Push 1793 latest to spike branch
[jalview.git] / src / jalview / io / vcf / VCFLoader.java
1 package jalview.io.vcf;
2
3 import htsjdk.samtools.util.CloseableIterator;
4 import htsjdk.variant.variantcontext.Allele;
5 import htsjdk.variant.variantcontext.VariantContext;
6 import htsjdk.variant.vcf.VCFHeader;
7 import htsjdk.variant.vcf.VCFHeaderLine;
8 import htsjdk.variant.vcf.VCFHeaderLineCount;
9 import htsjdk.variant.vcf.VCFInfoHeaderLine;
10
11 import jalview.analysis.AlignmentUtils;
12 import jalview.analysis.Dna;
13 import jalview.api.AlignViewControllerGuiI;
14 import jalview.datamodel.AlignmentI;
15 import jalview.datamodel.DBRefEntry;
16 import jalview.datamodel.GeneLociI;
17 import jalview.datamodel.Mapping;
18 import jalview.datamodel.SequenceFeature;
19 import jalview.datamodel.SequenceI;
20 import jalview.ext.ensembl.EnsemblMap;
21 import jalview.ext.htsjdk.VCFReader;
22 import jalview.io.gff.Gff3Helper;
23 import jalview.io.gff.SequenceOntologyI;
24 import jalview.util.MapList;
25 import jalview.util.MappingUtils;
26 import jalview.util.MessageManager;
27
28 import java.io.IOException;
29 import java.util.ArrayList;
30 import java.util.HashMap;
31 import java.util.List;
32 import java.util.Map;
33 import java.util.Map.Entry;
34
35 /**
36  * A class to read VCF data (using the htsjdk) and add variants as sequence
37  * features on dna and any related protein product sequences
38  * 
39  * @author gmcarstairs
40  */
41 public class VCFLoader
42 {
43   /*
44    * keys to fields of VEP CSQ consequence data
45    * see https://www.ensembl.org/info/docs/tools/vep/vep_formats.html
46    */
47   private static final String ALLELE_KEY = "Allele";
48
49   private static final String ALLELE_NUM_KEY = "ALLELE_NUM"; // 0 (ref), 1...
50   private static final String FEATURE_KEY = "Feature"; // Ensembl stable id
51
52   /*
53    * what comes before column headings in CSQ Description field
54    */
55   private static final String FORMAT = "Format: ";
56
57   /*
58    * default VCF INFO key for VEP consequence data
59    * NB this can be overridden running VEP with --vcf_info_field
60    * - we don't handle this case (require CSQ identifier)
61    */
62   private static final String CSQ = "CSQ";
63
64   /*
65    * separator for fields in consequence data
66    */
67   private static final String PIPE = "|";
68
69   private static final String PIPE_REGEX = "\\" + PIPE;
70
71   /*
72    * key for Allele Frequency output by VEP
73    * see http://www.ensembl.org/info/docs/tools/vep/vep_formats.html
74    */
75   private static final String ALLELE_FREQUENCY_KEY = "AF";
76
77   /*
78    * delimiter that separates multiple consequence data blocks
79    */
80   private static final String COMMA = ",";
81
82   /*
83    * the feature group assigned to a VCF variant in Jalview
84    */
85   private static final String FEATURE_GROUP_VCF = "VCF";
86
87   /*
88    * internal delimiter used to build keys for assemblyMappings
89    * 
90    */
91   private static final String EXCL = "!";
92
93   /*
94    * the alignment we are associating VCF data with
95    */
96   private AlignmentI al;
97
98   /*
99    * mappings between VCF and sequence reference assembly regions, as 
100    * key = "species!chromosome!fromAssembly!toAssembly
101    * value = Map{fromRange, toRange}
102    */
103   private Map<String, Map<int[], int[]>> assemblyMappings;
104
105   /*
106    * holds details of the VCF header lines (metadata)
107    */
108   private VCFHeader header;
109
110   /*
111    * the position (0...) of field in each block of
112    * CSQ (consequence) data (if declared in the VCF INFO header for CSQ)
113    * see http://www.ensembl.org/info/docs/tools/vep/vep_formats.html
114    */
115   private int csqAlleleFieldIndex = -1;
116   private int csqAlleleNumberFieldIndex = -1;
117   private int csqFeatureFieldIndex = -1;
118
119   /**
120    * Constructor given an alignment context
121    * 
122    * @param alignment
123    */
124   public VCFLoader(AlignmentI alignment)
125   {
126     al = alignment;
127
128     // map of species!chromosome!fromAssembly!toAssembly to {fromRange, toRange}
129     assemblyMappings = new HashMap<String, Map<int[], int[]>>();
130   }
131
132   /**
133    * Starts a new thread to query and load VCF variant data on to the alignment
134    * <p>
135    * This method is not thread safe - concurrent threads should use separate
136    * instances of this class.
137    * 
138    * @param filePath
139    * @param gui
140    */
141   public void loadVCF(final String filePath,
142           final AlignViewControllerGuiI gui)
143   {
144     if (gui != null)
145     {
146       gui.setStatus(MessageManager.getString("label.searching_vcf"));
147     }
148
149     new Thread()
150     {
151
152       @Override
153       public void run()
154       {
155         VCFLoader.this.doLoad(filePath, gui);
156       }
157
158     }.start();
159   }
160
161   /**
162    * Loads VCF on to an alignment - provided it can be related to one or more
163    * sequence's chromosomal coordinates
164    * 
165    * @param filePath
166    * @param gui
167    *          optional callback handler for messages
168    */
169   protected void doLoad(String filePath, AlignViewControllerGuiI gui)
170   {
171     VCFReader reader = null;
172     try
173     {
174       // long start = System.currentTimeMillis();
175       reader = new VCFReader(filePath);
176
177       header = reader.getFileHeader();
178       VCFHeaderLine ref = header
179               .getOtherHeaderLine(VCFHeader.REFERENCE_KEY);
180
181       /*
182        * get offset of CSQ ALLELE_NUM and Feature if declared
183        */
184       locateCsqFields();
185
186       // check if reference is wrt assembly19 (GRCh37)
187       // todo may need to allow user to specify reference assembly?
188       boolean isRefGrch37 = (ref != null && ref.getValue().contains(
189               "assembly19"));
190
191       int varCount = 0;
192       int seqCount = 0;
193
194       /*
195        * query for VCF overlapping each sequence in turn
196        */
197       for (SequenceI seq : al.getSequences())
198       {
199         int added = loadSequenceVCF(seq, reader, isRefGrch37);
200         if (added > 0)
201         {
202           seqCount++;
203           varCount += added;
204           transferAddedFeatures(seq);
205         }
206       }
207       if (gui != null)
208       {
209         // long elapsed = System.currentTimeMillis() - start;
210         String msg = MessageManager.formatMessage("label.added_vcf",
211                 varCount, seqCount);
212         gui.setStatus(msg);
213         if (gui.getFeatureSettingsUI() != null)
214         {
215           gui.getFeatureSettingsUI().discoverAllFeatureData();
216         }
217       }
218     } catch (Throwable e)
219     {
220       System.err.println("Error processing VCF: " + e.getMessage());
221       e.printStackTrace();
222       if (gui != null)
223       {
224         gui.setStatus("Error occurred - see console for details");
225       }
226     } finally
227     {
228       if (reader != null)
229       {
230         try
231         {
232           reader.close();
233         } catch (IOException e)
234         {
235           // ignore
236         }
237       }
238     }
239   }
240
241   /**
242    * Records the position of selected fields defined in the CSQ INFO header (if
243    * there is one). CSQ fields are declared in the CSQ INFO Description e.g.
244    * <p>
245    * Description="Consequence ...from ... VEP. Format: Allele|Consequence|...
246    */
247   protected void locateCsqFields()
248   {
249     VCFInfoHeaderLine csqInfo = header.getInfoHeaderLine(CSQ);
250     if (csqInfo == null)
251     {
252       return;
253     }
254
255     String desc = csqInfo.getDescription();
256     int formatPos = desc.indexOf(FORMAT);
257     if (formatPos == -1)
258     {
259       System.err.println("Parse error, failed to find " + FORMAT
260               + " in " + desc);
261       return;
262     }
263     desc = desc.substring(formatPos + FORMAT.length());
264
265     if (desc != null)
266     {
267       String[] format = desc.split(PIPE_REGEX);
268       int index = 0;
269       for (String field : format)
270       {
271         if (ALLELE_NUM_KEY.equals(field))
272         {
273           csqAlleleNumberFieldIndex = index;
274         }
275         if (ALLELE_KEY.equals(field))
276         {
277           csqAlleleFieldIndex = index;
278         }
279         if (FEATURE_KEY.equals(field))
280         {
281           csqFeatureFieldIndex = index;
282         }
283         index++;
284       }
285     }
286   }
287
288   /**
289    * Transfers VCF features to sequences to which this sequence has a mapping.
290    * If the mapping is 3:1, computes peptide variants from nucleotide variants.
291    * 
292    * @param seq
293    */
294   protected void transferAddedFeatures(SequenceI seq)
295   {
296     DBRefEntry[] dbrefs = seq.getDBRefs();
297     if (dbrefs == null)
298     {
299       return;
300     }
301     for (DBRefEntry dbref : dbrefs)
302     {
303       Mapping mapping = dbref.getMap();
304       if (mapping == null || mapping.getTo() == null)
305       {
306         continue;
307       }
308
309       SequenceI mapTo = mapping.getTo();
310       MapList map = mapping.getMap();
311       if (map.getFromRatio() == 3)
312       {
313         /*
314          * dna-to-peptide product mapping
315          */
316         AlignmentUtils.computeProteinFeatures(seq, mapTo, map);
317       }
318       else
319       {
320         /*
321          * nucleotide-to-nucleotide mapping e.g. transcript to CDS
322          */
323         List<SequenceFeature> features = seq.getFeatures()
324                 .getPositionalFeatures(SequenceOntologyI.SEQUENCE_VARIANT);
325         for (SequenceFeature sf : features)
326         {
327           if (FEATURE_GROUP_VCF.equals(sf.getFeatureGroup()))
328           {
329             transferFeature(sf, mapTo, map);
330           }
331         }
332       }
333     }
334   }
335
336   /**
337    * Tries to add overlapping variants read from a VCF file to the given
338    * sequence, and returns the number of variant features added. Note that this
339    * requires the sequence to hold information as to its chromosomal positions
340    * and reference, in order to be able to map the VCF variants to the sequence.
341    * 
342    * @param seq
343    * @param reader
344    * @param isVcfRefGrch37
345    * @return
346    */
347   protected int loadSequenceVCF(SequenceI seq, VCFReader reader,
348           boolean isVcfRefGrch37)
349   {
350     int count = 0;
351     GeneLociI seqCoords = seq.getGeneLoci();
352     if (seqCoords == null)
353     {
354       System.out.println(String.format(
355               "Can't query VCF for %s as chromosome coordinates not known",
356               seq.getName()));
357       return 0;
358     }
359
360     List<int[]> seqChromosomalContigs = seqCoords.getMap().getToRanges();
361     for (int[] range : seqChromosomalContigs)
362     {
363       count += addVcfVariants(seq, reader, range, isVcfRefGrch37);
364     }
365
366     return count;
367   }
368
369   /**
370    * Queries the VCF reader for any variants that overlap the given chromosome
371    * region of the sequence, and adds as variant features. Returns the number of
372    * overlapping variants found.
373    * 
374    * @param seq
375    * @param reader
376    * @param range
377    *          start-end range of a sequence region in its chromosomal
378    *          coordinates
379    * @param isVcfRefGrch37
380    *          true if the VCF is with reference to GRCh37
381    * @return
382    */
383   protected int addVcfVariants(SequenceI seq, VCFReader reader,
384           int[] range, boolean isVcfRefGrch37)
385   {
386     GeneLociI seqCoords = seq.getGeneLoci();
387
388     String chromosome = seqCoords.getChromosomeId();
389     String seqRef = seqCoords.getAssemblyId();
390     String species = seqCoords.getSpeciesId();
391
392     /*
393      * map chromosomal coordinates from GRCh38 (sequence) to
394      * GRCh37 (VCF) if necessary
395      */
396     // TODO generalise for other assemblies and species
397     int offset = 0;
398     String fromRef = "GRCh38";
399     if (fromRef.equalsIgnoreCase(seqRef) && isVcfRefGrch37)
400     {
401       String toRef = "GRCh37";
402       int[] newRange = mapReferenceRange(range, chromosome, "human",
403               fromRef, toRef);
404       if (newRange == null)
405       {
406         System.err.println(String.format(
407                 "Failed to map %s:%s:%s:%d:%d to %s", species, chromosome,
408                 fromRef, range[0], range[1], toRef));
409         return 0;
410       }
411       offset = newRange[0] - range[0];
412       range = newRange;
413     }
414
415     boolean forwardStrand = range[0] <= range[1];
416
417     /*
418      * query the VCF for overlaps
419      * (convert a reverse strand range to forwards)
420      */
421     int count = 0;
422     MapList mapping = seqCoords.getMap();
423
424     int fromLocus = Math.min(range[0], range[1]);
425     int toLocus = Math.max(range[0], range[1]);
426     CloseableIterator<VariantContext> variants = reader.query(chromosome,
427             fromLocus, toLocus);
428     while (variants.hasNext())
429     {
430       /*
431        * get variant location in sequence chromosomal coordinates
432        */
433       VariantContext variant = variants.next();
434
435       int start = variant.getStart() - offset;
436       int end = variant.getEnd() - offset;
437
438       /*
439        * convert chromosomal location to sequence coordinates
440        * - may be reverse strand (convert to forward for sequence feature)
441        * - null if a partially overlapping feature
442        */
443       int[] seqLocation = mapping.locateInFrom(start, end);
444       if (seqLocation != null)
445       {
446         int featureStart = Math.min(seqLocation[0], seqLocation[1]);
447         int featureEnd = Math.max(seqLocation[0], seqLocation[1]);
448         count += addAlleleFeatures(seq, variant, featureStart, featureEnd,
449                 forwardStrand);
450       }
451     }
452
453     variants.close();
454
455     return count;
456   }
457
458   /**
459    * A convenience method to get the AF value for the given alternate allele
460    * index
461    * 
462    * @param variant
463    * @param alleleIndex
464    * @return
465    */
466   protected float getAlleleFrequency(VariantContext variant, int alleleIndex)
467   {
468     float score = 0f;
469     String attributeValue = getAttributeValue(variant,
470             ALLELE_FREQUENCY_KEY, alleleIndex);
471     if (attributeValue != null)
472     {
473       try
474       {
475         score = Float.parseFloat(attributeValue);
476       } catch (NumberFormatException e)
477       {
478         // leave as 0
479       }
480     }
481
482     return score;
483   }
484
485   /**
486    * A convenience method to get an attribute value for an alternate allele
487    * 
488    * @param variant
489    * @param attributeName
490    * @param alleleIndex
491    * @return
492    */
493   protected String getAttributeValue(VariantContext variant,
494           String attributeName, int alleleIndex)
495   {
496     Object att = variant.getAttribute(attributeName);
497
498     if (att instanceof String)
499     {
500       return (String) att;
501     }
502     else if (att instanceof ArrayList)
503     {
504       return ((List<String>) att).get(alleleIndex);
505     }
506
507     return null;
508   }
509
510   /**
511    * Adds one variant feature for each allele in the VCF variant record, and
512    * returns the number of features added.
513    * 
514    * @param seq
515    * @param variant
516    * @param featureStart
517    * @param featureEnd
518    * @param forwardStrand
519    * @return
520    */
521   protected int addAlleleFeatures(SequenceI seq, VariantContext variant,
522           int featureStart, int featureEnd, boolean forwardStrand)
523   {
524     int added = 0;
525
526     /*
527      * Javadoc says getAlternateAlleles() imposes no order on the list returned
528      * so we proceed defensively to get them in strict order
529      */
530     int altAlleleCount = variant.getAlternateAlleles().size();
531     for (int i = 0; i < altAlleleCount; i++)
532     {
533       added += addAlleleFeature(seq, variant, i, featureStart, featureEnd,
534               forwardStrand);
535     }
536     return added;
537   }
538
539   /**
540    * Inspects one allele and attempts to add a variant feature for it to the
541    * sequence. We extract as much as possible of the additional data associated
542    * with this allele to store in the feature's key-value map. Answers the
543    * number of features added (0 or 1).
544    * 
545    * @param seq
546    * @param variant
547    * @param altAlleleIndex
548    *          (0, 1..)
549    * @param featureStart
550    * @param featureEnd
551    * @param forwardStrand
552    * @return
553    */
554   protected int addAlleleFeature(SequenceI seq, VariantContext variant,
555           int altAlleleIndex, int featureStart, int featureEnd,
556           boolean forwardStrand)
557   {
558     String reference = variant.getReference().getBaseString();
559     Allele alt = variant.getAlternateAllele(altAlleleIndex);
560     String allele = alt.getBaseString();
561
562     /*
563      * build the ref,alt allele description e.g. "G,A", using the base
564      * complement if the sequence is on the reverse strand
565      */
566     // TODO check how structural variants are shown on reverse strand
567     StringBuilder sb = new StringBuilder();
568     sb.append(forwardStrand ? reference : Dna.reverseComplement(reference));
569     sb.append(COMMA);
570     sb.append(forwardStrand ? allele : Dna.reverseComplement(allele));
571     String alleles = sb.toString(); // e.g. G,A
572
573     String type = SequenceOntologyI.SEQUENCE_VARIANT;
574     float score = getAlleleFrequency(variant, altAlleleIndex);
575
576     SequenceFeature sf = new SequenceFeature(type, alleles, featureStart,
577             featureEnd, score, FEATURE_GROUP_VCF);
578
579     sf.setValue(Gff3Helper.ALLELES, alleles);
580
581     addAlleleProperties(variant, seq, sf, altAlleleIndex);
582
583     seq.addSequenceFeature(sf);
584
585     return 1;
586   }
587
588   /**
589    * Add any allele-specific VCF key-value data to the sequence feature
590    * 
591    * @param variant
592    * @param seq
593    * @param sf
594    * @param altAlelleIndex
595    *          (0, 1..)
596    */
597   protected void addAlleleProperties(VariantContext variant, SequenceI seq,
598           SequenceFeature sf, final int altAlelleIndex)
599   {
600     Map<String, Object> atts = variant.getAttributes();
601
602     for (Entry<String, Object> att : atts.entrySet())
603     {
604       String key = att.getKey();
605
606       /*
607        * extract Consequence data (if present) that we are able to
608        * associated with the allele for this variant feature
609        */
610       if (CSQ.equals(key))
611       {
612         addConsequences(variant, seq, sf, altAlelleIndex);
613         continue;
614       }
615
616       /*
617        * we extract values for other data which are allele-specific; 
618        * these may be per alternate allele (INFO[key].Number = 'A') 
619        * or per allele including reference (INFO[key].Number = 'R') 
620        */
621       VCFInfoHeaderLine infoHeader = header.getInfoHeaderLine(key);
622       if (infoHeader == null)
623       {
624         /*
625          * can't be sure what data belongs to this allele, so
626          * play safe and don't take any
627          */
628         continue;
629       }
630
631       VCFHeaderLineCount number = infoHeader.getCountType();
632       int index = altAlelleIndex;
633       if (number == VCFHeaderLineCount.R)
634       {
635         /*
636          * one value per allele including reference, so bump index
637          * e.g. the 3rd value is for the  2nd alternate allele
638          */
639         index++;
640       }
641       else if (number != VCFHeaderLineCount.A)
642       {
643         /*
644          * don't save other values as not allele-related
645          */
646         continue;
647       }
648
649       /*
650        * take the index'th value
651        */
652       String value = getAttributeValue(variant, key, index);
653       if (value != null)
654       {
655         sf.setValue(key, value);
656       }
657     }
658   }
659
660   /**
661    * Inspects CSQ data blocks (consequences) and adds attributes on the sequence
662    * feature for the current allele (and transcript if applicable)
663    * <p>
664    * Allele matching: if field ALLELE_NUM is present, it must match
665    * altAlleleIndex. If not present, then field Allele value must match the VCF
666    * Allele.
667    * <p>
668    * Transcript matching: if sequence name can be identified to at least one of
669    * the consequences' Feature values, then select only consequences that match
670    * the value (i.e. consequences for the current transcript sequence). If not,
671    * take all consequences (this is the case when adding features to the gene
672    * sequence).
673    * 
674    * @param variant
675    * @param seq
676    * @param sf
677    * @param altAlelleIndex
678    *          (0, 1..)
679    */
680   protected void addConsequences(VariantContext variant, SequenceI seq,
681           SequenceFeature sf, int altAlelleIndex)
682   {
683     Object value = variant.getAttribute(CSQ);
684
685     if (value == null || !(value instanceof ArrayList<?>))
686     {
687       return;
688     }
689
690     List<String> consequences = (List<String>) value;
691
692     /*
693      * if CSQ data includes 'Feature', and any value matches the sequence name,
694      * then restrict consequence data to only the matching value (transcript)
695      * i.e. just pick out consequences for the transcript the variant feature is on
696      */
697     String seqName = seq.getName()== null ? "" : seq.getName().toLowerCase();
698     String matchFeature = null;
699     if (csqFeatureFieldIndex > -1)
700     {
701       for (String consequence : consequences)
702       {
703         String[] csqFields = consequence.split(PIPE_REGEX);
704         if (csqFields.length > csqFeatureFieldIndex)
705         {
706           String featureIdentifier = csqFields[csqFeatureFieldIndex];
707           if (featureIdentifier.length() > 4
708                   && seqName.indexOf(featureIdentifier.toLowerCase()) > -1)
709           {
710             matchFeature = featureIdentifier;
711           }
712         }
713       }
714     }
715
716     StringBuilder sb = new StringBuilder(128);
717     boolean found = false;
718
719     for (String consequence : consequences)
720     {
721       String[] csqFields = consequence.split(PIPE_REGEX);
722
723       if (includeConsequence(csqFields, matchFeature, variant,
724               altAlelleIndex))
725       {
726         if (found)
727         {
728           sb.append(COMMA);
729         }
730         found = true;
731         sb.append(consequence);
732       }
733     }
734
735     if (found)
736     {
737       sf.setValue(CSQ, sb.toString());
738     }
739   }
740
741   /**
742    * Answers true if we want to associate this block of consequence data with
743    * the specified alternate allele of the VCF variant.
744    * <p>
745    * If consequence data includes the ALLELE_NUM field, then this has to match
746    * altAlleleIndex. Otherwise the Allele field of the consequence data has to
747    * match the allele value.
748    * <p>
749    * Optionally (if matchFeature is not null), restrict to only include
750    * consequences whose Feature value matches. This allows us to attach
751    * consequences to their respective transcripts.
752    * 
753    * @param csqFields
754    * @param matchFeature
755    * @param variant
756    * @param altAlelleIndex
757    *          (0, 1..)
758    * @return
759    */
760   protected boolean includeConsequence(String[] csqFields,
761           String matchFeature, VariantContext variant, int altAlelleIndex)
762   {
763     /*
764      * check consequence is for the current transcript
765      */
766     if (matchFeature != null)
767     {
768       if (csqFields.length <= csqFeatureFieldIndex)
769       {
770         return false;
771       }
772       String featureIdentifier = csqFields[csqFeatureFieldIndex];
773       if (!featureIdentifier.equals(matchFeature))
774       {
775         return false; // consequence is for a different transcript
776       }
777     }
778
779     /*
780      * if ALLELE_NUM is present, it must match altAlleleIndex
781      * NB first alternate allele is 1 for ALLELE_NUM, 0 for altAlleleIndex
782      */
783     if (csqAlleleNumberFieldIndex > -1)
784     {
785       if (csqFields.length <= csqAlleleNumberFieldIndex)
786       {
787         return false;
788       }
789       String alleleNum = csqFields[csqAlleleNumberFieldIndex];
790       return String.valueOf(altAlelleIndex + 1).equals(alleleNum);
791     }
792
793     /*
794      * else consequence allele must match variant allele
795      */
796     if (csqAlleleFieldIndex > -1 && csqFields.length > csqAlleleFieldIndex)
797     {
798       String csqAllele = csqFields[csqAlleleFieldIndex];
799       String vcfAllele = variant.getAlternateAllele(altAlelleIndex)
800               .getBaseString();
801       return csqAllele.equals(vcfAllele);
802     }
803
804     return false;
805   }
806
807   /**
808    * A convenience method to complement a dna base and return the string value
809    * of its complement
810    * 
811    * @param reference
812    * @return
813    */
814   protected String complement(byte[] reference)
815   {
816     return String.valueOf(Dna.getComplement((char) reference[0]));
817   }
818
819   /**
820    * Determines the location of the query range (chromosome positions) in a
821    * different reference assembly.
822    * <p>
823    * If the range is just a subregion of one for which we already have a mapping
824    * (for example, an exon sub-region of a gene), then the mapping is just
825    * computed arithmetically.
826    * <p>
827    * Otherwise, calls the Ensembl REST service that maps from one assembly
828    * reference's coordinates to another's
829    * 
830    * @param queryRange
831    *          start-end chromosomal range in 'fromRef' coordinates
832    * @param chromosome
833    * @param species
834    * @param fromRef
835    *          assembly reference for the query coordinates
836    * @param toRef
837    *          assembly reference we wish to translate to
838    * @return the start-end range in 'toRef' coordinates
839    */
840   protected int[] mapReferenceRange(int[] queryRange, String chromosome,
841           String species, String fromRef, String toRef)
842   {
843     /*
844      * first try shorcut of computing the mapping as a subregion of one
845      * we already have (e.g. for an exon, if we have the gene mapping)
846      */
847     int[] mappedRange = findSubsumedRangeMapping(queryRange, chromosome,
848             species, fromRef, toRef);
849     if (mappedRange != null)
850     {
851       return mappedRange;
852     }
853
854     /*
855      * call (e.g.) http://rest.ensembl.org/map/human/GRCh38/17:45051610..45109016:1/GRCh37
856      */
857     EnsemblMap mapper = new EnsemblMap();
858     int[] mapping = mapper.getAssemblyMapping(species, chromosome, fromRef,
859             toRef,
860             queryRange);
861
862     if (mapping == null)
863     {
864       // mapping service failure
865       return null;
866     }
867
868     /*
869      * save mapping for possible future re-use
870      */
871     String key = makeRangesKey(chromosome, species, fromRef, toRef);
872     if (!assemblyMappings.containsKey(key))
873     {
874       assemblyMappings.put(key, new HashMap<int[], int[]>());
875     }
876
877     assemblyMappings.get(key).put(queryRange, mapping);
878
879     return mapping;
880   }
881
882   /**
883    * If we already have a 1:1 contiguous mapping which subsumes the given query
884    * range, this method just calculates and returns the subset of that mapping,
885    * else it returns null. In practical terms, if a gene has a contiguous
886    * mapping between (for example) GRCh37 and GRCh38, then we assume that its
887    * subsidiary exons occupy unchanged relative positions, and just compute
888    * these as offsets, rather than do another lookup of the mapping.
889    * <p>
890    * If in future these assumptions prove invalid (e.g. for bacterial dna?!),
891    * simply remove this method or let it always return null.
892    * <p>
893    * Warning: many rapid calls to the /map service map result in a 429 overload
894    * error response
895    * 
896    * @param queryRange
897    * @param chromosome
898    * @param species
899    * @param fromRef
900    * @param toRef
901    * @return
902    */
903   protected int[] findSubsumedRangeMapping(int[] queryRange, String chromosome,
904           String species, String fromRef, String toRef)
905   {
906     String key = makeRangesKey(chromosome, species, fromRef, toRef);
907     if (assemblyMappings.containsKey(key))
908     {
909       Map<int[], int[]> mappedRanges = assemblyMappings.get(key);
910       for (Entry<int[], int[]> mappedRange : mappedRanges.entrySet())
911       {
912         int[] fromRange = mappedRange.getKey();
913         int[] toRange = mappedRange.getValue();
914         if (fromRange[1] - fromRange[0] == toRange[1] - toRange[0])
915         {
916           /*
917            * mapping is 1:1 in length, so we trust it to have no discontinuities
918            */
919           if (MappingUtils.rangeContains(fromRange, queryRange))
920           {
921             /*
922              * fromRange subsumes our query range
923              */
924             int offset = queryRange[0] - fromRange[0];
925             int mappedRangeFrom = toRange[0] + offset;
926             int mappedRangeTo = mappedRangeFrom + (queryRange[1] - queryRange[0]);
927             return new int[] { mappedRangeFrom, mappedRangeTo };
928           }
929         }
930       }
931     }
932     return null;
933   }
934
935   /**
936    * Transfers the sequence feature to the target sequence, locating its start
937    * and end range based on the mapping. Features which do not overlap the
938    * target sequence are ignored.
939    * 
940    * @param sf
941    * @param targetSequence
942    * @param mapping
943    *          mapping from the feature's coordinates to the target sequence
944    */
945   protected void transferFeature(SequenceFeature sf,
946           SequenceI targetSequence, MapList mapping)
947   {
948     int[] mappedRange = mapping.locateInTo(sf.getBegin(), sf.getEnd());
949   
950     if (mappedRange != null)
951     {
952       String group = sf.getFeatureGroup();
953       int newBegin = Math.min(mappedRange[0], mappedRange[1]);
954       int newEnd = Math.max(mappedRange[0], mappedRange[1]);
955       SequenceFeature copy = new SequenceFeature(sf, newBegin, newEnd,
956               group, sf.getScore());
957       targetSequence.addSequenceFeature(copy);
958     }
959   }
960
961   /**
962    * Formats a ranges map lookup key
963    * 
964    * @param chromosome
965    * @param species
966    * @param fromRef
967    * @param toRef
968    * @return
969    */
970   protected static String makeRangesKey(String chromosome, String species,
971           String fromRef, String toRef)
972   {
973     return species + EXCL + chromosome + EXCL + fromRef + EXCL
974             + toRef;
975   }
976 }