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基因组测序模拟

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杨利霞        

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  • TA的每日心情
    开心
    2021-8-11 17:59
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    [LV.4]偶尔看看III

    网络挑战赛参赛者

    网络挑战赛参赛者

    自我介绍
    本人女,毕业于内蒙古科技大学,担任文职专业,毕业专业英语。

    群组2018美赛大象算法课程

    群组2018美赛护航培训课程

    群组2019年 数学中国站长建

    群组2019年数据分析师课程

    群组2018年大象老师国赛优

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    1#
    发表于 2019-4-21 14:56 |只看该作者 |倒序浏览
    |招呼Ta 关注Ta
    基因组测序模拟( _& W. c& D/ P+ N0 W8 j, G3 Y8 ?& J
    基因组测序模拟
    * q  L' h: C" M+ e& ]- \
    6 R, l7 {  s) z( T5 P6 ~: z一、摘要
    4 C1 X4 n% F) g( R; e) ~6 [9 G! L/ _# s0 S
    通过熟悉已有的基因组测序模拟和评估程序,加深全基因组鸟枪法测序原理的理解,并且能够编写程序模拟全基因组鸟枪法测序,理解覆盖度、测序深度、拷贝数等概念,设置测序相关参数,生成单端/双端测序结果文件
    " L0 }+ O% @. q/ J
    # T4 n! @  i$ W0 {3 e9 x3 h# ~+ q二、材料和方法
    + x+ a6 B# n) E: W" k1 }+ `3 M
    5 Z" a& ^7 W3 |& [" I2 C. W9 {1、硬件平台% N! X4 @4 u$ B, |4 e5 z5 s4 E

    # d* p5 h! r4 X2 d$ \8 B( \处理器:Intel(R) Core(TM)i7-4710MQ CPU @ 2.50GHz
    ; H+ W# P& E; k安装内存(RAM):16.0GB
    ) ]6 R+ j! _: n" b8 y3 M$ o( O/ b) p
    * e6 `  E2 a; _  O3 s! U! N2、系统平台
    : W% ]8 [! s" M) {( RWindows 8.1,Ubuntu
    % g& L/ L& J2 \+ e- A3 t7 |  m
      N% j1 z0 ]' H3、软件平台2 C$ }  O9 h; I8 @

    4 G/ @- g8 r7 y9 H, L  oart_454
    3 E. d5 O& x& ?. a. }/ [. hGenomeABC http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/; q$ F, m2 y$ g& _" D# D) C
    Python3.5
    ' \0 `& P( {. K3 z2 f" G. B; f  [Biopython) s- W2 m* N  t% B
    4、数据库资源
    4 B. q: w% [6 n6 H) w0 o  Z) ]: W( A# }/ z& I
    NCBI数据库:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/
    " B! Z. ]! Z6 L5 K# O1 u5 W5 S* `
    5、研究对象
    & ?; t' `  A2 E' s2 O( ^/ c5 a/ A
    酵母基因组Saccharomyces cerevisiae S288c (assembly R64) 7 O; `$ F7 D2 z$ _0 r0 u: x
    ftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/all/GCF/000/146/045/GCF_000146045.2_R64/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna.gz5 z) c$ n4 l% R. _+ O0 n1 J

    . C; \; J# z( j6、方法! u1 p5 ~5 i. N9 D9 d

    " ^" V# b( r6 U+ Gart_454的使用 , \. c" h! V+ K1 J! H1 W
    首先至art系列软件的官网,下载软件,在ubuntu系统安装,然后阅读相关参数设置的帮助文档,运行程序。4 \2 N% A; d1 j; J
    GenomeABC 5 C7 q+ `! q# \' S* {
    进入GenomeABC(http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/),输入参数,获得模拟测序结果。9 l9 T8 l! L; X9 u  \( q
    编程模拟测序 3 M$ g  I5 @+ p  `5 V
    下载安装python,并且安装biopython扩展模块,编写程序,模拟单端/双端测序。: p/ \: y) m2 p- c, K2 W
    三、结果' U2 ]& d5 q' K, I4 t' I( n

    4 |7 K/ B" E$ w$ T  p/ q1、art_454的运行结果% R+ |! c* Y2 w9 h% d. D! }$ r& T# m

    / z9 @3 o  N9 k9 T) `& d' r无参数art_454运行,阅读帮助文档 & }8 c# v$ y1 H4 K3 \, t8 _* y

    * R4 D4 P$ S8 e图表 1无参数art_454运行
    ' {4 J; z8 b9 N4 O8 j; U对酵母基因组进行基因组单端测序模拟,FOLD_COVERAGE设为20,即覆盖度为20. ! _) t# E- a1 I7 r" L
    下图为模拟单端测序,程序运行过程及结果 0 Z; x; h8 e" V
    6 i$ K7 k/ w! Z5 f3 k
    图表 2 art454单端测序 2 x' v, \2 j( M1 n/ L2 N0 f2 l& V
    " X; U+ V% C, [) T7 I
    图表 3 art454单端模拟结果
    1 m9 N$ R. c4 l$ R# C0 G双端测序模拟,FOLD_COVERAGE设为20,即覆盖度为20;MEAN_FRAG_LEN设为1500,即平均片段长度为1500;STD_DEV设为20,即长度的标准差为20
    ! f! x2 N; H1 q& q& z4 ?下图为模拟双端测序,程序运行过程及结果
    * T  M2 R0 _$ M0 N/ C& b1 Q# `
    ) P5 r5 ^/ [, Q$ H/ c, a图表 4 art454双端测序 : X( g4 K, L+ G9 ^- [* u" O1 v

    ) B" M' ^, o, f( d图表 5 art454双端模拟结果 : @& M) P2 P: ]* z4 u
    2、GenomeABC ; M8 t* Q/ a8 Z$ J1 J; Y% j
    下图为设置参数页面 8 u9 N0 H- N# E

    1 t$ z% W5 i# n/ X2 y下图为结果下载页面
    ' ~1 U: {9 a2 s! W3 H3 @- c5 N1 q4 o9 P( @1 J4 z' Z7 {
    图表 6 结果下载页面 4 \: l5 A+ O5 z3 S9 f% Q
    3、编程模拟测序结果 * k5 I' |3 W% T4 W1 Y7 |4 t
    拷贝数是这里的N值;覆盖度是m,测序深度是宏观的量,在这里与覆盖度意思相同,就是测序仪10X,20X。
    ( N' c/ f; G* u单端测序 / `! Y9 X4 p' V) V

    5 t$ f' i) E7 w0 E- F+ z图表 7 程序模拟单端测序 6 A* U4 S, j% j+ a. D" f# K
    双端测序
      g) r! W: E) W0 }. q+ c8 V3 |
    图表 8 程序模拟双端测序
    ( j7 M3 M! ]' D$ @7 ]8 p测序结果 + L# ~- n6 M2 P7 L

    ! D+ v8 K! a0 F/ Z图表 9 结果文件5 f: C6 d- i" U: V! D

    ' G7 I! x5 W% f因为期望片段长度是600bp,在片段长度区间200-1000bp内,所以大部分的片段都没有删除。 & ^8 N, P$ k$ d0 F- E6 T
    测序结果统计表6 i/ T) B1 C- t
    : E* ?+ H/ E$ ~% J
    测序方式        基因组大小(bp)        片段长度区间 (bp)        N值        期望片段长度        克隆保留率        片段数量        Reads长度范围(bp)        Reads总数量        Reads总长度        覆盖度(m值)        理论丢失率(e-m)        覆盖率(1-e-m)
    / Q5 a! @( Z8 Z, B2 R) l单端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        107378        50-100        101968        7645.541kb        0.62889        0.53318        0.46682
    ( C2 t7 D, u/ U7 i单端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        213722        50-100        202996        15227.882kb        1.25259        0.28576        0.71424
    : W( e" H% S" S4 a+ v) m双端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        106704        50-100        202770        15212.662kb        1.25134        0.28612        0.713882 z2 T' a) i& v9 ^4 ^% d$ x6 i3 i8 y
    双端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        214212        50-100        407186        30534.265kb        2.51164        0.08114        0.91886
    3 o) d% p6 K) o) N1 C! p  A* M8 G四、讨论和结论
    # b2 T! M* r! \0 S9 t
      S: S( h" o' q0 c' S% S程序运行方法
    ! D- C4 W. I+ |$ L1 @& g
    " O- ]4 X: h$ S4 b1 H在类的构造方法init()中,调整参数。 1 j! v3 P. o( g5 S0 D0 C6 z
    Averagefragmentlength为片段平均的长度;
    + I3 r3 ^; x. J9 @* wminfragmentlength和maxfragmentlength是保留片段的范围; / U: s- |6 O! w
    cloneRetainprobability是克隆的保留率;
    ) Y4 C- r' E: Cminreadslength和maxreadslength是测序reads的长度范围
    5 O# N* R' a/ O; k; g
    * E- Z3 L( }+ x2 M( A模拟测序的诸多方法都封装成了Sequencing类,只需要创建类,并调用singlereadsequencing()和pairreadsequencing()方法,传入文件名的参数即可。
    8 \$ U( P: X% Y5 Y. r* B7 }& G
    ' d# z7 F( y% B) Q( q3 q附录
    2 P: w) M1 u( Z) v9 p" K
    * J; q- j$ @9 r. B, D6 a/ `8 @% cfrom Bio import SeqIO
    7 [: K" o( Z9 w8 zfrom math import exp; v: ?; O& y6 \) j2 r. g
    import random/ D0 P& `- d- X3 X# z0 ^

    , }3 u' w6 d# x/ lclass Sequencing:
    2 l) S, y' Y1 l. T4 e    # N代表拷贝份数
    5 @7 d3 O! x4 B: E4 u    def __init__(self). ~4 K2 j  ?6 a4 r; h
            self.fragmentList = []
    / n9 S  a# s. x2 x4 l4 q: f& I, g        self.readsID = 1( V1 P7 L3 r3 o$ i4 t
            self.readsList = []% e3 J+ X" ~+ u1 |  l: O
            self.averagefragmentlength = 650
    8 z. {( c- z" y        self.minfragmentlength = 500! t- L( n* J6 z2 I  O$ i$ k' p
            self.maxfragmentlength = 800
    3 P! E: c" d+ X        self.cloneRetainprobability = 14 g/ a# j3 ?: p6 s
            self.minreadslength = 50
    ; j' M% U' h/ h; y$ c9 T        self.maxreadslength = 150
    " L9 b6 L; {+ @; i& a        self.N = 104 q( ~) L. B1 I6 |) O
            self.genomeLength = 0
    , V$ y/ V* r  @6 R" m6 \        self.allreadslength = 0( ~: J% z/ G1 f, W9 K
    + \8 D& I# f; Q6 f) B, w
        # 生成断裂点7 b6 M4 [7 n- r" J7 a
        def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):) k  f: J& p6 R) o# |
            # 假设平均每500bp 产生一个断裂点(averageLength = 500),通过随机函数生成seqlen/500个随机断裂点(1到seqlen之间的随机整数)
    ( A, a2 D, m6 i5 U2 N        breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]
    4 j5 {1 {% ~$ Y        breakpoint.append(seqlen)
    8 H4 j& e  c- }) R- Q3 h        breakpoint.append(0)
    ; I$ W. v- D* [+ H5 N        # 把随机断裂点从小到大排序' ]' Z- A7 L; R* x5 n
            breakpoint.sort()0 n+ t: F* ?8 k! \
            return breakpoint
    . k- Y& q6 {0 d: p7 I9 P. a/ q
    4 C4 ^" r# J& p0 a# i3 ]    # 沿断裂点打断基因组,并删除不符合长度要求的序列片段,定义片段范围:200-1000bp& O  N& m: T  j# V; L* M) R. T! p
        def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):
    5 Z+ e1 f6 ]9 Y        for i in range(len(breakpoint) - 1):: u5 f2 q! c' Q  t' p
                fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]% G) e7 }0 u$ P  j6 x
                if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:
    * [$ Y2 T" v6 K  v% @1 K                self.fragmentList.append(fragment)# N# f4 U+ a! R) m
            return self.fragmentList
    : z# O* p, \& l- q; N5 H( E2 M' W/ Z% V
        # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率5 u* @( b6 f4 d4 Q
        def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):
    / i3 W9 f" u7 n6 R" G+ f. d. ^        clonedfragmentList = []
    5 a. V0 `/ o* t* X7 \  K/ V        Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]
    8 @: _+ k0 A) d: A4 w/ u# G) Q        for i in range(len(fragmentList)):
    " e2 t+ h; h! H0 |, B- U# A, Q            if Lossprobability <= cloneRetainprobability:* \$ Q) a+ m+ L; A8 k: q
                    clonedfragmentList.append(fragmentList)
    ' f8 q1 b4 l( `" |, ]  k; L        return clonedfragmentList* Q) u- s* }' W9 M" l; x& ~
    ' `) \+ r0 G/ n  [! ?  X
        # 模拟单端测序,并修改reads的ID号
    8 R. R7 k' N: r. R/ U- u    def singleread(self, clonedfragmentList):4 X) o0 ?$ O- k+ N" w7 i# l
            for fragment in clonedfragmentList:
    / ^5 a* I  L" K1 b' Y            fragment.id = ""
    4 n7 G" x% _  B5 N            fragment.name = "") h! T" ^' F! F6 m! d
                fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]; p, Y# b0 ^3 w  C
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description3 o' ]# x/ Y5 Y* ?
                self.readsID += 1
    1 [, i9 S: x- O# N+ A. i2 o! X4 K            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    ' e' y% j* `7 s$ A4 q( x& ~5 h            self.allreadslength += readslength( ~5 A  k' `% J0 u$ H5 `
                self.readsList.append(fragment[:readslength])
    ) u) E, u- F5 G: b% U8 v. d4 Z. T  V3 J, A
        def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):; ?4 M( b/ l& ^1 N6 D9 p5 Z; ?
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):" D+ m0 s8 ~8 p4 l
                seqlen = len(seq_record)
    7 w/ t8 |# b% s0 L5 i, j            self.genomeLength += seqlen
    6 n- b+ c2 ^5 r            for i in range(self.N):
    0 S, w1 Y5 l( K                # 生成断裂点
      O- L2 c5 Y+ @! z3 p1 W2 ~1 t& _' K                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength), H* F7 C5 v3 J3 ^) E7 H
                    # 沿断裂点打断基因组, J2 E( {& f8 q- V$ j7 L4 z
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    0 H0 b& ?3 S) R) }. `        # 模拟克隆时的随机丢失情况
    $ ]+ A% d2 o- R2 n$ `# ^        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)$ A, s- P$ P2 ]# i: a
            # 模拟单端测序
    2 l8 }6 X! c3 j3 V* }; D        self.singleread(clonedfragmentList)
    ' D" M0 j' w& X2 e& w" Z        SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")( _+ l/ A: R5 M

    " S; D1 K1 V( ^$ P+ j& N! j    def pairread(self, clonedfragmentList):
    # m' f% |" n7 B$ b" b        for fragment in clonedfragmentList:
    & t( x1 Q1 O: A% j3 W            fragment.id = ""
    1 w9 t; G( T5 w            fragment.name = ""
    . `: T$ N  e, c4 |+ W9 E8 N" q            description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    0 T7 ?8 X, e; S, E7 ^2 k" v* Z            fragment.description = str(self.readsID) + "." + description- c5 `2 C3 y0 `
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    + ~# A9 k/ H4 @            self.allreadslength += readslength; _* w5 e. i9 n$ {; B/ \
                self.readsList.append(fragment[:readslength])
    ! ~, [, S& W$ A$ ^0 ]
    , p2 M: Y6 @5 u- r! L            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    1 _- f/ M. K; d& J3 g. S2 S            self.allreadslength += readslength% N1 _$ f# ^. j6 [, {' U4 ^' T! g  O

    ; }. ^+ r7 O- S1 Y6 H            fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()/ b3 x" D, F) b
                fragmentcomplement.id = ""* I; p' g, O9 Q) ~0 H% |% g2 |
                fragmentcomplement.name = ""; A' B* t  o' A+ x1 Z& Q3 H
                fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description9 p# T; z6 o% B. ?7 r( M
                self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])
    " o  l4 q' q5 j. w( b/ a" `) b3 y  o* h1 _1 w( U# @, e
                self.readsID += 13 l1 f+ J! H1 P9 U$ f1 s2 x; @' U
    % g! S: A# u$ N! i' U, t: `
        def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):
    8 R- Z7 L2 Z1 m3 T. _, k6 O/ v) z) I6 m        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    % l" L9 h' u1 ^* Z            seqlen = len(seq_record)! _+ X. O0 e- a5 b6 V0 \+ v
                self.genomeLength += seqlen( c5 j5 A8 X! J: r; f& F
                for i in range(self.N):
    , G  d' S. ?, }  c) [                # 生成断裂点
    : ?7 _5 {5 K: n$ |- Q                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    9 p4 I$ x6 j/ @4 p! q3 Y                # 沿断裂点打断基因组
    . V8 Y4 r3 Z& q( K6 t3 {                self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)8 E% Q& s  U; I+ d+ l) d
            # 模拟克隆时的随机丢失情况
      y) G/ R! t) Z$ l        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)7 Q1 _& [$ m( @/ B! M
            # 模拟双端测序
    $ N' g9 D9 Z! @/ b, _        self.pairread(clonedfragmentList)$ t9 ]8 U/ q: u& h  V' U# [
            readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]
    ' p& y- S7 E; \% Y( q        readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]6 T9 I0 I2 I* ]6 k: F. E. S
            SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")
    $ V( ^& F6 Q4 M        SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")" }5 P: r. I+ G

    - J) Z, ]5 ~9 r" j. `    def resultsummary(self):
    + e4 k3 \( x' a5 J% A        print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")
      }) i1 H; a7 R; k8 U        print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))
    ( r! @0 A- ~4 D1 v$ \7 a( F. [$ {        print("N值:" + str(self.N))2 p, E+ |1 F% \% D. ?) ]
            print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))
    0 V0 T# F7 [7 m# H* W8 }* R        print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))6 t' `+ _5 l# h% }
            print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))
    . H. a- d6 g0 Z& }        print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))/ q* n$ o; l  s
            print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))
    7 {  v. x  g6 m! `9 v' U$ f8 I        print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")5 a+ j5 {4 L6 S- [: X  T
            m = self.allreadslength / self.genomeLength
    7 d1 G4 A: H$ H( M% s$ Z8 [' ?        print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))
    8 h7 x6 V* X" e! W3 {        print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))8 K! S: N' y( b" {7 j: X/ {5 w1 O# V  `
            print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))
    * \. O! D$ B5 J# D- v$ h5 R/ e# -------------------------------------------主程序-------------------------------------------* t! D4 m) F, h+ v2 N
    # 模拟单端测序
    4 @9 r. M- l& p( Z) n5 psequencingObj = Sequencing()8 ]. r2 S; o, Z# A9 e
    sequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")
    * [" o* J( ~- {6 E" \sequencingObj.resultsummary()* M% {, c3 B5 N
    ' \) ~* S* f; t, w
    # 模拟双端测序) r% t5 s  J1 G5 T
    sequencingObj = Sequencing()5 q( `! z+ O1 T) V0 D
    sequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")
    ( f0 \9 o9 O2 H$ w* |sequencingObj.resultsummary(). c, N: G1 c9 ~
    from Bio import SeqIO" a, f: k! d  B$ O3 G8 s- W2 e
    from math import exp
    1 z! K; S( Q( m) }4 ]' Z4 d4 c' ^4 jimport random. n) l1 ^# T) O' h. d0 J+ W

    - J% M, L$ X. u! O9 h) Hclass Sequencing:
    3 ]# l6 u$ ?7 B  W1 `! _    # N代表拷贝份数
    % k. u" f4 d4 x, _# H, N    def __init__(self):& S! R' I9 P. c+ x/ J% E
            self.fragmentList = []
    2 c6 r2 U3 |, d) V* X        self.readsID = 1
    % u: G0 W  ]% @0 ^9 A% S7 D, _3 [        self.readsList = []
    8 [3 Y, g" r2 X        self.averagefragmentlength = 650! ?' e1 J8 @  A, {! `
            self.minfragmentlength = 5001 X. K3 ^8 D9 {0 Q9 A
            self.maxfragmentlength = 8000 v# z  e) n" R" P! n6 l0 v
            self.cloneRetainprobability = 1' }: p5 M' |8 N
            self.minreadslength = 50
    4 U7 S  O$ A$ Y# }  n' x( r/ r        self.maxreadslength = 150, w* q: h+ n' e
            self.N = 10: E( i$ w0 ?8 {& w! K
            self.genomeLength = 0
    7 @+ n2 _; g' H% }" b/ m        self.allreadslength = 02 G! O$ w# C: u
    , _. q+ @1 n" n: i! M- P
        # 生成断裂点/ N" A3 z- t6 I7 O2 e" e# H
        def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):
    $ `1 ^0 _5 }/ `# M; x. h        # 假设平均每500bp 产生一个断裂点(averageLength = 500),通过随机函数生成seqlen/500个随机断裂点(1到seqlen之间的随机整数)
    ; S# }0 i) k' {        breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]
    ; l4 G5 Q9 e6 Y" b        breakpoint.append(seqlen)$ a2 n) T* q7 [1 {
            breakpoint.append(0)
    - Z, R& w: N" |! `" G- u        # 把随机断裂点从小到大排序
    7 _( T7 T& v, k) j4 v        breakpoint.sort()- |% x! l% N& y2 M- S8 @; p
            return breakpoint; ]! ]  E" K9 f+ ^

    ) D# e- p, e9 B( T% a3 n    # 沿断裂点打断基因组,并删除不符合长度要求的序列片段,定义片段范围:200-1000bp
    5 x5 ^+ b1 u: h/ k    def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):% _0 [8 t6 r+ r% P- w
            for i in range(len(breakpoint) - 1):0 ]" Y" @- _* j$ I) b
                fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]9 a" a, F! \+ J. a
                if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:  F, c+ [6 R: D" i+ p4 m3 }; {+ m
                    self.fragmentList.append(fragment): R/ d$ N2 y# C3 b/ \
            return self.fragmentList& @) @6 t2 }7 T8 W# O3 s  ]) r

    9 S/ t/ }. G* L  Q    # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率
    " L7 h6 C7 B- b& _4 r9 [    def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):
    , l! }0 r8 Y7 L        clonedfragmentList = []
    $ ^* W8 U# ]( h) O8 H        Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]
    , J/ Q2 U. R$ y* U9 N        for i in range(len(fragmentList)):
    * M- ~4 W7 N! h! K            if Lossprobability <= cloneRetainprobability:2 j3 U$ J! _3 [5 x* y
                    clonedfragmentList.append(fragmentList)8 L( Q; P. T! B! X4 a
            return clonedfragmentList( }# V! E7 U; V! m! q+ v* Y5 u

    & L) u, P: x9 x% d! y    # 模拟单端测序,并修改reads的ID号" M% o( S- j( [/ s
        def singleread(self, clonedfragmentList):. g% m3 k! u0 s% c* K  l
            for fragment in clonedfragmentList:& |0 S/ h& y/ @2 i6 q8 Q0 [  Q
                fragment.id = ""  N  m1 w% [. W) I
                fragment.name = ""  X" h  i; g, O8 p2 B3 R6 Q9 W1 z
                fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]. I% F$ P7 \% m9 q! {) \
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description
    / p: L& a/ i9 g3 h7 ~9 w3 Q2 B- a# o: _5 g            self.readsID += 1# h/ \& l3 F1 l' k  t/ L2 B
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)/ E' c2 X) f2 ^9 a8 ^& F3 _
                self.allreadslength += readslength- |9 ?9 a- z0 x  j1 A0 ~( y
                self.readsList.append(fragment[:readslength])
    ' E; R8 E3 ]* v( [, u" U, y: ~5 v, e3 j7 c
        def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):! N$ P0 r: ]- ~
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    6 w. I9 z. Y: q" a! q& [+ f            seqlen = len(seq_record)
    " k/ U5 ?, m5 T7 J# ?8 P9 ]1 W            self.genomeLength += seqlen) t$ S2 n+ @  L' M& K
                for i in range(self.N):
    8 @; O! J$ l! L6 `& o/ p" s                # 生成断裂点
    # }% t; ]" [! o" r$ e% \1 Q& [                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    2 n' x1 Y/ a  U6 ~$ f/ |% N5 ~                # 沿断裂点打断基因组( F: }6 {  B; E) v6 K
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)7 c/ @( B% s* p9 C9 h
            # 模拟克隆时的随机丢失情况
    3 r; L6 j2 Q+ B' L3 M* r        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)4 Y: s1 ?( c3 d
            # 模拟单端测序8 e5 @. y7 h0 g$ B1 K$ C
            self.singleread(clonedfragmentList)2 _. w. H/ V& ?( L5 q1 ^
            SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")
    8 Z; K* o* F) b1 `5 M# V  |' ^# I
    . x: u3 l. {( O) V: p$ n5 f1 U    def pairread(self, clonedfragmentList):
    8 Q! F3 f9 V% ^* ~2 @        for fragment in clonedfragmentList:8 O1 H2 B7 ^' l/ x( X
                fragment.id = ""
    7 P6 W+ w+ W" O/ B3 U" |7 G            fragment.name = ""
    - q4 V8 m/ v8 e, N+ L2 ?' ?4 R% B8 m            description = fragment.description[12:].split(",")[0]# a3 ]4 W1 K! y* b6 d2 [  `; K
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + description6 K0 ~  y& |' }: O( j9 _4 a
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    / z3 n- ?, i1 u0 y0 f2 I0 u8 E7 \            self.allreadslength += readslength. L" v% [5 g, i
                self.readsList.append(fragment[:readslength]): R8 r* T: ?* ^9 h5 J  j! Q/ [
    8 k1 ^" W! m+ e7 K9 ~! F6 D
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
      n, }  ^- U2 r9 B            self.allreadslength += readslength
    ) x4 P) c4 s' {. C  F1 }7 ]* J) ~
    1 ~# d) s0 J  K$ r! p            fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()
    $ Q2 j+ w! G' Z            fragmentcomplement.id = ""
    " Q7 d# g5 Q6 x4 Q' T            fragmentcomplement.name = ""
    5 j  q: u4 H+ X            fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description
    ( h: b) S3 S3 {" `6 ~            self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])5 `7 ^2 u- Z. L3 \$ e. K" {8 J

    $ e: R* f) C* @$ u$ g            self.readsID += 1
    % @2 W6 z8 z! l
    ( x- Z( Z+ L+ ~+ {7 c    def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):/ y) Q6 H: K: L1 U
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    $ u6 J6 B  h6 C5 P4 b5 V! T            seqlen = len(seq_record)
    0 v1 E. X8 u/ L, F            self.genomeLength += seqlen- b4 h3 K! q2 x% z
                for i in range(self.N):7 r( E! q. i' r) \
                    # 生成断裂点
    , c2 f. K, a$ e2 d3 x                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)  [3 i  V$ x, b0 Q: s, Z# _
                    # 沿断裂点打断基因组/ ]4 q" w+ R$ t$ t
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)6 }: T( q5 T4 H5 e# H
            # 模拟克隆时的随机丢失情况, J5 z8 b) Y6 C- t! z3 ^
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)  j% f6 f2 ~1 T# m5 I9 ^
            # 模拟双端测序
      ~! V0 }. c- y2 {0 S        self.pairread(clonedfragmentList)6 y& w6 D9 J5 v
            readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]( b/ `% L5 K; @
            readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]- O% H4 e- t6 _' I& J  D
            SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")" v# x, @- O  @; f6 a: I3 |& r  N
            SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")
    ) U- ?) ]7 T) n. Q; ?# i& H, c) X' E/ r% r( m' Q  F
        def resultsummary(self):6 N/ [! k3 t, x! E4 i% Q
            print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")2 y/ [' j, c0 y! N5 T
            print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength)): y' V- P7 h) G- M7 l
            print("N值:" + str(self.N))
    8 l7 m! n3 m' H' X% c  H        print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength)): _* s8 E* L! Q3 r' e
            print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))2 \0 _8 y# o5 ]( _
            print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))
    % }( ^- M( p  c/ O' i* b        print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))4 w% ^) s: I( C  [" X2 P
            print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))
    % q9 k( V; _' `  m        print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")% w' S8 K  ?) n7 a( G% o
            m = self.allreadslength / self.genomeLength  y; ?. M; U3 i5 m5 D/ A% |0 y
            print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))
    2 v0 C9 ^5 K; y4 @- }6 N0 O        print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))
    % n" ?5 G6 h7 C5 j- h1 L        print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))
    # G- U+ M9 A" R! ~# -------------------------------------------主程序-------------------------------------------* u  Y: t5 V$ ^7 z9 X% L% s
    # 模拟单端测序
    $ m- T, b) O3 b: [$ }: X0 H8 ^* @sequencingObj = Sequencing()
    $ T) D5 \! P: l: ^sequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")
    ( d  J- E) m, _0 S5 f, ksequencingObj.resultsummary()
    # e0 g) c* a; X" z+ x/ s
    2 U: }; D1 m, Q# @* F+ N, U. {+ M# 模拟双端测序
    ( V+ z* w$ m7 hsequencingObj = Sequencing()
    " B8 G% k4 V( r9 l7 [; jsequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")) [6 I) P4 }8 J3 t% w) m0 _
    sequencingObj.resultsummary(). ~: H( _" q) |/ [- J( s
    & f: M) b# z  u1 L) `5 V8 W7 v- m  ~
    # k9 }3 i' D1 }/ p
    + K& B8 f$ Z4 j( o: e4 D
    ! Z# g/ \  S6 w6 N( M% f* s: n8 \

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