmappedProtein.remove(prot);
1082         }
1083       }
1084     }
1085
1086     /*
1087      * Finally add any unmapped peptide start residues (e.g. for incomplete
1088      * codons) as if at the codon position before the second residue
1089      */
1090     // TODO resolve JAL-2022 so this fudge can be removed
1091     int mappedSequenceCount = protein.getHeight() - unmappedProtein.size();
1092     addUnmappedPeptideStarts(alignedCodons, mappedSequenceCount);
1093     
1094     return alignedCodons;
1095   }
1096
1097   /**
1098    * Scans for any protein mapped from position 2 (meaning unmapped start
1099    * position e.g. an incomplete codon), and synthesizes a 'codon' for it at the
1100    * preceding position in the alignment
1101    * 
1102    * @param alignedCodons
1103    *          the codon-to-peptide map
1104    * @param mappedSequenceCount
1105    *          the number of distinct sequences in the map
1106    */
1107   protected static void addUnmappedPeptideStarts(
1108           Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons,
1109           int mappedSequenceCount)
1110   {
1111     // TODO delete this ugly hack once JAL-2022 is resolved
1112     // i.e. we can model startPhase > 0 (incomplete start codon)
1113
1114     List<SequenceI> sequencesChecked = new ArrayList<SequenceI>();
1115     AlignedCodon lastCodon = null;
1116     Map<SequenceI, AlignedCodon> toAdd = new HashMap<SequenceI, AlignedCodon>();
1117
1118     for (Entry<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> entry : alignedCodons
1119             .entrySet())
1120     {
1121       for (Entry<SequenceI, AlignedCodon> sequenceCodon : entry.getValue()
1122               .entrySet())
1123       {
1124         SequenceI seq = sequenceCodon.getKey();
1125         if (sequencesChecked.contains(seq))
1126         {
1127           continue;
1128         }
1129         sequencesChecked.add(seq);
1130         AlignedCodon codon = sequenceCodon.getValue();
1131         if (codon.peptideCol > 1)
1132         {
1133           System.err
1134                   .println("Problem mapping protein with >1 unmapped start positions: "
1135                           + seq.getName());
1136         }
1137         else if (codon.peptideCol == 1)
1138         {
1139           /*
1140            * first position (peptideCol == 0) was unmapped - add it
1141            */
1142           if (lastCodon != null)
1143           {
1144             AlignedCodon firstPeptide = new AlignedCodon(lastCodon.pos1,
1145                     lastCodon.pos2, lastCodon.pos3, String.valueOf(seq
1146                             .getCharAt(0)), 0);
1147             toAdd.put(seq, firstPeptide);
1148           }
1149           else
1150           {
1151             /*
1152              * unmapped residue at start of alignment (no prior column) -
1153              * 'insert' at nominal codon [0, 0, 0]
1154              */
1155             AlignedCodon firstPeptide = new AlignedCodon(0, 0, 0,
1156                     String.valueOf(seq.getCharAt(0)), 0);
1157             toAdd.put(seq, firstPeptide);
1158           }
1159         }
1160         if (sequencesChecked.size() == mappedSequenceCount)
1161         {
1162           // no need to check past first mapped position in all sequences
1163           break;
1164         }
1165       }
1166       lastCodon = entry.getKey();
1167     }
1168
1169     /*
1170      * add any new codons safely after iterating over the map
1171      */
1172     for (Entry<SequenceI, AlignedCodon> startCodon : toAdd.entrySet())
1173     {
1174       addCodonToMap(alignedCodons, startCodon.getValue(),
1175               startCodon.getKey());
1176     }
1177   }
1178
1179   /**
1180    * Update the aligned protein sequences to match the codon alignments given in
1181    * the map.
1182    * 
1183    * @param protein
1184    * @param alignedCodons
1185    *          an ordered map of codon positions (columns), with sequence/peptide
1186    *          values present in each column
1187    * @param unmappedProtein
1188    * @return
1189    */
1190   protected static int alignProteinAs(AlignmentI protein,
1191           Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons,
1192           List<SequenceI> unmappedProtein)
1193   {
1194     /*
1195      * Prefill aligned sequences with gaps before inserting aligned protein
1196      * residues.
1197      */
1198     int alignedWidth = alignedCodons.size();
1199     char[] gaps = new char[alignedWidth];
1200     Arrays.fill(gaps, protein.getGapCharacter());
1201     String allGaps = String.valueOf(gaps);
1202     for (SequenceI seq : protein.getSequences())
1203     {
1204       if (!unmappedProtein.contains(seq))
1205       {
1206         seq.setSequence(allGaps);
1207       }
1208     }
1209
1210     int column = 0;
1211     for (AlignedCodon codon : alignedCodons.keySet())
1212     {
1213       final Map<SequenceI, AlignedCodon> columnResidues = alignedCodons
1214               .get(codon);
1215       for (Entry<SequenceI, AlignedCodon> entry : columnResidues.entrySet())
1216       {
1217         // place translated codon at its column position in sequence
1218         entry.getKey().getSequence()[column] = entry.getValue().product
1219                 .charAt(0);
1220       }
1221       column++;
1222     }
1223     return 0;
1224   }
1225
1226   /**
1227    * Populate the map of aligned codons by traversing the given sequence
1228    * mapping, locating the aligned positions of mapped codons, and adding those
1229    * positions and their translation products to the map.
1230    * 
1231    * @param dna
1232    *          the aligned sequence we are mapping from
1233    * @param protein
1234    *          the sequence to be aligned to the codons
1235    * @param gapChar
1236    *          the gap character in the dna sequence
1237    * @param seqMap
1238    *          a mapping to a sequence translation
1239    * @param alignedCodons
1240    *          the map we are building up
1241    */
1242   static void addCodonPositions(SequenceI dna, SequenceI protein,
1243           char gapChar, Mapping seqMap,
1244           Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons)
1245   {
1246     Iterator<AlignedCodon> codons = seqMap.getCodonIterator(dna, gapChar);
1247
1248     /*
1249      * add codon positions, and their peptide translations, to the alignment
1250      * map, while remembering the first codon mapped
1251      */
1252     while (codons.hasNext())
1253     {
1254       try
1255       {
1256         AlignedCodon codon = codons.next();
1257         addCodonToMap(alignedCodons, codon, protein);
1258       } catch (IncompleteCodonException e)
1259       {
1260         // possible incomplete trailing codon - ignore
1261       } catch (NoSuchElementException e)
1262       {
1263         // possibly peptide lacking STOP
1264       }
1265     }
1266   }
1267
1268   /**
1269    * Helper method to add a codon-to-peptide entry to the aligned codons map
1270    * 
1271    * @param alignedCodons
1272    * @param codon
1273    * @param protein
1274    */
1275   protected static void addCodonToMap(
1276           Map<AlignedCodon, Map<SequenceI, AlignedCodon>> alignedCodons,
1277           AlignedCodon codon, SequenceI protein)
1278   {
1279     Map<SequenceI, AlignedCodon> seqProduct = alignedCodons.get(codon);
1280     if (seqProduct == null)
1281     {
1282       seqProduct = new HashMap<SequenceI, AlignedCodon>();
1283       alignedCodons.put(codon, seqProduct);
1284     }
1285     seqProduct.put(protein, codon);
1286   }
1287
1288   /**
1289    * Returns true if a cDNA/Protein mapping either exists, or could be made,
1290    * between at least one pair of sequences in the two alignments. Currently,
1291    * the logic is:
1292    * <ul>
1293    * <li>One alignment must be nucleotide, and the other protein</li>
1294    * <li>At least one pair of sequences must be already mapped, or mappable</li>
1295    * <li>Mappable means the nucleotide translation matches the protein sequence</li>
1296    * <li>The translation may ignore start and stop codons if present in the
1297    * nucleotide</li>
1298    * </ul>
1299    * 
1300    * @param al1
1301    * @param al2
1302    * @return
1303    */
1304   public static boolean isMappable(AlignmentI al1, AlignmentI al2)
1305   {
1306     if (al1 == null || al2 == null)
1307     {
1308       return false;
1309     }
1310
1311     /*
1312      * Require one nucleotide and one protein
1313      */
1314     if (al1.isNucleotide() == al2.isNucleotide())
1315     {
1316       return false;
1317     }
1318     AlignmentI dna = al1.isNucleotide() ? al1 : al2;
1319     AlignmentI protein = dna == al1 ? al2 : al1;
1320     List<AlignedCodonFrame> mappings = protein.getCodonFrames();
1321     for (SequenceI dnaSeq : dna.getSequences())
1322     {
1323       for (SequenceI proteinSeq : protein.getSequences())
1324       {
1325         if (isMappable(dnaSeq, proteinSeq, mappings))
1326         {
1327           return true;
1328         }
1329       }
1330     }
1331     return false;
1332   }
1333
1334   /**
1335    * Returns true if the dna sequence is mapped, or could be mapped, to the
1336    * protein sequence.
1337    * 
1338    * @param dnaSeq
1339    * @param proteinSeq
1340    * @param mappings
1341    * @return
1342    */
1343   protected static boolean isMappable(SequenceI dnaSeq,
1344           SequenceI proteinSeq, List<AlignedCodonFrame> mappings)
1345   {
1346     if (dnaSeq == null || proteinSeq == null)
1347     {
1348       return false;
1349     }
1350
1351     SequenceI dnaDs = dnaSeq.getDatasetSequence() == null ? dnaSeq : dnaSeq
1352             .getDatasetSequence();
1353     SequenceI proteinDs = proteinSeq.getDatasetSequence() == null ? proteinSeq
1354             : proteinSeq.getDatasetSequence();
1355
1356     for (AlignedCodonFrame mapping : mappings)
1357     {
1358       if (proteinDs == mapping.getAaForDnaSeq(dnaDs))
1359       {
1360         /*
1361          * already mapped
1362          */
1363         return true;
1364       }
1365     }
1366
1367     /*
1368      * Just try to make a mapping (it is not yet stored), test whether
1369      * successful.
1370      */
1371     return mapCdnaToProtein(proteinDs, dnaDs) != null;
1372   }
1373
1374   /**
1375    * Finds any reference annotations associated with the sequences in
1376    * sequenceScope, that are not already added to the alignment, and adds them
1377    * to the 'candidates' map. Also populates a lookup table of annotation
1378    * labels, keyed by calcId, for use in constructing tooltips or the like.
1379    * 
1380    * @param sequenceScope
1381    *          the sequences to scan for reference annotations
1382    * @param labelForCalcId
1383    *          (optional) map to populate with label for calcId
1384    * @param candidates
1385    *          map to populate with annotations for sequence
1386    * @param al
1387    *          the alignment to check for presence of annotations
1388    */
1389   public static void findAddableReferenceAnnotations(
1390           List<SequenceI> sequenceScope,
1391           Map<String, String> labelForCalcId,
1392           final Map<SequenceI, List<AlignmentAnnotation>> candidates,
1393           AlignmentI al)
1394   {
1395     if (sequenceScope == null)
1396     {
1397       return;
1398     }
1399
1400     /*
1401      * For each sequence in scope, make a list of any annotations on the
1402      * underlying dataset sequence which are not already on the alignment.
1403      * 
1404      * Add to a map of { alignmentSequence, <List of annotations to add> }
1405      */
1406     for (SequenceI seq : sequenceScope)
1407     {
1408       SequenceI dataset = seq.getDatasetSequence();
1409       if (dataset == null)
1410       {
1411         continue;
1412       }
1413       AlignmentAnnotation[] datasetAnnotations = dataset.getAnnotation();
1414       if (datasetAnnotations == null)
1415       {
1416         continue;
1417       }
1418       final List<AlignmentAnnotation> result = new ArrayList<AlignmentAnnotation>();
1419       for (AlignmentAnnotation dsann : datasetAnnotations)
1420       {
1421         /*
1422          * Find matching annotations on the alignment. If none is found, then
1423          * add this annotation to the list of 'addable' annotations for this
1424          * sequence.
1425          */
1426         final Iterable<AlignmentAnnotation> matchedAlignmentAnnotations = al
1427                 .findAnnotations(seq, dsann.getCalcId(), dsann.label);
1428         if (!matchedAlignmentAnnotations.iterator().hasNext())
1429         {
1430           result.add(dsann);
1431           if (labelForCalcId != null)
1432           {
1433             labelForCalcId.put(dsann.getCalcId(), dsann.label);
1434           }
1435         }
1436       }
1437       /*
1438        * Save any addable annotations for this sequence
1439        */
1440       if (!result.isEmpty())
1441       {
1442         candidates.put(seq, result);
1443       }
1444     }
1445   }
1446
1447   /**
1448    * Adds annotations to the top of the alignment annotations, in the same order
1449    * as their related sequences.
1450    * 
1451    * @param annotations
1452    *          the annotations to add
1453    * @param alignment
1454    *          the alignment to add them to
1455    * @param selectionGroup
1456    *          current selection group (or null if none)
1457    */
1458   public static void addReferenceAnnotations(
1459           Map<SequenceI, List<AlignmentAnnotation>> annotations,
1460           final AlignmentI alignment, final SequenceGroup selectionGroup)
1461   {
1462     for (SequenceI seq : annotations.keySet())
1463     {
1464       for (AlignmentAnnotation ann : annotations.get(seq))
1465       {
1466         AlignmentAnnotation copyAnn = new AlignmentAnnotation(ann);
1467         int startRes = 0;
1468         int endRes = ann.annotations.length;
1469         if (selectionGroup != null)
1470         {
1471           startRes = selectionGroup.getStartRes();
1472           endRes = selectionGroup.getEndRes();
1473         }
1474         copyAnn.restrict(startRes, endRes);
1475
1476         /*
1477          * Add to the sequence (sets copyAnn.datasetSequence), unless the
1478          * original annotation is already on the sequence.
1479          */
1480         if (!seq.hasAnnotation(ann))
1481         {
1482           seq.addAlignmentAnnotation(copyAnn);
1483         }
1484         // adjust for gaps
1485         copyAnn.adjustForAlignment();
1486         // add to the alignment and set visible
1487         alignment.addAnnotation(copyAnn);
1488         copyAnn.visible = true;
1489       }
1490     }
1491   }
1492
1493   /**
1494    * Set visibility of alignment annotations of specified types (labels), for
1495    * specified sequences. This supports controls like
1496    * "Show all secondary structure", "Hide all Temp factor", etc.
1497    * 
1498    * @al the alignment to scan for annotations
1499    * @param types
1500    *          the types (labels) of annotations to be updated
1501    * @param forSequences
1502    *          if not null, only annotations linked to one of these sequences are
1503    *          in scope for update; if null, acts on all sequence annotations
1504    * @param anyType
1505    *          if this flag is true, 'types' is ignored (label not checked)
1506    * @param doShow
1507    *          if true, set visibility on, else set off
1508    */
1509   public static void showOrHideSequenceAnnotations(AlignmentI al,
1510           Collection<String> types, List<SequenceI> forSequences,
1511           boolean anyType, boolean doShow)
1512   {
1513     AlignmentAnnotation[] anns = al.getAlignmentAnnotation();
1514     if (anns != null)
1515     {
1516       for (AlignmentAnnotation aa : anns)
1517       {
1518         if (anyType || types.contains(aa.label))
1519         {
1520           if ((aa.sequenceRef != null)
1521                   && (forSequences == null || forSequences
1522                           .contains(aa.sequenceRef)))
1523           {
1524             aa.visible = doShow;
1525           }
1526         }
1527       }
1528     }
1529   }
1530
1531   /**
1532    * Returns true if either sequence has a cross-reference to the other
1533    * 
1534    * @param seq1
1535    * @param seq2
1536    * @return
1537    */
1538   public static boolean haveCrossRef(SequenceI seq1, SequenceI seq2)
1539   {
1540     // Note: moved here from class CrossRef as the latter class has dependencies
1541     // not availability to the applet's classpath
1542     return hasCrossRef(seq1, seq2) || hasCrossRef(seq2, seq1);
1543   }
1544
1545   /**
1546    * Returns true if seq1 has a cross-reference to seq2. Currently this assumes
1547    * that sequence name is structured as Source|AccessionId.
1548    * 
1549    * @param seq1
1550    * @param seq2
1551    * @return
1552    */
1553   public static boolean hasCrossRef(SequenceI seq1, SequenceI seq2)
1554   {
1555     if (seq1 == null || seq2 == null)
1556     {
1557       return false;
1558     }
1559     String name = seq2.getName();
1560     final DBRefEntry[] xrefs = seq1.getDBRefs();
1561     if (xrefs != null)
1562     {
1563       for (DBRefEntry xref : xrefs)
1564       {
1565         String xrefName = xref.getSource() + "|" + xref.getAccessionId();
1566         // case-insensitive test, consistent with DBRefEntry.equalRef()
1567         if (xrefName.equalsIgnoreCase(name))
1568         {
1569           return true;
1570         }
1571       }
1572     }
1573     return false;
1574   }
1575
1576   /**
1577    * Constructs an alignment consisting of the mapped (CDS) regions in the given
1578    * nucleotide sequences, and updates mappings to match. The CDS sequences are
1579    * added to the original alignment's dataset, which is shared by the new
1580    * alignment. Mappings from nucleotide to CDS, and from CDS to protein, are
1581    * added to the alignment dataset.
1582    * 
1583    * @param dna
1584    *          aligned nucleotide (dna or cds) sequences
1585    * @param dataset
1586    *          the alignment dataset the sequences belong to
1587    * @param products
1588    *          (optional) to restrict results to CDS that map to specified
1589    *          protein products
1590    * @return an alignment whose sequences are the cds-only parts of the dna
1591    *         sequences (or null if no mappings are found)
1592    */
1593   public static AlignmentI makeCdsAlignment(SequenceI[] dna,
1594           AlignmentI dataset, SequenceI[] products)
1595   {
1596     if (dataset == null || dataset.getDataset() != null)
1597     {
1598       throw new IllegalArgumentException(
1599               "IMPLEMENTATION ERROR: dataset.getDataset() must be null!");
1600     }
1601     List<SequenceI> foundSeqs = new ArrayList<SequenceI>();
1602     List<SequenceI> cdsSeqs = new ArrayList<SequenceI>();
1603     List<AlignedCodonFrame> mappings = dataset.getCodonFrames();
1604     HashSet<SequenceI> productSeqs = null;
1605     if (products != null)
1606     {
1607       productSeqs = new HashSet<SequenceI>();
1608       for (SequenceI seq : products)
1609       {
1610         productSeqs.add(seq.getDatasetSequence() == null ? seq : seq
1611                 .getDatasetSequence());
1612       }
1613     }
1614
1615     /*
1616      * Construct CDS sequences from mappings on the alignment dataset.
1617      * The logic is:
1618      * - find the protein product(s) mapped to from each dna sequence
1619      * - if the mapping covers the whole dna sequence (give or take start/stop
1620      *   codon), take the dna as the CDS sequence
1621      * - else search dataset mappings for a suitable dna sequence, i.e. one
1622      *   whose whole sequence is mapped to the protein 
1623      * - if no sequence found, construct one from the dna sequence and mapping
1624      *   (and add it to dataset so it is found if this is repeated)
1625      */
1626     for (SequenceI dnaSeq : dna)
1627     {
1628       SequenceI dnaDss = dnaSeq.getDatasetSequence() == null ? dnaSeq
1629               : dnaSeq.getDatasetSequence();
1630
1631       List<AlignedCodonFrame> seqMappings = MappingUtils
1632               .findMappingsForSequence(dnaSeq, mappings);
1633       for (AlignedCodonFrame mapping : seqMappings)
1634       {
1635         List<Mapping> mappingsFromSequence = mapping
1636                 .getMappingsFromSequence(dnaSeq);
1637
1638         for (Mapping aMapping : mappingsFromSequence)
1639         {
1640           MapList mapList = aMapping.getMap();
1641           if (mapList.getFromRatio() == 1)
1642           {
1643             /*
1644              * not a dna-to-protein mapping (likely dna-to-cds)
1645              */
1646             continue;
1647           }
1648
1649           /*
1650            * skip if mapping is not to one of the target set of proteins
1651            */
1652           SequenceI proteinProduct = aMapping.getTo();
1653           if (productSeqs != null && !productSeqs.contains(proteinProduct))
1654           {
1655             continue;
1656           }
1657
1658           /*
1659            * try to locate the CDS from the dataset mappings;
1660            * guard against duplicate results (for the case that protein has
1661            * dbrefs to both dna and cds sequences)
1662            */
1663           SequenceI cdsSeq = findCdsForProtein(mappings, dnaSeq,
1664                   seqMappings, aMapping);
1665           if (cdsSeq != null)
1666           {
1667             if (!foundSeqs.contains(cdsSeq))
1668             {
1669               foundSeqs.add(cdsSeq);
1670               SequenceI derivedSequence = cdsSeq.deriveSequence();
1671               cdsSeqs.add(derivedSequence);
1672               if (!dataset.getSequences().contains(cdsSeq))
1673               {
1674                 dataset.addSequence(cdsSeq);
1675               }
1676             }
1677             continue;
1678           }
1679
1680           /*
1681            * didn't find mapped CDS sequence - construct it and add
1682            * its dataset sequence to the dataset
1683            */
1684           cdsSeq = makeCdsSequence(dnaSeq.getDatasetSequence(), aMapping);
1685           SequenceI cdsSeqDss = cdsSeq.createDatasetSequence();
1686           cdsSeqs.add(cdsSeq);
1687           if (!dataset.getSequences().contains(cdsSeqDss))
1688           {
1689             dataset.addSequence(cdsSeqDss);
1690           }
1691
1692           /*
1693            * add a mapping from CDS to the (unchanged) mapped to range
1694            */
1695           List<int[]> cdsRange = Collections.singletonList(new int[] { 1,
1696               cdsSeq.getLength() });
1697           MapList cdsToProteinMap = new MapList(cdsRange, mapList.getToRanges(),
1698                   mapList.getFromRatio(), mapList.getToRatio());
1699           AlignedCodonFrame cdsToProteinMapping = new AlignedCodonFrame();
1700           cdsToProteinMapping.addMap(cdsSeqDss, proteinProduct,
1701                   cdsToProteinMap);
1702
1703           /*
1704            * guard against duplicating the mapping if repeating this action
1705            */
1706           if (!mappings.contains(cdsToProteinMapping))
1707           {
1708             mappings.add(cdsToProteinMapping);
1709           }
1710
1711           /*
1712            * add another mapping from original 'from' range to CDS
1713            */
1714           AlignedCodonFrame dnaToCdsMapping = new AlignedCodonFrame();
1715           MapList dnaToCdsMap = new MapList(mapList.getFromRanges(),
1716                   cdsRange, 1,
1717                   1);
1718           dnaToCdsMapping.addMap(dnaSeq.getDatasetSequence(), cdsSeqDss,
1719                   dnaToCdsMap);
1720           if (!mappings.contains(dnaToCdsMapping))
1721           {
1722             mappings.add(dnaToCdsMapping);
1723           }
1724
1725           /*
1726            * add DBRef with mapping from protein to CDS
1727            * (this enables Get Cross-References from protein alignment)
1728            * This is tricky because we can't have two DBRefs with the
1729            * same source and accession, so need a different accession for
1730            * the CDS from the dna sequence
1731            */
1732           DBRefEntryI dnaRef = dnaDss.getSourceDBRef();
1733           if (dnaRef != null)
1734           {
1735             // assuming cds version same as dna ?!?
1736             DBRefEntry proteinToCdsRef = new DBRefEntry(dnaRef.getSource(),
1737                     dnaRef.getVersion(), cdsSeq.getName());
1738             proteinToCdsRef.setMap(new Mapping(cdsSeqDss, cdsToProteinMap
1739                     .getInverse()));
1740             proteinProduct.addDBRef(proteinToCdsRef);
1741           }
1742
1743           /*
1744            * transfer any features on dna that overlap the CDS
1745            */
1746           transferFeatures(dnaSeq, cdsSeq, cdsToProteinMap, null,
1747                   SequenceOntologyI.CDS);
1748         }
1749       }
1750     }
1751
1752     AlignmentI cds = new Alignment(cdsSeqs.toArray(new SequenceI[cdsSeqs
1753             .size()]));
1754     cds.setDataset(dataset);
1755
1756     return cds;
1757   }
1758
1759   /**
1760    * A helper method that finds a CDS sequence in the alignment dataset that is
1761    * mapped to the given protein sequence, and either is, or has a mapping from,
1762    * the given dna sequence.
1763    * 
1764    * @param mappings
1765    *          set of all mappings on the dataset
1766    * @param dnaSeq
1767    *          a dna (or cds) sequence we are searching from
1768    * @param seqMappings
1769    *          the set of mappings involving dnaSeq
1770    * @param aMapping
1771    *          an initial candidate from seqMappings
1772    * @return
1773    */
1774   static SequenceI findCdsForProtein(List<AlignedCodonFrame> mappings,
1775           SequenceI dnaSeq, List<AlignedCodonFrame> seqMappings,
1776           Mapping aMapping)
1777   {
1778     /*
1779      * TODO a better dna-cds-protein mapping data representation to allow easy
1780      * navigation; until then this clunky looping around lists of mappings
1781      */
1782     SequenceI seqDss = dnaSeq.getDatasetSequence() == null ? dnaSeq
1783             : dnaSeq.getDatasetSequence();
1784     SequenceI proteinProduct = aMapping.getTo();
1785
1786     /*
1787      * is this mapping from the whole dna sequence (i.e. CDS)?
1788      * allowing for possible stop codon on dna but not peptide
1789      */
1790     int mappedFromLength = MappingUtils.getLength(aMapping.getMap()
1791             .getFromRanges());
1792     int dnaLength = seqDss.getLength();
1793     if (mappedFromLength == dnaLength || mappedFromLength == dnaLength - 3)
1794     {
1795       return seqDss;
1796     }
1797
1798     /*
1799      * looks like we found the dna-to-protein mapping; search for the
1800      * corresponding cds-to-protein mapping
1801      */
1802     List<AlignedCodonFrame> mappingsToPeptide = MappingUtils
1803             .findMappingsForSequence(proteinProduct, mappings);
1804     for (AlignedCodonFrame acf : mappingsToPeptide)
1805     {
1806       for (SequenceToSequenceMapping map : acf.getMappings())
1807       {
1808         Mapping mapping = map.getMapping();
1809         if (mapping != aMapping && mapping.getMap().getFromRatio() == 3
1810                 && proteinProduct == mapping.getTo()
1811                 && seqDss != map.getFromSeq())
1812         {
1813           mappedFromLength = MappingUtils.getLength(mapping.getMap()
1814                   .getFromRanges());
1815           if (mappedFromLength == map.getFromSeq().getLength())
1816           {
1817             /*
1818             * found a 3:1 mapping to the protein product which covers
1819             * the whole dna sequence i.e. is from CDS; finally check it
1820             * is from the dna start sequence
1821             */
1822             SequenceI cdsSeq = map.getFromSeq();
1823             List<AlignedCodonFrame> dnaToCdsMaps = MappingUtils
1824                     .findMappingsForSequence(cdsSeq, seqMappings);
1825             if (!dnaToCdsMaps.isEmpty())
1826             {
1827               return cdsSeq;
1828             }
1829           }
1830         }
1831       }
1832     }
1833     return null;
1834   }
1835
1836   /**
1837    * Helper method that makes a CDS sequence as defined by the mappings from the
1838    * given sequence i.e. extracts the 'mapped from' ranges (which may be on
1839    * forward or reverse strand).
1840    * 
1841    * @param seq
1842    * @param mapping
1843    * @return CDS sequence (as a dataset sequence)
1844    */
1845   static SequenceI makeCdsSequence(SequenceI seq, Mapping mapping)
1846   {
1847     char[] seqChars = seq.getSequence();
1848     List<int[]> fromRanges = mapping.getMap().getFromRanges();
1849     int cdsWidth = MappingUtils.getLength(fromRanges);
1850     char[] newSeqChars = new char[cdsWidth];
1851
1852     int newPos = 0;
1853     for (int[] range : fromRanges)
1854     {
1855       if (range[0] <= range[1])
1856       {
1857         // forward strand mapping - just copy the range
1858         int length = range[1] - range[0] + 1;
1859         System.arraycopy(seqChars, range[0] - 1, newSeqChars, newPos,
1860                 length);
1861         newPos += length;
1862       }
1863       else
1864       {
1865         // reverse strand mapping - copy and complement one by one
1866         for (int i = range[0]; i >= range[1]; i--)
1867         {
1868           newSeqChars[newPos++] = Dna.getComplement(seqChars[i - 1]);
1869         }
1870       }
1871     }
1872     
1873     /*
1874      * assign 'from id' held in the mapping if set (e.g. EMBL protein_id),
1875      * else generate a sequence name
1876      */
1877     String mapFromId = mapping.getMappedFromId();
1878     String seqId = "CDS|" + (mapFromId != null ? mapFromId : seq.getName());
1879     SequenceI newSeq = new Sequence(seqId, newSeqChars, 1, newPos);
1880     // newSeq.setDescription(mapFromId);
1881
1882     propagateDBRefsToCDS(newSeq, seq, mapping);
1883
1884     return newSeq;
1885   }
1886
1887   /**
1888    * add any DBRefEntrys to cdsSeq from contig that have a Mapping congruent to
1889    * the given mapping.
1890    * 
1891    * @param cdsSeq
1892    * @param contig
1893    * @param mapping
1894    * @return list of DBRefEntrys added.
1895    */
1896   public static List<DBRefEntry> propagateDBRefsToCDS(SequenceI cdsSeq,
1897           SequenceI contig, Mapping mapping)
1898   {
1899
1900     // gather direct refs from contig congrent with mapping
1901     List<DBRefEntry> direct = new ArrayList<DBRefEntry>();
1902     if (contig.getDBRefs() != null)
1903     {
1904       for (DBRefEntry dbr : contig.getDBRefs())
1905       {
1906         if (dbr.hasMap() && dbr.getMap().getMap().isTripletMap())
1907         {
1908           MapList map = dbr.getMap().getMap();
1909           // check if map is the CDS mapping
1910           if (mapping.getMap().equals(map))
1911           {
1912             direct.add(dbr);
1913           }
1914         }
1915       }
1916     }
1917
1918     List<DBRefEntry> propagated = new ArrayList<DBRefEntry>();
1919
1920     // and generate appropriate mappings
1921     for (DBRefEntry cdsref : direct)
1922     {
1923       Mapping cdsmap = cdsref.getMap();
1924       MapList cdsposmap = new MapList(Arrays.asList(new int[][] { new int[]
1925       { cdsSeq.getStart(), cdsSeq.getEnd() } }), cdsmap.getMap()
1926               .getToRanges(), 3, 1);
1927
1928       DBRefEntry newref = new DBRefEntry(cdsref.getSource(),
1929               cdsref.getVersion(), cdsref.getAccessionId(), new Mapping(
1930                       cdsmap.getTo(), cdsposmap));
1931       cdsSeq.addDBRef(newref);
1932       propagated.add(newref);
1933     }
1934     return propagated;
1935   }
1936
1937   /**
1938    * Transfers co-located features on 'fromSeq' to 'toSeq', adjusting the
1939    * feature start/end ranges, optionally omitting specified feature types.
1940    * Returns the number of features copied.
1941    * 
1942    * @param fromSeq
1943    * @param toSeq
1944    * @param select
1945    *          if not null, only features of this type are copied (including
1946    *          subtypes in the Sequence Ontology)
1947    * @param mapping
1948    *          the mapping from 'fromSeq' to 'toSeq'
1949    * @param omitting
1950    */
1951   public static int transferFeatures(SequenceI fromSeq, SequenceI toSeq,
1952           MapList mapping, String select, String... omitting)
1953   {
1954     SequenceI copyTo = toSeq;
1955     while (copyTo.getDatasetSequence() != null)
1956     {
1957       copyTo = copyTo.getDatasetSequence();
1958     }
1959
1960     SequenceOntologyI so = SequenceOntologyFactory.getInstance();
1961     int count = 0;
1962     SequenceFeature[] sfs = fromSeq.getSequenceFeatures();
1963     if (sfs != null)
1964     {
1965       for (SequenceFeature sf : sfs)
1966       {
1967         String type = sf.getType();
1968         if (select != null && !so.isA(type, select))
1969         {
1970           continue;
1971         }
1972         boolean omit = false;
1973         for (String toOmit : omitting)
1974         {
1975           if (type.equals(toOmit))
1976           {
1977             omit = true;
1978           }
1979         }
1980         if (omit)
1981         {
1982           continue;
1983         }
1984
1985         /*
1986          * locate the mapped range - null if either start or end is
1987          * not mapped (no partial overlaps are calculated)
1988          */
1989         int start = sf.getBegin();
1990         int end = sf.getEnd();
1991         int[] mappedTo = mapping.locateInTo(start, end);
1992         /*
1993          * if whole exon range doesn't map, try interpreting it
1994          * as 5' or 3' exon overlapping the CDS range
1995          */
1996         if (mappedTo == null)
1997         {
1998           mappedTo = mapping.locateInTo(end, end);
1999           if (mappedTo != null)
2000           {
2001             /*
2002              * end of exon is in CDS range - 5' overlap
2003              * to a range from the start of the peptide
2004              */
2005             mappedTo[0] = 1;
2006           }
2007         }
2008         if (mappedTo == null)
2009         {
2010           mappedTo = mapping.locateInTo(start, start);
2011           if (mappedTo != null)
2012           {
2013             /*
2014              * start of exon is in CDS range - 3' overlap
2015              * to a range up to the end of the peptide
2016              */
2017             mappedTo[1] = toSeq.getLength();
2018           }
2019         }
2020         if (mappedTo != null)
2021         {
2022           SequenceFeature copy = new SequenceFeature(sf);
2023           copy.setBegin(Math.min(mappedTo[0], mappedTo[1]));
2024           copy.setEnd(Math.max(mappedTo[0], mappedTo[1]));
2025           copyTo.addSequenceFeature(copy);
2026           count++;
2027         }
2028       }
2029     }
2030     return count;
2031   }
2032
2033   /**
2034    * Returns a mapping from dna to protein by inspecting sequence features of
2035    * type "CDS" on the dna.
2036    * 
2037    * @param dnaSeq
2038    * @param proteinSeq
2039    * @return
2040    */
2041   public static MapList mapCdsToProtein(SequenceI dnaSeq,
2042           SequenceI proteinSeq)
2043   {
2044     List<int[]> ranges = findCdsPositions(dnaSeq);
2045     int mappedDnaLength = MappingUtils.getLength(ranges);
2046
2047     int proteinLength = proteinSeq.getLength();
2048     int proteinStart = proteinSeq.getStart();
2049     int proteinEnd = proteinSeq.getEnd();
2050
2051     /*
2052      * incomplete start codon may mean X at start of peptide
2053      * we ignore both for mapping purposes
2054      */
2055     if (proteinSeq.getCharAt(0) == 'X')
2056     {
2057       // todo JAL-2022 support startPhase > 0
2058       proteinStart++;
2059       proteinLength--;
2060     }
2061     List<int[]> proteinRange = new ArrayList<int[]>();
2062
2063     /*
2064      * dna length should map to protein (or protein plus stop codon)
2065      */
2066     int codesForResidues = mappedDnaLength / 3;
2067     if (codesForResidues == (proteinLength + 1))
2068     {
2069       // assuming extra codon is for STOP and not in peptide
2070       codesForResidues--;
2071     }
2072     if (codesForResidues == proteinLength)
2073     {
2074       proteinRange.add(new int[] { proteinStart, proteinEnd });
2075       return new MapList(ranges, proteinRange, 3, 1);
2076     }
2077     return null;
2078   }
2079
2080   /**
2081    * Returns a list of CDS ranges found (as sequence positions base 1), i.e. of
2082    * start/end positions of sequence features of type "CDS" (or a sub-type of
2083    * CDS in the Sequence Ontology). The ranges are sorted into ascending start
2084    * position order, so this method is only valid for linear CDS in the same
2085    * sense as the protein product.
2086    * 
2087    * @param dnaSeq
2088    * @return
2089    */
2090   public static List<int[]> findCdsPositions(SequenceI dnaSeq)
2091   {
2092     List<int[]> result = new ArrayList<int[]>();
2093     SequenceFeature[] sfs = dnaSeq.getSequenceFeatures();
2094     if (sfs == null)
2095     {
2096       return result;
2097     }
2098
2099     SequenceOntologyI so = SequenceOntologyFactory.getInstance();
2100     int startPhase = 0;
2101
2102     for (SequenceFeature sf : sfs)
2103     {
2104       /*
2105        * process a CDS feature (or a sub-type of CDS)
2106        */
2107       if (so.isA(sf.getType(), SequenceOntologyI.CDS))
2108       {
2109         int phase = 0;
2110         try
2111         {
2112           phase = Integer.parseInt(sf.getPhase());
2113         } catch (NumberFormatException e)
2114         {
2115           // ignore
2116         }
2117         /*
2118          * phase > 0 on first codon means 5' incomplete - skip to the start
2119          * of the next codon; example ENST00000496384
2120          */
2121         int begin = sf.getBegin();
2122         int end = sf.getEnd();
2123         if (result.isEmpty())
2124         {
2125           begin += phase;
2126           if (begin > end)
2127           {
2128             // shouldn't happen!
2129             System.err
2130                     .println("Error: start phase extends beyond start CDS in "
2131                             + dnaSeq.getName());
2132           }
2133         }
2134         result.add(new int[] { begin, end });
2135       }
2136     }
2137
2138     /*
2139      * remove 'startPhase' positions (usually 0) from the first range 
2140      * so we begin at the start of a complete codon
2141      */
2142     if (!result.isEmpty())
2143     {
2144       // TODO JAL-2022 correctly model start phase > 0
2145       result.get(0)[0] += startPhase;
2146     }
2147
2148     /*
2149      * Finally sort ranges by start position. This avoids a dependency on 
2150      * keeping features in order on the sequence (if they are in order anyway,
2151      * the sort will have almost no work to do). The implicit assumption is CDS
2152      * ranges are assembled in order. Other cases should not use this method,
2153      * but instead construct an explicit mapping for CDS (e.g. EMBL parsing).
2154      */
2155     Collections.sort(result, new Comparator<int[]>()
2156     {
2157       @Override
2158       public int compare(int[] o1, int[] o2)
2159       {
2160         return Integer.compare(o1[0], o2[0]);
2161       }
2162     });
2163     return result;
2164   }
2165
2166   /**
2167    * Maps exon features from dna to protein, and computes variants in peptide
2168    * product generated by variants in dna, and adds them as sequence_variant
2169    * features on the protein sequence. Returns the number of variant features
2170    * added.
2171    * 
2172    * @param dnaSeq
2173    * @param peptide
2174    * @param dnaToProtein
2175    */
2176   public static int computeProteinFeatures(SequenceI dnaSeq,
2177           SequenceI peptide, MapList dnaToProtein)
2178   {
2179     while (dnaSeq.getDatasetSequence() != null)
2180     {
2181       dnaSeq = dnaSeq.getDatasetSequence();
2182     }
2183     while (peptide.getDatasetSequence() != null)
2184     {
2185       peptide = peptide.getDatasetSequence();
2186     }
2187
2188     transferFeatures(dnaSeq, peptide, dnaToProtein, SequenceOntologyI.EXON);
2189
2190     /*
2191      * compute protein variants from dna variants and codon mappings;
2192      * NB - alternatively we could retrieve this using the REST service e.g.
2193      * http://rest.ensembl.org/overlap/translation
2194      * /ENSP00000288602?feature=transcript_variation;content-type=text/xml
2195      * which would be a bit slower but possibly more reliable
2196      */
2197
2198     /*
2199      * build a map with codon variations for each potentially varying peptide
2200      */
2201     LinkedHashMap<Integer, List<DnaVariant>[]> variants = buildDnaVariantsMap(
2202             dnaSeq, dnaToProtein);
2203
2204     /*
2205      * scan codon variations, compute peptide variants and add to peptide sequence
2206      */
2207     int count = 0;
2208     for (Entry<Integer, List<DnaVariant>[]> variant : variants.entrySet())
2209     {
2210       int peptidePos = variant.getKey();
2211       List<DnaVariant>[] codonVariants = variant.getValue();
2212       count += computePeptideVariants(peptide, peptidePos, codonVariants);
2213     }
2214
2215     /*
2216      * sort to get sequence features in start position order
2217      * - would be better to store in Sequence as a TreeSet or NCList?
2218      */
2219     if (peptide.getSequenceFeatures() != null)
2220     {
2221       Arrays.sort(peptide.getSequenceFeatures(),
2222               new Comparator<SequenceFeature>()
2223               {
2224                 @Override
2225                 public int compare(SequenceFeature o1, SequenceFeature o2)
2226                 {
2227                   int c = Integer.compare(o1.getBegin(), o2.getBegin());
2228                   return c == 0 ? Integer.compare(o1.getEnd(), o2.getEnd())
2229                           : c;
2230                 }
2231               });
2232     }
2233     return count;
2234   }
2235
2236   /**
2237    * Computes non-synonymous peptide variants from codon variants and adds them
2238    * as sequence_variant features on the protein sequence (one feature per
2239    * allele variant). Selected attributes (variant id, clinical significance)
2240    * are copied over to the new features.
2241    * 
2242    * @param peptide
2243    *          the protein sequence
2244    * @param peptidePos
2245    *          the position to compute peptide variants for
2246    * @param codonVariants
2247    *          a list of dna variants per codon position
2248    * @return the number of features added
2249    */
2250   static int computePeptideVariants(SequenceI peptide, int peptidePos,
2251           List<DnaVariant>[] codonVariants)
2252   {
2253     String residue = String.valueOf(peptide.getCharAt(peptidePos - 1));
2254     int count = 0;
2255     String base1 = codonVariants[0].get(0).base;
2256     String base2 = codonVariants[1].get(0).base;
2257     String base3 = codonVariants[2].get(0).base;
2258
2259     /*
2260      * variants in first codon base
2261      */
2262     for (DnaVariant var : codonVariants[0])
2263     {
2264       if (var.variant != null)
2265       {
2266         String alleles = (String) var.variant.getValue("alleles");
2267         if (alleles != null)
2268         {
2269           for (String base : alleles.split(","))
2270           {
2271             String codon = base + base2 + base3;
2272             if (addPeptideVariant(peptide, peptidePos, residue, var, codon))
2273             {
2274               count++;
2275             }
2276           }
2277         }
2278       }
2279     }
2280
2281     /*
2282      * variants in second codon base
2283      */
2284     for (DnaVariant var : codonVariants[1])
2285     {
2286       if (var.variant != null)
2287       {
2288         String alleles = (String) var.variant.getValue("alleles");
2289         if (alleles != null)
2290         {
2291           for (String base : alleles.split(","))
2292           {
2293             String codon = base1 + base + base3;
2294             if (addPeptideVariant(peptide, peptidePos, residue, var, codon))
2295             {
2296               count++;
2297             }
2298           }
2299         }
2300       }
2301     }
2302
2303     /*
2304      * variants in third codon base
2305      */
2306     for (DnaVariant var : codonVariants[2])
2307     {
2308       if (var.variant != null)
2309       {
2310         String alleles = (String) var.variant.getValue("alleles");
2311         if (alleles != null)
2312         {
2313           for (String base : alleles.split(","))
2314           {
2315             String codon = base1 + base2 + base;
2316             if (addPeptideVariant(peptide, peptidePos, residue, var, codon))
2317             {
2318               count++;
2319             }
2320           }
2321         }
2322       }
2323     }
2324
2325     return count;
2326   }
2327
2328   /**
2329    * Helper method that adds a peptide variant feature, provided the given codon
2330    * translates to a value different to the current residue (is a non-synonymous
2331    * variant). ID and clinical_significance attributes of the dna variant (if
2332    * present) are copied to the new feature.
2333    * 
2334    * @param peptide
2335    * @param peptidePos
2336    * @param residue
2337    * @param var
2338    * @param codon
2339    * @return true if a feature was added, else false
2340    */
2341   static boolean addPeptideVariant(SequenceI peptide, int peptidePos,
2342           String residue, DnaVariant var, String codon)
2343   {
2344     /*
2345      * get peptide translation of codon e.g. GAT -> D
2346      * note that variants which are not single alleles,
2347      * e.g. multibase variants or HGMD_MUTATION etc
2348      * are currently ignored here
2349      */
2350     String trans = codon.contains("-") ? "-"
2351             : (codon.length() > 3 ? null : ResidueProperties
2352                     .codonTranslate(codon));
2353     if (trans != null && !trans.equals(residue))
2354     {
2355       String residue3Char = StringUtils
2356               .toSentenceCase(ResidueProperties.aa2Triplet.get(residue));
2357       String trans3Char = StringUtils
2358               .toSentenceCase(ResidueProperties.aa2Triplet.get(trans));
2359       String desc = "p." + residue3Char + peptidePos + trans3Char;
2360       // set score to 0f so 'graduated colour' option is offered! JAL-2060
2361       SequenceFeature sf = new SequenceFeature(
2362               SequenceOntologyI.SEQUENCE_VARIANT, desc, peptidePos,
2363               peptidePos, 0f, "Jalview");
2364       StringBuilder attributes = new StringBuilder(32);
2365       String id = (String) var.variant.getValue(ID);
2366       if (id != null)
2367       {
2368         if (id.startsWith(SEQUENCE_VARIANT))
2369         {
2370           id = id.substring(SEQUENCE_VARIANT.length());
2371         }
2372         sf.setValue(ID, id);
2373         attributes.append(ID).append("=").append(id);
2374         // TODO handle other species variants
2375         StringBuilder link = new StringBuilder(32);
2376         try
2377         {
2378           link.append(desc).append(" ").append(id)
2379                   .append("|http://www.ensembl.org/Homo_sapiens/Variation/Summary?v=")
2380                   .append(URLEncoder.encode(id, "UTF-8"));
2381           sf.addLink(link.toString());
2382         } catch (UnsupportedEncodingException e)
2383         {
2384           // as if
2385         }
2386       }
2387       String clinSig = (String) var.variant
2388               .getValue(CLINICAL_SIGNIFICANCE);
2389       if (clinSig != null)
2390       {
2391         sf.setValue(CLINICAL_SIGNIFICANCE, clinSig);
2392         attributes.append(";").append(CLINICAL_SIGNIFICANCE).append("=")
2393                 .append(clinSig);
2394       }
2395       peptide.addSequenceFeature(sf);
2396       if (attributes.length() > 0)
2397       {
2398         sf.setAttributes(attributes.toString());
2399       }
2400       return true;
2401     }
2402     return false;
2403   }
2404
2405   /**
2406    * Builds a map whose key is position in the protein sequence, and value is a
2407    * list of the base and all variants for each corresponding codon position
2408    * 
2409    * @param dnaSeq
2410    * @param dnaToProtein
2411    * @return
2412    */
2413   static LinkedHashMap<Integer, List<DnaVariant>[]> buildDnaVariantsMap(
2414           SequenceI dnaSeq, MapList dnaToProtein)
2415   {
2416     /*
2417      * map from peptide position to all variants of the codon which codes for it
2418      * LinkedHashMap ensures we keep the peptide features in sequence order
2419      */
2420     LinkedHashMap<Integer, List<DnaVariant>[]> variants = new LinkedHashMap<Integer, List<DnaVariant>[]>();
2421     SequenceOntologyI so = SequenceOntologyFactory.getInstance();
2422
2423     SequenceFeature[] dnaFeatures = dnaSeq.getSequenceFeatures();
2424     if (dnaFeatures == null)
2425     {
2426       return variants;
2427     }
2428
2429     int dnaStart = dnaSeq.getStart();
2430     int[] lastCodon = null;
2431     int lastPeptidePostion = 0;
2432
2433     /*
2434      * build a map of codon variations for peptides
2435      */
2436     for (SequenceFeature sf : dnaFeatures)
2437     {
2438       int dnaCol = sf.getBegin();
2439       if (dnaCol != sf.getEnd())
2440       {
2441         // not handling multi-locus variant features
2442         continue;
2443       }
2444       if (so.isA(sf.getType(), SequenceOntologyI.SEQUENCE_VARIANT))
2445       {
2446         int[] mapsTo = dnaToProtein.locateInTo(dnaCol, dnaCol);
2447         if (mapsTo == null)
2448         {
2449           // feature doesn't lie within coding region
2450           continue;
2451         }
2452         int peptidePosition = mapsTo[0];
2453         List<DnaVariant>[] codonVariants = variants.get(peptidePosition);
2454         if (codonVariants == null)
2455         {
2456           codonVariants = new ArrayList[3];
2457           codonVariants[0] = new ArrayList<DnaVariant>();
2458           codonVariants[1] = new ArrayList<DnaVariant>();
2459           codonVariants[2] = new ArrayList<DnaVariant>();
2460           variants.put(peptidePosition, codonVariants);
2461         }
2462
2463         /*
2464          * extract dna variants to a string array
2465          */
2466         String alls = (String) sf.getValue("alleles");
2467         if (alls == null)
2468         {
2469           continue;
2470         }
2471         String[] alleles = alls.toUpperCase().split(",");
2472         int i = 0;
2473         for (String allele : alleles)
2474         {
2475           alleles[i++] = allele.trim(); // lose any space characters "A, G"
2476         }
2477
2478         /*
2479          * get this peptide's codon positions e.g. [3, 4, 5] or [4, 7, 10]
2480          */
2481         int[] codon = peptidePosition == lastPeptidePostion ? lastCodon
2482                 : MappingUtils.flattenRanges(dnaToProtein.locateInFrom(
2483                         peptidePosition, peptidePosition));
2484         lastPeptidePostion = peptidePosition;
2485         lastCodon = codon;
2486
2487         /*
2488          * save nucleotide (and any variant) for each codon position
2489          */
2490         for (int codonPos = 0; codonPos < 3; codonPos++)
2491         {
2492           String nucleotide = String.valueOf(
2493                   dnaSeq.getCharAt(codon[codonPos] - dnaStart))
2494                   .toUpperCase();
2495           List<DnaVariant> codonVariant = codonVariants[codonPos];
2496           if (codon[codonPos] == dnaCol)
2497           {
2498             if (!codonVariant.isEmpty()
2499                     && codonVariant.get(0).variant == null)
2500             {
2501               /*
2502                * already recorded base value, add this variant
2503                */
2504               codonVariant.get(0).variant = sf;
2505             }
2506             else
2507             {
2508               /*
2509                * add variant with base value
2510                */
2511               codonVariant.add(new DnaVariant(nucleotide, sf));
2512             }
2513           }
2514           else if (codonVariant.isEmpty())
2515           {
2516             /*
2517              * record (possibly non-varying) base value
2518              */
2519             codonVariant.add(new DnaVariant(nucleotide));
2520           }
2521         }
2522       }
2523     }
2524     return variants;
2525   }
2526
2527   /**
2528    * Makes an alignment with a copy of the given sequences, adding in any
2529    * non-redundant sequences which are mapped to by the cross-referenced
2530    * sequences.
2531    * 
2532    * @param seqs
2533    * @param xrefs
2534    * @param dataset
2535    *          the alignment dataset shared by the new copy
2536    * @return
2537    */
2538   public static AlignmentI makeCopyAlignment(SequenceI[] seqs,
2539           SequenceI[] xrefs, AlignmentI dataset)
2540   {
2541     AlignmentI copy = new Alignment(new Alignment(seqs));
2542     copy.setDataset(dataset);
2543
2544     SequenceIdMatcher matcher = new SequenceIdMatcher(seqs);
2545     if (xrefs != null)
2546     {
2547       for (SequenceI xref : xrefs)
2548       {
2549         DBRefEntry[] dbrefs = xref.getDBRefs();
2550         if (dbrefs != null)
2551         {
2552           for (DBRefEntry dbref : dbrefs)
2553           {
2554             if (dbref.getMap() == null || dbref.getMap().getTo() == null)
2555             {
2556               continue;
2557             }
2558             SequenceI mappedTo = dbref.getMap().getTo();
2559             SequenceI match = matcher.findIdMatch(mappedTo);
2560             if (match == null)
2561             {
2562               matcher.add(mappedTo);
2563               copy.addSequence(mappedTo);
2564             }
2565           }
2566         }
2567       }
2568     }
2569     return copy;
2570   }
2571
2572   /**
2573    * Try to align sequences in 'unaligned' to match the alignment of their
2574    * mapped regions in 'aligned'. For example, could use this to align CDS
2575    * sequences which are mapped to their parent cDNA sequences.
2576    * 
2577    * This method handles 1:1 mappings (dna-to-dna or protein-to-protein). For
2578    * dna-to-protein or protein-to-dna use alternative methods.
2579    * 
2580    * @param unaligned
2581    *          sequences to be aligned
2582    * @param aligned
2583    *          holds aligned sequences and their mappings
2584    * @return
2585    */
2586   public static int alignAs(AlignmentI unaligned, AlignmentI aligned)
2587   {
2588     /*
2589      * easy case - aligning a copy of aligned sequences
2590      */
2591     if (alignAsSameSequences(unaligned, aligned))
2592     {
2593       return unaligned.getHeight();
2594     }
2595
2596     /*
2597      * fancy case - aligning via mappings between sequences
2598      */
2599     List<SequenceI> unmapped = new ArrayList<SequenceI>();
2600     Map<Integer, Map<SequenceI, Character>> columnMap = buildMappedColumnsMap(
2601             unaligned, aligned, unmapped);
2602     int width = columnMap.size();
2603     char gap = unaligned.getGapCharacter();
2604     int realignedCount = 0;
2605     // TODO: verify this loop scales sensibly for very wide/high alignments
2606
2607     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2608     {
2609       if (!unmapped.contains(seq))
2610       {
2611         char[] newSeq = new char[width];
2612         Arrays.fill(newSeq, gap); // JBPComment - doubt this is faster than the
2613                                   // Integer iteration below
2614         int newCol = 0;
2615         int lastCol = 0;
2616
2617         /*
2618          * traverse the map to find columns populated
2619          * by our sequence
2620          */
2621         for (Integer column : columnMap.keySet())
2622         {
2623           Character c = columnMap.get(column).get(seq);
2624           if (c != null)
2625           {
2626             /*
2627              * sequence has a character at this position
2628              * 
2629              */
2630             newSeq[newCol] = c;
2631             lastCol = newCol;
2632           }
2633           newCol++;
2634         }
2635         
2636         /*
2637          * trim trailing gaps
2638          */
2639         if (lastCol < width)
2640         {
2641           char[] tmp = new char[lastCol + 1];
2642           System.arraycopy(newSeq, 0, tmp, 0, lastCol + 1);
2643           newSeq = tmp;
2644         }
2645         // TODO: optimise SequenceI to avoid char[]->String->char[]
2646         seq.setSequence(String.valueOf(newSeq));
2647         realignedCount++;
2648       }
2649     }
2650     return realignedCount;
2651   }
2652
2653   /**
2654    * If unaligned and aligned sequences share the same dataset sequences, then
2655    * simply copies the aligned sequences to the unaligned sequences and returns
2656    * true; else returns false
2657    * 
2658    * @param unaligned
2659    *          - sequences to be aligned based on aligned
2660    * @param aligned
2661    *          - 'guide' alignment containing sequences derived from same dataset
2662    *          as unaligned
2663    * @return
2664    */
2665   static boolean alignAsSameSequences(AlignmentI unaligned,
2666           AlignmentI aligned)
2667   {
2668     if (aligned.getDataset() == null || unaligned.getDataset() == null)
2669     {
2670       return false; // should only pass alignments with datasets here
2671     }
2672
2673     // map from dataset sequence to alignment sequence(s)
2674     Map<SequenceI, List<SequenceI>> alignedDatasets = new HashMap<SequenceI, List<SequenceI>>();
2675     for (SequenceI seq : aligned.getSequences())
2676     {
2677       SequenceI ds = seq.getDatasetSequence();
2678       if (alignedDatasets.get(ds) == null)
2679       {
2680         alignedDatasets.put(ds, new ArrayList<SequenceI>());
2681       }
2682       alignedDatasets.get(ds).add(seq);
2683     }
2684
2685     /*
2686      * first pass - check whether all sequences to be aligned share a dataset
2687      * sequence with an aligned sequence
2688      */
2689     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2690     {
2691       if (!alignedDatasets.containsKey(seq.getDatasetSequence()))
2692       {
2693         return false;
2694       }
2695     }
2696
2697     /*
2698      * second pass - copy aligned sequences;
2699      * heuristic rule: pair off sequences in order for the case where 
2700      * more than one shares the same dataset sequence 
2701      */
2702     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2703     {
2704       List<SequenceI> alignedSequences = alignedDatasets.get(seq
2705               .getDatasetSequence());
2706       // TODO: getSequenceAsString() will be deprecated in the future
2707       // TODO: need to leave to SequenceI implementor to update gaps
2708       seq.setSequence(alignedSequences.get(0).getSequenceAsString());
2709       if (alignedSequences.size() > 0)
2710       {
2711         // pop off aligned sequences (except the last one)
2712         alignedSequences.remove(0);
2713       }
2714     }
2715
2716     return true;
2717   }
2718
2719   /**
2720    * Returns a map whose key is alignment column number (base 1), and whose
2721    * values are a map of sequence characters in that column.
2722    * 
2723    * @param unaligned
2724    * @param aligned
2725    * @param unmapped
2726    * @return
2727    */
2728   static Map<Integer, Map<SequenceI, Character>> buildMappedColumnsMap(
2729           AlignmentI unaligned, AlignmentI aligned, List<SequenceI> unmapped)
2730   {
2731     /*
2732      * Map will hold, for each aligned column position, a map of
2733      * {unalignedSequence, characterPerSequence} at that position.
2734      * TreeMap keeps the entries in ascending column order. 
2735      */
2736     Map<Integer, Map<SequenceI, Character>> map = new TreeMap<Integer, Map<SequenceI, Character>>();
2737
2738     /*
2739      * record any sequences that have no mapping so can't be realigned
2740      */
2741     unmapped.addAll(unaligned.getSequences());
2742
2743     List<AlignedCodonFrame> mappings = aligned.getCodonFrames();
2744
2745     for (SequenceI seq : unaligned.getSequences())
2746     {
2747       for (AlignedCodonFrame mapping : mappings)
2748       {
2749         SequenceI fromSeq = mapping.findAlignedSequence(seq, aligned);
2750         if (fromSeq != null)
2751         {
2752           Mapping seqMap = mapping.getMappingBetween(fromSeq, seq);
2753           if (addMappedPositions(seq, fromSeq, seqMap, map))
2754           {
2755             unmapped.remove(seq);
2756           }
2757         }
2758       }
2759     }
2760     return map;
2761   }
2762
2763   /**
2764    * Helper method that adds to a map the mapped column positions of a sequence. <br>
2765    * For example if aaTT-Tg-gAAA is mapped to TTTAAA then the map should record
2766    * that columns 3,4,6,10,11,12 map to characters T,T,T,A,A,A of the mapped to
2767    * sequence.
2768    * 
2769    * @param seq
2770    *          the sequence whose column positions we are recording
2771    * @param fromSeq
2772    *          a sequence that is mapped to the first sequence
2773    * @param seqMap
2774    *          the mapping from 'fromSeq' to 'seq'
2775    * @param map
2776    *          a map to add the column positions (in fromSeq) of the mapped
2777    *          positions of seq
2778    * @return
2779    */
2780   static boolean addMappedPositions(SequenceI seq, SequenceI fromSeq,
2781           Mapping seqMap, Map<Integer, Map<SequenceI, Character>> map)
2782   {
2783     if (seqMap == null)
2784     {
2785       return false;
2786     }
2787
2788     /*
2789      * invert mapping if it is from unaligned to aligned sequence
2790      */
2791     if (seqMap.getTo() == fromSeq.getDatasetSequence())
2792     {
2793       seqMap = new Mapping(seq.getDatasetSequence(), seqMap.getMap()
2794               .getInverse());
2795     }
2796
2797     char[] fromChars = fromSeq.getSequence();
2798     int toStart = seq.getStart();
2799     char[] toChars = seq.getSequence();
2800
2801     /*
2802      * traverse [start, end, start, end...] ranges in fromSeq
2803      */
2804     for (int[] fromRange : seqMap.getMap().getFromRanges())
2805     {
2806       for (int i = 0; i < fromRange.length - 1; i += 2)
2807       {
2808         boolean forward = fromRange[i + 1] >= fromRange[i];
2809
2810         /*
2811          * find the range mapped to (sequence positions base 1)
2812          */
2813         int[] range = seqMap.locateMappedRange(fromRange[i],
2814                 fromRange[i + 1]);
2815         if (range == null)
2816         {
2817           System.err.println("Error in mapping " + seqMap + " from "
2818                   + fromSeq.getName());
2819           return false;
2820         }
2821         int fromCol = fromSeq.findIndex(fromRange[i]);
2822         int mappedCharPos = range[0];
2823
2824         /*
2825          * walk over the 'from' aligned sequence in forward or reverse
2826          * direction; when a non-gap is found, record the column position
2827          * of the next character of the mapped-to sequence; stop when all
2828          * the characters of the range have been counted
2829          */
2830         while (mappedCharPos <= range[1] && fromCol <= fromChars.length
2831                 && fromCol >= 0)
2832         {
2833           if (!Comparison.isGap(fromChars[fromCol - 1]))
2834           {
2835             /*
2836              * mapped from sequence has a character in this column
2837              * record the column position for the mapped to character
2838              */
2839             Map<SequenceI, Character> seqsMap = map.get(fromCol);
2840             if (seqsMap == null)
2841             {
2842               seqsMap = new HashMap<SequenceI, Character>();
2843               map.put(fromCol, seqsMap);
2844             }
2845             seqsMap.put(seq, toChars[mappedCharPos - toStart]);
2846             mappedCharPos++;
2847           }
2848           fromCol += (forward ? 1 : -1);
2849         }
2850       }
2851     }
2852     return true;
2853   }
2854
2855   // strictly temporary hack until proper criteria for aligning protein to cds
2856   // are in place; this is so Ensembl -> fetch xrefs Uniprot aligns the Uniprot
2857   public static boolean looksLikeEnsembl(AlignmentI alignment)
2858   {
2859     for (SequenceI seq : alignment.getSequences())
2860     {
2861       String name = seq.getName();
2862       if (!name.startsWith("ENSG") && !name.startsWith("ENST"))
2863       {
2864         return false;
2865       }
2866     }
2867     return true;
2868   }
2869 }