src/jalview/analysis/StructureFrequency.java

   1 /*
   2  * Jalview - A Sequence Alignment Editor and Viewer (Version 2.8.2b1)
   3  * Copyright (C) 2014 The Jalview Authors
   4  *
   5  * This file is part of Jalview.
   6  *
   7  * Jalview is free software: you can redistribute it and/or
   8  * modify it under the terms of the GNU General Public License
   9  * as published by the Free Software Foundation, either version 3
  10  * of the License, or (at your option) any later version.
  11  *
  12  * Jalview is distributed in the hope that it will be useful, but
  13  * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty
  14  * of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR
  15  * PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
  16  *
  17  * You should have received a copy of the GNU General Public License
  18  * along with Jalview.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
  19  * The Jalview Authors are detailed in the 'AUTHORS' file.
  20  */
  21 package jalview.analysis;
  22
  23 import java.util.*;
  24
  25 import jalview.util.Format;
  26 import jalview.datamodel.*;
  27
  28 /**
  29  * Takes in a vector or array of sequences and column start and column end and
  30  * returns a new Hashtable[] of size maxSeqLength, if Hashtable not supplied.
  31  * This class is used extensively in calculating alignment colourschemes that
  32  * depend on the amount of conservation in each alignment column.
  33  *
  34  * @author $author$
  35  * @version $Revision$
  36  */
  37 public class StructureFrequency
  38 {
  39   // No need to store 1000s of strings which are not
  40   // visible to the user.
  41   public static final String MAXCOUNT = "C";
  42
  43   public static final String MAXRESIDUE = "R";
  44
  45   public static final String PID_GAPS = "G";
  46
  47   public static final String PID_NOGAPS = "N";
  48
  49   public static final String PROFILE = "P";
  50
  51   public static final String PAIRPROFILE = "B";
  52
  53   /**
  54    * Returns the 3' position of a base pair
  55    *
  56    * @param pairs
  57    *          Secondary structure annotation
  58    * @param indice
  59    *          5' position of a base pair
  60    * @return 3' position of a base pair
  61    */
  62   public static int findPair(SequenceFeature[] pairs, int indice)
  63   {
  64
  65     for (int i = 0; i < pairs.length; i++)
  66     {
  67       if (pairs[i].getBegin() == indice)
  68
  69       {
  70
  71         return pairs[i].getEnd();
  72
  73       }
  74     }
  75     return -1;
  76   }
  77
  78   /**
  79    * Method to calculate a 'base pair consensus row', very similar to nucleotide
  80    * consensus but takes into account a given structure
  81    *
  82    * @param sequences
  83    * @param start
  84    * @param end
  85    * @param result
  86    * @param profile
  87    * @param rnaStruc
  88    */
  89   public static final void calculate(SequenceI[] sequences, int start,
  90           int end, Hashtable[] result, boolean profile,
  91           AlignmentAnnotation rnaStruc)
  92   {
  93
  94     Hashtable residueHash;
  95     String maxResidue;
  96     char[] struc = rnaStruc.getRNAStruc().toCharArray();
  97
  98     SequenceFeature[] rna = rnaStruc._rnasecstr;
  99     char c, s, cEnd;
 100     int count = 0, nonGap = 0, i, bpEnd = -1, j, jSize = sequences.length;
 101     int[] values;
 102     int[][] pairs;
 103     float percentage;
 104     boolean wooble = true;
 105     for (i = start; i < end; i++) // foreach column
 106     {
 107       residueHash = new Hashtable();
 108       maxResidue = "-";
 109       values = new int[255];
 110       pairs = new int[255][255];
 111       bpEnd = -1;
 112       // System.out.println("s="+struc[i]);
 113       if (i < struc.length)
 114       {
 115         s = struc[i];
 116
 117       }
 118       else
 119       {
 120         s = '-';
 121       }
 122       if (s == '.' || s == ' ')
 123       {
 124         s = '-';
 125       }
 126
 127       if (s != '(' && s != '[')
 128       {
 129         if (s == '-')
 130         {
 131           values['-']++;
 132         }
 133       }
 134       else
 135       {
 136
 137         bpEnd = findPair(rna, i);
 138
 139         if (bpEnd > -1)
 140         {
 141           for (j = 0; j < jSize; j++) // foreach row
 142           {
 143             if (sequences[j] == null)
 144             {
 145               System.err
 146                       .println("WARNING: Consensus skipping null sequence - possible race condition.");
 147               continue;
 148             }
 149             c = sequences[j].getCharAt(i);
 150             // System.out.println("c="+c);
 151
 152             // standard representation for gaps in sequence and structure
 153             if (c == '.' || c == ' ')
 154             {
 155               c = '-';
 156             }
 157
 158             if (c == '-')
 159             {
 160               values['-']++;
 161               continue;
 162             }
 163             cEnd = sequences[j].getCharAt(bpEnd);
 164
 165             // System.out.println("pairs ="+c+","+cEnd);
 166             if (checkBpType(c, cEnd) == true)
 167             {
 168               values['(']++; // H means it's a helix (structured)
 169               maxResidue = "(";
 170               wooble = true;
 171               // System.out.println("It's a pair wc");
 172
 173             }
 174             if (checkBpType(c, cEnd) == false)
 175             {
 176               wooble = false;
 177               values['[']++; // H means it's a helix (structured)
 178               maxResidue = "[";
 179
 180             }
 181             pairs[c][cEnd]++;
 182
 183           }
 184         }
 185         // nonGap++;
 186       }
 187       // UPDATE this for new values
 188       if (profile)
 189       {
 190         residueHash.put(PROFILE, new int[][]
 191         { values, new int[]
 192         { jSize, (jSize - values['-']) } });
 193
 194         residueHash.put(PAIRPROFILE, pairs);
 195       }
 196       if (wooble == true)
 197       {
 198         count = values['('];
 199       }
 200       if (wooble == false)
 201       {
 202         count = values['['];
 203       }
 204       residueHash.put(MAXCOUNT, new Integer(count));
 205       residueHash.put(MAXRESIDUE, maxResidue);
 206
 207       percentage = ((float) count * 100) / jSize;
 208       residueHash.put(PID_GAPS, new Float(percentage));
 209
 210       // percentage = ((float) count * 100) / (float) nongap;
 211       // residueHash.put(PID_NOGAPS, new Float(percentage));
 212       if (result[i] == null)
 213       {
 214         result[i] = residueHash;
 215       }
 216       if (bpEnd > 0)
 217       {
 218         values[')'] = values['('];
 219         values[']'] = values['['];
 220         values['('] = 0;
 221         values['['] = 0;
 222         residueHash = new Hashtable();
 223         if (wooble == true)
 224         {
 225           // System.out.println(maxResidue+","+wooble);
 226           maxResidue = ")";
 227         }
 228         if (wooble == false)
 229         {
 230           // System.out.println(maxResidue+","+wooble);
 231           maxResidue = "]";
 232         }
 233         if (profile)
 234         {
 235           residueHash.put(PROFILE, new int[][]
 236           { values, new int[]
 237           { jSize, (jSize - values['-']) } });
 238
 239           residueHash.put(PAIRPROFILE, pairs);
 240         }
 241
 242         residueHash.put(MAXCOUNT, new Integer(count));
 243         residueHash.put(MAXRESIDUE, maxResidue);
 244
 245         percentage = ((float) count * 100) / jSize;
 246         residueHash.put(PID_GAPS, new Float(percentage));
 247
 248         result[bpEnd] = residueHash;
 249
 250       }
 251     }
 252   }
 253
 254   /**
 255    * Method to check if a base-pair is a canonical or a wobble bp
 256    *
 257    * @param up
 258    *          5' base
 259    * @param down
 260    *          3' base
 261    * @return True if it is a canonical/wobble bp
 262    */
 263   public static boolean checkBpType(char up, char down)
 264   {
 265     if (up > 'Z')
 266     {
 267       up -= 32;
 268     }
 269     if (down > 'Z')
 270     {
 271       down -= 32;
 272     }
 273
 274     switch (up)
 275     {
 276     case 'A':
 277       switch (down)
 278       {
 279       case 'T':
 280         return true;
 281       case 'U':
 282         return true;
 283       }
 284       break;
 285     case 'C':
 286       switch (down)
 287       {
 288       case 'G':
 289         return true;
 290       }
 291       break;
 292     case 'T':
 293       switch (down)
 294       {
 295       case 'A':
 296         return true;
 297       case 'G':
 298         return true;
 299       }
 300       break;
 301     case 'G':
 302       switch (down)
 303       {
 304       case 'C':
 305         return true;
 306       case 'T':
 307         return true;
 308       case 'U':
 309         return true;
 310       }
 311       break;
 312     case 'U':
 313       switch (down)
 314       {
 315       case 'A':
 316         return true;
 317       case 'G':
 318         return true;
 319       }
 320       break;
 321     }
 322     return false;
 323   }
 324
 325   /**
 326    * Compute all or part of the annotation row from the given consensus
 327    * hashtable
 328    *
 329    * @param consensus
 330    *          - pre-allocated annotation row
 331    * @param hconsensus
 332    * @param iStart
 333    * @param width
 334    * @param ignoreGapsInConsensusCalculation
 335    * @param includeAllConsSymbols
 336    */
 337   public static void completeConsensus(AlignmentAnnotation consensus,
 338           Hashtable[] hconsensus, int iStart, int width,
 339           boolean ignoreGapsInConsensusCalculation,
 340           boolean includeAllConsSymbols, long nseq)
 341   {
 342     float tval, value;
 343     if (consensus == null || consensus.annotations == null
 344             || consensus.annotations.length < width)
 345     {
 346       // called with a bad alignment annotation row - wait for it to be
 347       // initialised properly
 348       return;
 349     }
 350     String fmtstr = "%3.1f";
 351     int precision = 2;
 352     while (nseq > 100)
 353     {
 354       precision++;
 355       nseq /= 10;
 356     }
 357     if (precision > 2)
 358     {
 359       fmtstr = "%" + (2 + precision) + "." + precision + "f";
 360     }
 361     Format fmt = new Format(fmtstr);
 362
 363     for (int i = iStart; i < width; i++)
 364     {
 365       Hashtable hci;
 366       if (i >= hconsensus.length || ((hci = hconsensus[i]) == null))
 367       {
 368         // happens if sequences calculated over were shorter than alignment
 369         // width
 370         consensus.annotations[i] = null;
 371         continue;
 372       }
 373       value = 0;
 374       Float fv;
 375       if (ignoreGapsInConsensusCalculation)
 376       {
 377         fv = (Float) hci.get(StructureFrequency.PID_NOGAPS);
 378       }
 379       else
 380       {
 381         fv = (Float) hci.get(StructureFrequency.PID_GAPS);
 382       }
 383       if (fv == null)
 384       {
 385         consensus.annotations[i] = null;
 386         // data has changed below us .. give up and
 387         continue;
 388       }
 389       value = fv.floatValue();
 390       String maxRes = hci.get(StructureFrequency.MAXRESIDUE).toString();
 391       String mouseOver = hci.get(StructureFrequency.MAXRESIDUE) + " ";
 392       if (maxRes.length() > 1)
 393       {
 394         mouseOver = "[" + maxRes + "] ";
 395         maxRes = "+";
 396       }
 397       int[][] profile = (int[][]) hci.get(StructureFrequency.PROFILE);
 398       int[][] pairs = (int[][]) hci.get(StructureFrequency.PAIRPROFILE);
 399
 400       if (pairs != null && includeAllConsSymbols) // Just responsible for the
 401       // tooltip
 402       // TODO Update tooltips for Structure row
 403       {
 404         mouseOver = "";
 405
 406         /*
 407          * TODO It's not sure what is the purpose of the alphabet and wheter it
 408          * is useful for structure?
 409          *
 410          * if (alphabet != null) { for (int c = 0; c < alphabet.length; c++) {
 411          * tval = ((float) profile[0][alphabet[c]]) 100f / (float)
 412          * profile[1][ignoreGapsInConsensusCalculation ? 1 : 0]; mouseOver +=
 413          * ((c == 0) ? "" : "; ") + alphabet[c] + " " + ((int) tval) + "%"; } }
 414          * else {
 415          */
 416         Object[] ca = new Object[625];
 417         float[] vl = new float[625];
 418         int x = 0;
 419         for (int c = 65; c < 90; c++)
 420         {
 421           for (int d = 65; d < 90; d++)
 422           {
 423             ca[x] = new int[]
 424             { c, d };
 425             vl[x] = pairs[c][d];
 426             x++;
 427           }
 428         }
 429         jalview.util.QuickSort.sort(vl, ca);
 430         int p = 0;
 431
 432         for (int c = 624; c > 0; c--)
 433         {
 434           if (vl[c] > 0)
 435           {
 436             tval = (vl[c] * 100f / profile[1][ignoreGapsInConsensusCalculation ? 1
 437                     : 0]);
 438             mouseOver += ((p == 0) ? "" : "; ") + (char) ((int[]) ca[c])[0]
 439                     + (char) ((int[]) ca[c])[1] + " " + fmt.form(tval)
 440                     + "%";
 441             p++;
 442
 443           }
 444         }
 445
 446         // }
 447       }
 448       else
 449       {
 450         mouseOver += (fmt.form(value) + "%");
 451       }
 452       consensus.annotations[i] = new Annotation(maxRes, mouseOver, ' ',
 453               value);
 454     }
 455   }
 456
 457   /**
 458    * get the sorted base-pair profile for the given position of the consensus
 459    *
 460    * @param hconsensus
 461    * @return profile of the given column
 462    */
 463   public static int[] extractProfile(Hashtable hconsensus,
 464           boolean ignoreGapsInConsensusCalculation)
 465   {
 466     int[] rtnval = new int[74]; // 2*(5*5)+2
 467     int[][] profile = (int[][]) hconsensus.get(StructureFrequency.PROFILE);
 468     int[][] pairs = (int[][]) hconsensus
 469             .get(StructureFrequency.PAIRPROFILE);
 470
 471     if (profile == null)
 472       return null;
 473
 474     // TODO fix the object length, also do it in completeConsensus
 475     Object[] ca = new Object[625];
 476     float[] vl = new float[625];
 477     int x = 0;
 478     for (int c = 65; c < 90; c++)
 479     {
 480       for (int d = 65; d < 90; d++)
 481       {
 482         ca[x] = new int[]
 483         { c, d };
 484         vl[x] = pairs[c][d];
 485         x++;
 486       }
 487     }
 488     jalview.util.QuickSort.sort(vl, ca);
 489
 490     rtnval[0] = 2;
 491     rtnval[1] = 0;
 492     for (int c = 624; c > 0; c--)
 493     {
 494       if (vl[c] > 0)
 495       {
 496         rtnval[rtnval[0]++] = ((int[]) ca[c])[0];
 497         rtnval[rtnval[0]++] = ((int[]) ca[c])[1];
 498         rtnval[rtnval[0]] = (int) (vl[c] * 100f / profile[1][ignoreGapsInConsensusCalculation ? 1
 499                 : 0]);
 500         rtnval[1] += rtnval[rtnval[0]++];
 501       }
 502     }
 503
 504     return rtnval;
 505   }
 506
 507   public static void main(String args[])
 508   {
 509     // Short test to see if checkBpType works
 510     ArrayList<String> test = new ArrayList<String>();
 511     test.add("A");
 512     test.add("c");
 513     test.add("g");
 514     test.add("T");
 515     test.add("U");
 516     for (String i : test)
 517     {
 518       for (String j : test)
 519       {
 520         System.out.println(i + "-" + j + ": "
 521                 + StructureFrequency.checkBpType(i.charAt(0), j.charAt(0)));
 522       }
 523     }
 524   }
 525 }