Push 1793 latest to spike branch
[jalview.git] / src / jalview / io / vcf / VCFLoader.java
index ddcecfe..e381b26 100644 (file)
@@ -5,6 +5,8 @@ import htsjdk.variant.variantcontext.Allele;
 import htsjdk.variant.variantcontext.VariantContext;
 import htsjdk.variant.vcf.VCFHeader;
 import htsjdk.variant.vcf.VCFHeaderLine;
+import htsjdk.variant.vcf.VCFHeaderLineCount;
+import htsjdk.variant.vcf.VCFInfoHeaderLine;
 
 import jalview.analysis.AlignmentUtils;
 import jalview.analysis.Dna;
@@ -24,6 +26,7 @@ import jalview.util.MappingUtils;
 import jalview.util.MessageManager;
 
 import java.io.IOException;
+import java.util.ArrayList;
 import java.util.HashMap;
 import java.util.List;
 import java.util.Map;
@@ -37,12 +40,58 @@ import java.util.Map.Entry;
  */
 public class VCFLoader
 {
+  /*
+   * keys to fields of VEP CSQ consequence data
+   * see https://www.ensembl.org/info/docs/tools/vep/vep_formats.html
+   */
+  private static final String ALLELE_KEY = "Allele";
+
+  private static final String ALLELE_NUM_KEY = "ALLELE_NUM"; // 0 (ref), 1...
+  private static final String FEATURE_KEY = "Feature"; // Ensembl stable id
+
+  /*
+   * what comes before column headings in CSQ Description field
+   */
+  private static final String FORMAT = "Format: ";
+
+  /*
+   * default VCF INFO key for VEP consequence data
+   * NB this can be overridden running VEP with --vcf_info_field
+   * - we don't handle this case (require CSQ identifier)
+   */
+  private static final String CSQ = "CSQ";
+
+  /*
+   * separator for fields in consequence data
+   */
+  private static final String PIPE = "|";
+
+  private static final String PIPE_REGEX = "\\" + PIPE;
+
+  /*
+   * key for Allele Frequency output by VEP
+   * see http://www.ensembl.org/info/docs/tools/vep/vep_formats.html
+   */
+  private static final String ALLELE_FREQUENCY_KEY = "AF";
+
+  /*
+   * delimiter that separates multiple consequence data blocks
+   */
+  private static final String COMMA = ",";
+
+  /*
+   * the feature group assigned to a VCF variant in Jalview
+   */
   private static final String FEATURE_GROUP_VCF = "VCF";
 
+  /*
+   * internal delimiter used to build keys for assemblyMappings
+   * 
+   */
   private static final String EXCL = "!";
 
   /*
-   * the alignment we are associated VCF data with
+   * the alignment we are associating VCF data with
    */
   private AlignmentI al;
 
@@ -53,6 +102,20 @@ public class VCFLoader
    */
   private Map<String, Map<int[], int[]>> assemblyMappings;
 
+  /*
+   * holds details of the VCF header lines (metadata)
+   */
+  private VCFHeader header;
+
+  /*
+   * the position (0...) of field in each block of
+   * CSQ (consequence) data (if declared in the VCF INFO header for CSQ)
+   * see http://www.ensembl.org/info/docs/tools/vep/vep_formats.html
+   */
+  private int csqAlleleFieldIndex = -1;
+  private int csqAlleleNumberFieldIndex = -1;
+  private int csqFeatureFieldIndex = -1;
+
   /**
    * Constructor given an alignment context
    * 
@@ -97,10 +160,11 @@ public class VCFLoader
 
   /**
    * Loads VCF on to an alignment - provided it can be related to one or more
-   * sequence's chromosomal coordinates.
+   * sequence's chromosomal coordinates
    * 
    * @param filePath
    * @param gui
+   *          optional callback handler for messages
    */
   protected void doLoad(String filePath, AlignViewControllerGuiI gui)
   {
@@ -110,9 +174,15 @@ public class VCFLoader
       // long start = System.currentTimeMillis();
       reader = new VCFReader(filePath);
 
-      VCFHeader header = reader.getFileHeader();
+      header = reader.getFileHeader();
       VCFHeaderLine ref = header
               .getOtherHeaderLine(VCFHeader.REFERENCE_KEY);
+
+      /*
+       * get offset of CSQ ALLELE_NUM and Feature if declared
+       */
+      locateCsqFields();
+
       // check if reference is wrt assembly19 (GRCh37)
       // todo may need to allow user to specify reference assembly?
       boolean isRefGrch37 = (ref != null && ref.getValue().contains(
@@ -126,7 +196,7 @@ public class VCFLoader
        */
       for (SequenceI seq : al.getSequences())
       {
-        int added = loadVCF(seq, reader, isRefGrch37);
+        int added = loadSequenceVCF(seq, reader, isRefGrch37);
         if (added > 0)
         {
           seqCount++;
@@ -140,7 +210,10 @@ public class VCFLoader
         String msg = MessageManager.formatMessage("label.added_vcf",
                 varCount, seqCount);
         gui.setStatus(msg);
-        gui.getFeatureSettingsUI().discoverAllFeatureData();
+        if (gui.getFeatureSettingsUI() != null)
+        {
+          gui.getFeatureSettingsUI().discoverAllFeatureData();
+        }
       }
     } catch (Throwable e)
     {
@@ -166,8 +239,55 @@ public class VCFLoader
   }
 
   /**
+   * Records the position of selected fields defined in the CSQ INFO header (if
+   * there is one). CSQ fields are declared in the CSQ INFO Description e.g.
+   * <p>
+   * Description="Consequence ...from ... VEP. Format: Allele|Consequence|...
+   */
+  protected void locateCsqFields()
+  {
+    VCFInfoHeaderLine csqInfo = header.getInfoHeaderLine(CSQ);
+    if (csqInfo == null)
+    {
+      return;
+    }
+
+    String desc = csqInfo.getDescription();
+    int formatPos = desc.indexOf(FORMAT);
+    if (formatPos == -1)
+    {
+      System.err.println("Parse error, failed to find " + FORMAT
+              + " in " + desc);
+      return;
+    }
+    desc = desc.substring(formatPos + FORMAT.length());
+
+    if (desc != null)
+    {
+      String[] format = desc.split(PIPE_REGEX);
+      int index = 0;
+      for (String field : format)
+      {
+        if (ALLELE_NUM_KEY.equals(field))
+        {
+          csqAlleleNumberFieldIndex = index;
+        }
+        if (ALLELE_KEY.equals(field))
+        {
+          csqAlleleFieldIndex = index;
+        }
+        if (FEATURE_KEY.equals(field))
+        {
+          csqFeatureFieldIndex = index;
+        }
+        index++;
+      }
+    }
+  }
+
+  /**
    * Transfers VCF features to sequences to which this sequence has a mapping.
-   * If the mapping is 1:3, computes peptide variants from nucleotide variants.
+   * If the mapping is 3:1, computes peptide variants from nucleotide variants.
    * 
    * @param seq
    */
@@ -200,7 +320,6 @@ public class VCFLoader
         /*
          * nucleotide-to-nucleotide mapping e.g. transcript to CDS
          */
-        // TODO no DBRef to CDS is added to transcripts
         List<SequenceFeature> features = seq.getFeatures()
                 .getPositionalFeatures(SequenceOntologyI.SEQUENCE_VARIANT);
         for (SequenceFeature sf : features)
@@ -216,23 +335,25 @@ public class VCFLoader
 
   /**
    * Tries to add overlapping variants read from a VCF file to the given
-   * sequence, and returns the number of overlapping variants found. Note that
-   * this requires the sequence to hold information as to its chromosomal
-   * positions and reference, in order to be able to map the VCF variants to the
-   * sequence.
+   * sequence, and returns the number of variant features added. Note that this
+   * requires the sequence to hold information as to its chromosomal positions
+   * and reference, in order to be able to map the VCF variants to the sequence.
    * 
    * @param seq
    * @param reader
    * @param isVcfRefGrch37
    * @return
    */
-  protected int loadVCF(SequenceI seq, VCFReader reader,
+  protected int loadSequenceVCF(SequenceI seq, VCFReader reader,
           boolean isVcfRefGrch37)
   {
     int count = 0;
     GeneLociI seqCoords = seq.getGeneLoci();
     if (seqCoords == null)
     {
+      System.out.println(String.format(
+              "Can't query VCF for %s as chromosome coordinates not known",
+              seq.getName()));
       return 0;
     }
 
@@ -268,12 +389,6 @@ public class VCFLoader
     String seqRef = seqCoords.getAssemblyId();
     String species = seqCoords.getSpeciesId();
 
-    // TODO handle species properly
-    if ("".equals(species))
-    {
-      species = "human";
-    }
-
     /*
      * map chromosomal coordinates from GRCh38 (sequence) to
      * GRCh37 (VCF) if necessary
@@ -284,7 +399,7 @@ public class VCFLoader
     if (fromRef.equalsIgnoreCase(seqRef) && isVcfRefGrch37)
     {
       String toRef = "GRCh37";
-      int[] newRange = mapReferenceRange(range, chromosome, species,
+      int[] newRange = mapReferenceRange(range, chromosome, "human",
               fromRef, toRef);
       if (newRange == null)
       {
@@ -317,27 +432,20 @@ public class VCFLoader
        */
       VariantContext variant = variants.next();
 
-      /*
-       * we can only process SNP variants (which can be reported
-       * as part of a MIXED variant record
-       */
-      if (!variant.isSNP() && !variant.isMixed())
-      {
-        continue;
-      }
-
-      count++;
       int start = variant.getStart() - offset;
       int end = variant.getEnd() - offset;
 
       /*
        * convert chromosomal location to sequence coordinates
+       * - may be reverse strand (convert to forward for sequence feature)
        * - null if a partially overlapping feature
        */
       int[] seqLocation = mapping.locateInFrom(start, end);
       if (seqLocation != null)
       {
-        addVariantFeatures(seq, variant, seqLocation[0], seqLocation[1],
+        int featureStart = Math.min(seqLocation[0], seqLocation[1]);
+        int featureEnd = Math.max(seqLocation[0], seqLocation[1]);
+        count += addAlleleFeatures(seq, variant, featureStart, featureEnd,
                 forwardStrand);
       }
     }
@@ -348,85 +456,352 @@ public class VCFLoader
   }
 
   /**
-   * Inspects the VCF variant record, and adds variant features to the sequence.
-   * Only SNP variants are added, not INDELs.
-   * <p>
-   * If the sequence maps to the reverse strand of the chromosome, reference and
-   * variant bases are recorded as their complements (C/G, A/T).
+   * A convenience method to get the AF value for the given alternate allele
+   * index
+   * 
+   * @param variant
+   * @param alleleIndex
+   * @return
+   */
+  protected float getAlleleFrequency(VariantContext variant, int alleleIndex)
+  {
+    float score = 0f;
+    String attributeValue = getAttributeValue(variant,
+            ALLELE_FREQUENCY_KEY, alleleIndex);
+    if (attributeValue != null)
+    {
+      try
+      {
+        score = Float.parseFloat(attributeValue);
+      } catch (NumberFormatException e)
+      {
+        // leave as 0
+      }
+    }
+
+    return score;
+  }
+
+  /**
+   * A convenience method to get an attribute value for an alternate allele
+   * 
+   * @param variant
+   * @param attributeName
+   * @param alleleIndex
+   * @return
+   */
+  protected String getAttributeValue(VariantContext variant,
+          String attributeName, int alleleIndex)
+  {
+    Object att = variant.getAttribute(attributeName);
+
+    if (att instanceof String)
+    {
+      return (String) att;
+    }
+    else if (att instanceof ArrayList)
+    {
+      return ((List<String>) att).get(alleleIndex);
+    }
+
+    return null;
+  }
+
+  /**
+   * Adds one variant feature for each allele in the VCF variant record, and
+   * returns the number of features added.
    * 
    * @param seq
    * @param variant
    * @param featureStart
    * @param featureEnd
    * @param forwardStrand
+   * @return
    */
-  protected void addVariantFeatures(SequenceI seq, VariantContext variant,
+  protected int addAlleleFeatures(SequenceI seq, VariantContext variant,
           int featureStart, int featureEnd, boolean forwardStrand)
   {
-    byte[] reference = variant.getReference().getBases();
-    if (reference.length != 1)
+    int added = 0;
+
+    /*
+     * Javadoc says getAlternateAlleles() imposes no order on the list returned
+     * so we proceed defensively to get them in strict order
+     */
+    int altAlleleCount = variant.getAlternateAlleles().size();
+    for (int i = 0; i < altAlleleCount; i++)
     {
-      /*
-       * sorry, we don't handle INDEL variants
-       */
-      return;
+      added += addAlleleFeature(seq, variant, i, featureStart, featureEnd,
+              forwardStrand);
     }
+    return added;
+  }
+
+  /**
+   * Inspects one allele and attempts to add a variant feature for it to the
+   * sequence. We extract as much as possible of the additional data associated
+   * with this allele to store in the feature's key-value map. Answers the
+   * number of features added (0 or 1).
+   * 
+   * @param seq
+   * @param variant
+   * @param altAlleleIndex
+   *          (0, 1..)
+   * @param featureStart
+   * @param featureEnd
+   * @param forwardStrand
+   * @return
+   */
+  protected int addAlleleFeature(SequenceI seq, VariantContext variant,
+          int altAlleleIndex, int featureStart, int featureEnd,
+          boolean forwardStrand)
+  {
+    String reference = variant.getReference().getBaseString();
+    Allele alt = variant.getAlternateAllele(altAlleleIndex);
+    String allele = alt.getBaseString();
 
     /*
-     * for now we extract allele frequency as feature score; note
-     * this attribute is String for a simple SNP, but List<String> if
-     * multiple alleles at the locus; we extract for the simple case only
+     * build the ref,alt allele description e.g. "G,A", using the base
+     * complement if the sequence is on the reverse strand
      */
-    Object af = variant.getAttribute("AF");
-    float score = 0f;
-    if (af instanceof String)
+    // TODO check how structural variants are shown on reverse strand
+    StringBuilder sb = new StringBuilder();
+    sb.append(forwardStrand ? reference : Dna.reverseComplement(reference));
+    sb.append(COMMA);
+    sb.append(forwardStrand ? allele : Dna.reverseComplement(allele));
+    String alleles = sb.toString(); // e.g. G,A
+
+    String type = SequenceOntologyI.SEQUENCE_VARIANT;
+    float score = getAlleleFrequency(variant, altAlleleIndex);
+
+    SequenceFeature sf = new SequenceFeature(type, alleles, featureStart,
+            featureEnd, score, FEATURE_GROUP_VCF);
+
+    sf.setValue(Gff3Helper.ALLELES, alleles);
+
+    addAlleleProperties(variant, seq, sf, altAlleleIndex);
+
+    seq.addSequenceFeature(sf);
+
+    return 1;
+  }
+
+  /**
+   * Add any allele-specific VCF key-value data to the sequence feature
+   * 
+   * @param variant
+   * @param seq
+   * @param sf
+   * @param altAlelleIndex
+   *          (0, 1..)
+   */
+  protected void addAlleleProperties(VariantContext variant, SequenceI seq,
+          SequenceFeature sf, final int altAlelleIndex)
+  {
+    Map<String, Object> atts = variant.getAttributes();
+
+    for (Entry<String, Object> att : atts.entrySet())
     {
-      try
+      String key = att.getKey();
+
+      /*
+       * extract Consequence data (if present) that we are able to
+       * associated with the allele for this variant feature
+       */
+      if (CSQ.equals(key))
       {
-        score = Float.parseFloat((String) af);
-      } catch (NumberFormatException e)
+        addConsequences(variant, seq, sf, altAlelleIndex);
+        continue;
+      }
+
+      /*
+       * we extract values for other data which are allele-specific; 
+       * these may be per alternate allele (INFO[key].Number = 'A') 
+       * or per allele including reference (INFO[key].Number = 'R') 
+       */
+      VCFInfoHeaderLine infoHeader = header.getInfoHeaderLine(key);
+      if (infoHeader == null)
       {
-        // leave as 0
+        /*
+         * can't be sure what data belongs to this allele, so
+         * play safe and don't take any
+         */
+        continue;
+      }
+
+      VCFHeaderLineCount number = infoHeader.getCountType();
+      int index = altAlelleIndex;
+      if (number == VCFHeaderLineCount.R)
+      {
+        /*
+         * one value per allele including reference, so bump index
+         * e.g. the 3rd value is for the  2nd alternate allele
+         */
+        index++;
+      }
+      else if (number != VCFHeaderLineCount.A)
+      {
+        /*
+         * don't save other values as not allele-related
+         */
+        continue;
+      }
+
+      /*
+       * take the index'th value
+       */
+      String value = getAttributeValue(variant, key, index);
+      if (value != null)
+      {
+        sf.setValue(key, value);
       }
     }
+  }
 
-    StringBuilder sb = new StringBuilder();
-    sb.append(forwardStrand ? (char) reference[0] : complement(reference));
+  /**
+   * Inspects CSQ data blocks (consequences) and adds attributes on the sequence
+   * feature for the current allele (and transcript if applicable)
+   * <p>
+   * Allele matching: if field ALLELE_NUM is present, it must match
+   * altAlleleIndex. If not present, then field Allele value must match the VCF
+   * Allele.
+   * <p>
+   * Transcript matching: if sequence name can be identified to at least one of
+   * the consequences' Feature values, then select only consequences that match
+   * the value (i.e. consequences for the current transcript sequence). If not,
+   * take all consequences (this is the case when adding features to the gene
+   * sequence).
+   * 
+   * @param variant
+   * @param seq
+   * @param sf
+   * @param altAlelleIndex
+   *          (0, 1..)
+   */
+  protected void addConsequences(VariantContext variant, SequenceI seq,
+          SequenceFeature sf, int altAlelleIndex)
+  {
+    Object value = variant.getAttribute(CSQ);
+
+    if (value == null || !(value instanceof ArrayList<?>))
+    {
+      return;
+    }
+
+    List<String> consequences = (List<String>) value;
 
     /*
-     * inspect alleles and record SNP variants (as the variant
-     * record could be MIXED and include INDEL and SNP alleles)
-     * warning: getAlleles gives no guarantee as to the order 
-     * in which they are returned
+     * if CSQ data includes 'Feature', and any value matches the sequence name,
+     * then restrict consequence data to only the matching value (transcript)
+     * i.e. just pick out consequences for the transcript the variant feature is on
      */
-    for (Allele allele : variant.getAlleles())
+    String seqName = seq.getName()== null ? "" : seq.getName().toLowerCase();
+    String matchFeature = null;
+    if (csqFeatureFieldIndex > -1)
     {
-      if (!allele.isReference())
+      for (String consequence : consequences)
       {
-        byte[] alleleBase = allele.getBases();
-        if (alleleBase.length == 1)
+        String[] csqFields = consequence.split(PIPE_REGEX);
+        if (csqFields.length > csqFeatureFieldIndex)
         {
-          sb.append(",").append(
-                  forwardStrand ? (char) alleleBase[0]
-                          : complement(alleleBase));
+          String featureIdentifier = csqFields[csqFeatureFieldIndex];
+          if (featureIdentifier.length() > 4
+                  && seqName.indexOf(featureIdentifier.toLowerCase()) > -1)
+          {
+            matchFeature = featureIdentifier;
+          }
         }
       }
     }
-    String alleles = sb.toString(); // e.g. G,A,C
 
-    String type = SequenceOntologyI.SEQUENCE_VARIANT;
+    StringBuilder sb = new StringBuilder(128);
+    boolean found = false;
 
-    SequenceFeature sf = new SequenceFeature(type, alleles, featureStart,
-            featureEnd, score, FEATURE_GROUP_VCF);
+    for (String consequence : consequences)
+    {
+      String[] csqFields = consequence.split(PIPE_REGEX);
 
-    sf.setValue(Gff3Helper.ALLELES, alleles);
+      if (includeConsequence(csqFields, matchFeature, variant,
+              altAlelleIndex))
+      {
+        if (found)
+        {
+          sb.append(COMMA);
+        }
+        found = true;
+        sb.append(consequence);
+      }
+    }
 
-    Map<String, Object> atts = variant.getAttributes();
-    for (Entry<String, Object> att : atts.entrySet())
+    if (found)
     {
-      sf.setValue(att.getKey(), att.getValue());
+      sf.setValue(CSQ, sb.toString());
     }
-    seq.addSequenceFeature(sf);
+  }
+
+  /**
+   * Answers true if we want to associate this block of consequence data with
+   * the specified alternate allele of the VCF variant.
+   * <p>
+   * If consequence data includes the ALLELE_NUM field, then this has to match
+   * altAlleleIndex. Otherwise the Allele field of the consequence data has to
+   * match the allele value.
+   * <p>
+   * Optionally (if matchFeature is not null), restrict to only include
+   * consequences whose Feature value matches. This allows us to attach
+   * consequences to their respective transcripts.
+   * 
+   * @param csqFields
+   * @param matchFeature
+   * @param variant
+   * @param altAlelleIndex
+   *          (0, 1..)
+   * @return
+   */
+  protected boolean includeConsequence(String[] csqFields,
+          String matchFeature, VariantContext variant, int altAlelleIndex)
+  {
+    /*
+     * check consequence is for the current transcript
+     */
+    if (matchFeature != null)
+    {
+      if (csqFields.length <= csqFeatureFieldIndex)
+      {
+        return false;
+      }
+      String featureIdentifier = csqFields[csqFeatureFieldIndex];
+      if (!featureIdentifier.equals(matchFeature))
+      {
+        return false; // consequence is for a different transcript
+      }
+    }
+
+    /*
+     * if ALLELE_NUM is present, it must match altAlleleIndex
+     * NB first alternate allele is 1 for ALLELE_NUM, 0 for altAlleleIndex
+     */
+    if (csqAlleleNumberFieldIndex > -1)
+    {
+      if (csqFields.length <= csqAlleleNumberFieldIndex)
+      {
+        return false;
+      }
+      String alleleNum = csqFields[csqAlleleNumberFieldIndex];
+      return String.valueOf(altAlelleIndex + 1).equals(alleleNum);
+    }
+
+    /*
+     * else consequence allele must match variant allele
+     */
+    if (csqAlleleFieldIndex > -1 && csqFields.length > csqAlleleFieldIndex)
+    {
+      String csqAllele = csqFields[csqAlleleFieldIndex];
+      String vcfAllele = variant.getAlternateAllele(altAlelleIndex)
+              .getBaseString();
+      return csqAllele.equals(vcfAllele);
+    }
+
+    return false;
   }
 
   /**
@@ -480,7 +855,8 @@ public class VCFLoader
      * call (e.g.) http://rest.ensembl.org/map/human/GRCh38/17:45051610..45109016:1/GRCh37
      */
     EnsemblMap mapper = new EnsemblMap();
-    int[] mapping = mapper.getMapping(species, chromosome, fromRef, toRef,
+    int[] mapping = mapper.getAssemblyMapping(species, chromosome, fromRef,
+            toRef,
             queryRange);
 
     if (mapping == null)