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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
    3 C6 d7 O0 t" G2 z) ]基因组测序模拟  L! y9 M' c% t9 {6 E
    9 c9 e% h. A+ Y. y& R  y8 K/ P$ p7 s- d
    一、摘要. e2 c- \; c2 `$ \/ q
    * @2 o; Z: }' B
    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
    / E* d7 f3 W/ T0 W$ _& v9 x0 J2 }, u
    二、材料和方法. I: d8 r7 W, ]
    6 q* ^( E& D7 {6 I/ [; H
    1、硬件平台2 F1 m) b  \$ w+ v$ R
    & F; R; W0 y0 [% s( s% Q
    处理器:Intel(R) Core(TM)i7-4710MQ CPU @ 2.50GHz
    % ^5 }& S7 h+ I! E; r2 G安装内存(RAM):16.0GB% i0 O6 G" f9 X5 e. b8 I' S7 I

      Y7 d0 ~) ~: g2、系统平台
    8 I. m9 E# L1 _Windows 8.1,Ubuntu
    ) b# S6 T. `  J8 `$ \/ C) a, J- V$ F( _
    3、软件平台. U6 d# {7 L8 ?6 S; [. F# s

    9 Z+ L# `" ]0 f4 M; z& n! ^art_454
    7 v& ?# @3 N* U/ u/ b" MGenomeABC http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/1 q+ E% O- e  I) {3 `- V
    Python3.5$ q( G1 m( f+ l* V
    Biopython
    # Y- \2 @4 w& b( H) f" F2 c9 S. K4、数据库资源
    0 u2 r1 N7 L: l/ e4 @$ U6 ^1 r  O6 c4 p! g2 L9 w! T  o# t
    NCBI数据库:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/1 g: \7 u9 ]- D) h* k
    & U5 E; E: C$ ]5 t& j1 f+ j6 E: ]
    5、研究对象
    & c/ |0 j6 H( b8 y  Y! I( |- c$ k$ O8 H. |, z+ _& _
    酵母基因组Saccharomyces cerevisiae S288c (assembly R64)
    5 |3 N2 w. G# h- X; u5 Kftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/all/GCF/000/146/045/GCF_000146045.2_R64/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna.gz8 u/ V" D* Z$ z! K( h2 ?8 l

    ( v4 s% i/ \! R- ?* G! s6、方法+ g( c& m0 _( Q* E# E# z' z/ O6 o

    $ C: ]" J5 l& b7 P1 Tart_454的使用
    3 \. f- ?3 G1 J! J( v) E  S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。8 @7 ?0 _' E% o( C" d5 M
    GenomeABC 6 N" W2 ]4 ^2 x1 L* P" m( c8 O
    进入GenomeABC(http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/),输入参数,获得模拟测序结果。1 C/ c- s( J1 g& d! k7 m6 f
    编程模拟测序 7 l, X% O. r5 H2 c- f
    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。* L* _. Y) D9 G+ w3 v
    三、结果
    8 I+ x+ w9 I$ }( [( c1 P" y
    7 T. U& Q1 V/ f; K  p  U: l9 o, B# T1、art_454的运行结果
    ; r: D) ?, B) C% X
    8 v5 w# g5 T! g; [. k: a0 G6 p' {4 X无参数art_454运行,阅读帮助文档 # F: Y3 P4 R7 [( i+ b
    & e1 v+ w: s2 T2 j* n  x
    图表 1无参数art_454运行
    : ?- U8 D% [; m' c/ `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.
    7 G/ n& n* i7 S; {% V$ M下图为模拟单端测序,程序运行过程及结果
    6 {. O' l' O; [* Y7 U) S- L; ~% o2 U+ t8 Q6 ?
    图表 2 art454单端测序
    * j6 l+ N1 d3 ~/ F& Q2 k: d5 [
    ; d5 e6 {  G, c3 {& O! V# r图表 3 art454单端模拟结果
    - P' A" B2 n6 [. G0 g' e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
    3 D, k% J# g+ ~$ t% y下图为模拟双端测序,程序运行过程及结果 ! b0 \4 h, i6 Y

    0 @( m+ \0 w5 M  p图表 4 art454双端测序 * e+ c) o# e& ?! x6 f" A$ ^

    8 L# W9 i  E0 A- a0 J$ I% M' A图表 5 art454双端模拟结果 8 i  k9 ~6 V8 A4 @! @, A& s
    2、GenomeABC
    , d! Z4 }. u8 U" _8 U下图为设置参数页面
    5 p  S7 M0 _. M/ E& S3 P
    " s' H$ X$ ?# n( W( R下图为结果下载页面
    ; }  s6 w/ ^! X, j! X
    ' C" O' T' b& [图表 6 结果下载页面 # S6 j5 e9 C4 u: m' Q  Y' v
    3、编程模拟测序结果
    1 _5 \2 k; {2 g2 C5 F1 g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。 ' {# Y0 A, z$ _) K7 f' u
    单端测序
    0 P/ _0 z# _& V
    2 C3 a  `0 z( g! t7 f( d. t图表 7 程序模拟单端测序
    2 P" [% L5 H, b3 |- Q双端测序 % S0 `5 H7 m$ g- y7 r$ {! D* k' b
    3 {# o" k" m) {
    图表 8 程序模拟双端测序   p) p% Y- J% q# W, ^6 h; o
    测序结果
    4 v) w! [5 @* ^5 Y9 f( K( |! Z3 g
    5 r* c  A! Y6 m4 K图表 9 结果文件
    . X/ g( B7 G5 ?2 H+ Z6 m! b$ z! ~2 G+ w
    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。 ( [$ l* ]8 L  R; D8 x0 {+ S
    测序结果统计表% h+ e0 v8 U  m$ z& g0 y# Y8 ]9 S
    1 ~9 T5 j$ w, D2 s- t) }2 K
    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)
    + Z- e  l' z& e* k7 O2 p单端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        107378        50-100        101968        7645.541kb        0.62889        0.53318        0.46682
    8 r( L3 ~" a+ }8 P& }2 c6 ?! V单端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        213722        50-100        202996        15227.882kb        1.25259        0.28576        0.71424
    6 k& ?6 ^$ s$ N8 G双端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        106704        50-100        202770        15212.662kb        1.25134        0.28612        0.71388! Q0 Q, [, r5 B
    双端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        214212        50-100        407186        30534.265kb        2.51164        0.08114        0.91886
    " A9 r" H+ f8 B$ l四、讨论和结论5 I) D- H3 A/ s! U: o' o7 I) X
    ( c& u, a/ P( Z
    程序运行方法
    ( ]! u+ y; e. v4 I6 \& I6 V2 z; I& B
    ( D; d6 m/ K  T# e, ~- L在类的构造方法init()中,调整参数。
    + H! d$ i# X" O9 V3 CAveragefragmentlength为片段平均的长度; $ d' r8 b: z; z% i5 m
    minfragmentlength和maxfragmentlength是保留片段的范围;
    5 T6 b* w+ i( u6 _cloneRetainprobability是克隆的保留率; 1 |7 `: ]3 T& J/ U* x; P
    minreadslength和maxreadslength是测序reads的长度范围
    : i; Q. P2 s8 i! ^, R) V2 U' U8 d$ G( V) w
    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。
    9 q7 r6 I4 X4 a- ?& d. |* [& f+ ]  r1 x  p
    附录  q; s$ c2 O! V" K

    - x& E# I- p5 ~) Ufrom Bio import SeqIO( K5 `6 E: O! W/ W) m2 J7 ~
    from math import exp
    ; U+ X& c/ {. M- I; Z; f9 \9 }import random
    8 O" C% T: y5 c+ W& v2 d: l- m, \  [/ N+ l1 J6 U6 v
    class Sequencing:6 {) a( M( p- t; q; C9 ~
        # N代表拷贝份数
    3 B% s' L0 ^) h. e# G% a    def __init__(self)+ r- B% M5 Y# M3 R( y8 h4 z
            self.fragmentList = []
    4 V  R, H& W* A: w6 O* R& u        self.readsID = 1; M0 @) r) ^8 Q7 v; a* a
            self.readsList = []
    / z0 Y& P. W: H, ^, D) `6 P: q9 J        self.averagefragmentlength = 6502 p% u. p+ ]5 |& u1 `
            self.minfragmentlength = 500: ~7 Z: F: s, ~1 o* r7 H
            self.maxfragmentlength = 800- E0 H! v2 ^" b1 T% ?% ~8 R! h+ w
            self.cloneRetainprobability = 1
    ! L% O: V( G4 G; s9 J. }4 q; o# i        self.minreadslength = 50; q6 ^: R' |5 l3 c( d* C5 s, q7 v
            self.maxreadslength = 150
    " P6 z4 ]5 k, l& Y. c        self.N = 10" j  b3 F% Q" _! T3 s8 C0 A
            self.genomeLength = 0, k4 i7 {* [3 I( h* d( @5 e
            self.allreadslength = 0
    8 `+ E* e" w, @, H: [' c, Q6 m# f$ t3 s
        # 生成断裂点. [/ u* X3 t' {
        def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):
      J7 x. R( M, b, p        # 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); D1 N8 `; y1 }6 N$ e3 k6 F8 m$ }! M
            breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]
    ! g- l4 q8 m& @' q! X: A        breakpoint.append(seqlen)# a' ~3 ?7 {( v9 |
            breakpoint.append(0)
    4 @  ?* e& D8 A% T  @        # 把随机断裂点从小到大排序) a7 M; E  S' W$ P% l- Y
            breakpoint.sort()
    1 g& D2 `% d1 t2 c) v- N        return breakpoint
    9 S- H7 \/ k. @: V. O
    4 o6 @2 ~, O( g- O0 K    # 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
    ) J# k9 P" c8 G3 u* N$ O    def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):
    3 v- H8 `. u- w1 |' o. N        for i in range(len(breakpoint) - 1):/ k0 h& U) @5 U9 }$ a) n
                fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]
    / c9 h+ _4 N, F            if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:
    7 w3 v1 g" O9 y- E. E+ P  c                self.fragmentList.append(fragment)( Y' ~% I# h+ A7 ^0 n) J
            return self.fragmentList) g$ ^- c7 }- v8 a' n. u
    # B5 E3 L# }! y8 V
        # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率" i$ Z7 V2 v/ C) [
        def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):* H$ f# l4 f  @
            clonedfragmentList = []6 m2 w3 [" J" A% K
            Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]! m+ ^: n. l2 |
            for i in range(len(fragmentList)):
    2 h% I; p  }0 C5 Q            if Lossprobability <= cloneRetainprobability:
    . w: \6 D6 c8 F* E2 ], O  F# Y5 R                clonedfragmentList.append(fragmentList)& K. {/ n# p. s7 ^* A/ c% L; y1 P
            return clonedfragmentList  {& S0 j) I- |* S
    # v1 c+ J. g* {( |7 k. o; E7 R
        # 模拟单端测序,并修改reads的ID号
    ! T; Q- W1 o& V# I, G    def singleread(self, clonedfragmentList):
    , d+ x, I/ e8 Z4 G- H% C; h- r        for fragment in clonedfragmentList:. w9 x& r; O& G2 C
                fragment.id = ""
    ( e; r: H6 Z& w6 ?9 ]            fragment.name = ""
    9 \$ R& K2 [. |7 _            fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]0 ?- n( q# ?; U( [
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description
    6 g; s( P5 V) c" \' z& I6 C            self.readsID += 15 n1 |1 @4 t9 i5 ]  s" @
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)$ k$ g8 x3 t; w6 O1 Y4 B
                self.allreadslength += readslength
    8 i1 V  y7 Z9 U7 v' q  ?            self.readsList.append(fragment[:readslength])
    8 v, r4 j* l( |
    : U) N6 r/ w& ^/ T5 c* g4 I$ O9 I; T    def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):. d6 L: R: d1 p/ i4 s
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    7 z0 ^" w8 {( l            seqlen = len(seq_record)4 ]: V) V& y1 @. f5 l
                self.genomeLength += seqlen' i  ~6 J' k# g+ `' `
                for i in range(self.N):+ s4 u7 s8 O7 b, Q8 G$ U2 }6 u
                    # 生成断裂点) \) P3 V  q# f. v) ]4 u" H2 M
                    breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    $ U: Z7 i" [" r) \$ L                # 沿断裂点打断基因组
    , p' L+ i2 `+ a; I* V                self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    * @8 e, z: T" b2 D6 W+ e        # 模拟克隆时的随机丢失情况8 J+ q- u/ T* t. s" j  ]
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)  C' f( U2 |, E2 Q6 ~
            # 模拟单端测序: k% K+ \* ]& P& @
            self.singleread(clonedfragmentList)
    7 J; g2 v" g8 `' G        SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta"): w  O4 c' I0 K- s" X6 [& w# @3 u

    / n6 u( D- v8 P    def pairread(self, clonedfragmentList):
    3 }, v# p# s: ^3 W        for fragment in clonedfragmentList:# }) R4 R7 C4 {; O. V
                fragment.id = ""+ }. i! ~5 ~& x5 Z9 k
                fragment.name = ""9 j2 p# z' \( T, \9 D
                description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    ; J6 z' z, |. X            fragment.description = str(self.readsID) + "." + description8 e; c: f% \1 G  K
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    3 Q4 e8 @( N, C& \( h4 H  H1 \            self.allreadslength += readslength; L# R# |+ M/ k( F
                self.readsList.append(fragment[:readslength])
    3 O% L" p, p! ]8 U% k
    9 {. ~- r! w  U; W# k6 g1 s5 r3 V            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    / T- G9 Q5 \9 T5 p3 ?            self.allreadslength += readslength
    ( }( u: S" D. w# t* y0 h
    / v) @+ m! X6 U8 N            fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()/ V7 L. z( f+ m! t) i
                fragmentcomplement.id = ""6 E; n9 \8 C! d: Z6 Q" [
                fragmentcomplement.name = ""
    8 C: F7 \; P! I  S( o; l) m1 x            fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description
    1 I. F9 ?8 R2 S) ?3 r, l7 m            self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])1 E" C! m' [8 C* I0 Q3 g- E( o- O

    9 o3 d* j2 }, _* o% T            self.readsID += 1) ^$ a1 @1 m' x5 Q* h

    3 R' N7 ^! W. G3 ?    def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):
    # s" l  t! J$ X( U* c& l$ D, W        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    " S+ k9 ?0 M  @6 b  o+ y            seqlen = len(seq_record)
    1 ^; l, H( j4 j) Z; G& C" q! {5 y+ N            self.genomeLength += seqlen
    $ g2 p0 Y3 M+ M            for i in range(self.N):- Z0 `. M  ]) E" f# O4 L4 b
                    # 生成断裂点
    ( [, }' Y& ~  `# S+ h4 q) c2 ?# v                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    0 w$ g, q2 ~' ^4 ~6 P6 e                # 沿断裂点打断基因组; e9 y# ?4 k5 C5 `
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    6 Y7 f) ]! e) q8 H) u: A2 H1 y        # 模拟克隆时的随机丢失情况; v1 f' M$ n6 J9 [
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)2 h+ o" \' ^% h6 @6 D
            # 模拟双端测序
    . {- u: i: O/ {8 B' J; V$ R! b        self.pairread(clonedfragmentList)
    & ^5 P( |  D( u- [        readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0], S8 k, @* Q: b- O7 _5 K
            readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]
    0 R0 Y- b: o$ U0 b        SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")  k  I. `, a" K' K4 f
            SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")
    , L7 I, D9 p1 @* i: x9 n. L$ j3 W! W+ P, K- e5 I& Z+ c
        def resultsummary(self):
    ! @9 l+ |4 }* N, f+ e' B$ a+ j        print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")0 y! \7 B; N* ?/ z$ D& T
            print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))
    3 k$ {- n/ v/ S* P0 L8 ^        print("N值:" + str(self.N))
    # N% `' ^- p* o0 x        print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength)): d4 C0 K; Y0 {- b, W( O3 S6 G
            print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))3 ?3 F. U' r# |6 {
            print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))9 F1 K# w# H# L$ |, q# u
            print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))4 v4 F+ o; y3 E
            print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))
    8 W  ^# Q. P# ~1 m3 i# s        print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")
    % k# s4 N4 y' A        m = self.allreadslength / self.genomeLength
    & u" p4 k# o3 u        print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))7 A* K0 T' x3 S5 y
            print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))
    ) M! ]# c& F- @( \1 u        print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))
    9 y9 X1 R8 A4 Z. p/ K5 I* s# -------------------------------------------主程序-------------------------------------------0 D9 A  ]! }) n  _# e
    # 模拟单端测序
    0 y8 r& r4 C5 n1 A# c. j% m+ nsequencingObj = Sequencing()
    0 j  z7 W' R! A) w% B! gsequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")
    7 Z5 ]7 u$ J1 D* @, WsequencingObj.resultsummary()! F- O9 o: P9 B' Q! f$ A; B
    4 D7 f: W% X. P
    # 模拟双端测序$ ^8 D7 A% z9 X& f, e8 p' h0 [
    sequencingObj = Sequencing()8 }* s+ T4 g, ~% T3 O8 F1 G4 r
    sequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")* z6 O% r# w" d* u2 \3 n& K
    sequencingObj.resultsummary()( U7 a! [% m* O; {9 b' T
    from Bio import SeqIO$ M2 q$ S. G  l; t" a1 f& b! a! J6 K
    from math import exp
    . Z  d/ O4 J+ E2 u$ n  Z) zimport random
    0 r4 ?) c+ a' q8 B% q# E# r, W& B, U( X$ R0 o
    class Sequencing:- q6 K% U+ z8 Z* s3 Y
        # N代表拷贝份数# v1 u- p( i: _" s" b8 [! q
        def __init__(self):' T% g. Y+ y  [( P6 E) r
            self.fragmentList = []
    8 [8 E3 K! b8 K        self.readsID = 1
    9 Y8 v; c8 `" Z. p& `        self.readsList = []
    # }9 o5 H6 ]1 ?9 @% \: b" x        self.averagefragmentlength = 650
    ) Q, H  f4 @- W+ g3 c  Q5 f6 j! n        self.minfragmentlength = 500
    / }1 n1 {! m) l+ t        self.maxfragmentlength = 800. i0 d: P, @& V4 o4 ~0 t. J
            self.cloneRetainprobability = 1
    ( ?5 K0 R) |! Z2 a: K        self.minreadslength = 500 J8 [/ h, X. h1 J4 `
            self.maxreadslength = 150. }4 o: o  T; k% `% B( J
            self.N = 10
    7 m" N% i' A3 R. n2 W' _        self.genomeLength = 0
    9 i; Y: d9 b2 u9 x7 ~        self.allreadslength = 0. n+ {  N1 S( N
    6 g" W' V; l, g, G/ B
        # 生成断裂点+ \' ], `0 s8 f& _3 R0 W7 m9 C0 t) H
        def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):% A5 M, Z% M- A( J: L4 h6 J
            # 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)
    2 q! l: C! e, ]) x  }1 b& V, O        breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]4 I# ]4 B. {1 j7 m+ Z) ^0 Y8 X
            breakpoint.append(seqlen)
    8 P* s) s; X. |% D3 P  C        breakpoint.append(0)
    . z# T3 G9 N! @        # 把随机断裂点从小到大排序6 v  d' R; c1 j0 n' L
            breakpoint.sort()
    - p  W/ p# B, N8 a        return breakpoint: x% b% \7 t% b. H, ]! j( _

    ' i  [" T+ Z/ H8 Q1 o' C. h    # 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
    8 t, H+ H( n  Y. k7 B2 A    def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):
    / R) e% {; W* L        for i in range(len(breakpoint) - 1):4 l) d# _0 ]: y4 T6 a7 b
                fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]], o1 a( t) P3 d
                if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:
    * p7 P8 Y4 A/ k                self.fragmentList.append(fragment)4 J* d) o3 @0 ~6 \' G7 _
            return self.fragmentList) V9 A' V8 H4 F5 @) t+ V! b3 [. x8 l' d

    " H7 l" x0 @$ e3 Y3 K    # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率
    ; X0 U: c7 ]8 a! n' x    def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):$ y2 y& I" d- P' G6 v2 F5 e
            clonedfragmentList = []. `# R( F' Y2 y& U) }
            Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]- z: ]; f3 T* t* o7 v
            for i in range(len(fragmentList)):
    : f; A. w8 ?: o# r) G5 Z            if Lossprobability <= cloneRetainprobability:
    4 r9 c% f3 x/ w                clonedfragmentList.append(fragmentList)
    ' m" B) T7 J0 H0 y7 h        return clonedfragmentList4 B% E  O3 O7 X- y4 G% R3 K

    $ @. b  L$ u1 }* U$ s( ]# k    # 模拟单端测序,并修改reads的ID号
    9 P* i4 x4 e; k5 \* s/ d: n, L: i3 X    def singleread(self, clonedfragmentList):
    1 t, b$ p, t5 I  A# }. j3 S        for fragment in clonedfragmentList:9 d% X$ u8 ^1 U2 \) G
                fragment.id = ""5 G* C2 L' I) g- s- A
                fragment.name = ""4 I7 J; ^* x1 G1 t
                fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    ' t/ c- y. A  N/ L% X0 y            fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description3 F, E) s+ ^- |. z& C$ ?
                self.readsID += 19 _- n! h9 D3 o2 V; A$ `
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)5 y2 C. P5 W% x8 v8 [2 f+ J
                self.allreadslength += readslength
    , ]* W: Y+ M: H9 A            self.readsList.append(fragment[:readslength])
    ; \; k( H. n/ }1 z4 l+ v9 M, f( M& s# Y+ [$ N5 X9 `# B
        def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):
    . d  x* V$ f' e        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    0 ~/ _" \, @' w% ~! E2 l1 B- ]3 a            seqlen = len(seq_record)' w# \3 z4 M: c  N9 v, _
                self.genomeLength += seqlen6 k+ m% s/ R1 D3 }
                for i in range(self.N):
    / K+ \9 R1 Y# c1 ~; Z3 n                # 生成断裂点
    * U$ Z" }& u& `! @                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)6 l8 T# o$ w, p/ _* t% x  U, T
                    # 沿断裂点打断基因组4 o0 k4 [7 j; \8 Z+ O% Y
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength). p/ v! K; B$ G. B1 v
            # 模拟克隆时的随机丢失情况3 Q* P. t9 R& i& ~: M
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)
    ' \1 U$ s# P4 ?$ D. k        # 模拟单端测序
    + Q, ?5 x: g# R& k2 T: R' m+ D        self.singleread(clonedfragmentList)
      R8 G0 V( N/ R2 f# n& i6 y0 W/ O        SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")! K+ h/ ?6 I7 a5 p5 T

    0 ^% p6 }8 l5 \    def pairread(self, clonedfragmentList):
    9 `* c/ f3 T! ~' K% f        for fragment in clonedfragmentList:: e% u4 |3 s8 a: Q9 U) J; O+ F
                fragment.id = ""( R# w8 X; j( p$ v
                fragment.name = ""  u% J% Y- M$ Q
                description = fragment.description[12:].split(",")[0]# ]1 ?$ d, W3 L; I
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + description
    * \9 A! |, I  I( B" r7 ~4 x            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    4 ~% X) F3 }/ z; K6 q0 Z! q- l: [            self.allreadslength += readslength5 T$ N0 L5 ?, E8 Y
                self.readsList.append(fragment[:readslength]); v- F3 Y: O" ]& ^' E/ A
    & Y7 q( {2 ]$ ?
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)' v' R( R* A3 z
                self.allreadslength += readslength# {' w- B* R& @% S

    . n* k6 F" D1 `            fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()
    : A/ J. i/ @9 U" ~7 ]/ I; Z4 q            fragmentcomplement.id = ""
    / K7 E# H5 d( x* ^& M% ~& @1 Q, c6 K            fragmentcomplement.name = ""1 e5 {! x; ~5 o1 x  D
                fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description8 v; Q$ }1 k# C
                self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])
    # c# `# e- C4 j' A5 O! d) O' a2 s- ~- v9 T7 X- @4 ?
                self.readsID += 14 y3 m* X% H( N0 @

    ( S3 @+ W+ B' b# r% `$ `    def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):
    , v. X3 ^! @7 ~! ]3 ~' S8 F        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    + l5 @. j2 }1 ^            seqlen = len(seq_record)
    - g, h) v. Y! G3 I            self.genomeLength += seqlen
    " ?  j$ _; S* y9 S* `            for i in range(self.N):+ [% @) D) ]# O# x; U' s
                    # 生成断裂点
    1 [8 G5 y# L) c4 ]4 K                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)" o' |7 V. t' w: W) B3 u: r
                    # 沿断裂点打断基因组
    2 V5 v& s* W9 p$ Z/ U                self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    * [# d8 B- G2 |' W# p        # 模拟克隆时的随机丢失情况6 {0 l/ `6 D& j. }" B; [$ }
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)
    ( z: q4 ^6 t2 M, T        # 模拟双端测序
    6 M/ A# v# H# R' p4 I( s        self.pairread(clonedfragmentList)2 y1 c, x- V7 T* W5 S" E, Z* G
            readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]
    9 s  d$ v$ P4 C$ W  u3 |        readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]0 x/ }0 D! b( a* a7 `( N
            SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")
    ( W8 _; H. c; n        SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")% @* ~+ o6 o9 [- q5 I

    ; _! R, ^# K7 u3 ]  m& O    def resultsummary(self):7 t/ i5 g& `8 Z' H, \1 r  P
            print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")( a7 u& O$ l3 @2 K- T+ Z
            print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))1 K1 F$ _2 }* U' ?0 ?0 o
            print("N值:" + str(self.N)), c1 ~' D  Q2 E/ X; }$ B
            print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))5 f, t5 X' p# u6 Z
            print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability)), M2 [4 _" f0 L, B( j
            print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))
    3 }5 Q* M: D+ b9 P        print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))2 |9 P( h0 _0 P
            print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))  m  S& h" s  E1 n9 E& k
            print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")0 x' I  ]; p0 [/ i: x) v
            m = self.allreadslength / self.genomeLength5 j* m* x% V4 G# V$ Y
            print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))  m6 Y5 B% Y# M6 Z& h$ O5 T
            print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))& @( W+ R7 Y7 O3 {6 |
            print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))
    - O/ C: U$ R2 `# -------------------------------------------主程序-------------------------------------------
    + y/ v+ \+ Y" ]" H/ l( o# 模拟单端测序+ [. ?% z* A) l* `5 k5 [1 j( n0 j
    sequencingObj = Sequencing()3 H( T- R/ C" Z
    sequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")
    3 j# K' d* p3 dsequencingObj.resultsummary()
    & `0 N8 a  e# u  V  G2 b+ U
    % Y' G* c* u% f  E$ z, r& C& O' v# 模拟双端测序
    3 B0 y& f1 j* s- W9 G! O/ C+ z* a1 vsequencingObj = Sequencing()$ g& C2 U  L5 V5 O" s/ e
    sequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")5 u( x* m: V$ R% P$ s# l
    sequencingObj.resultsummary()
    / U% I( g( D& n# W( }1 s% o/ [- `8 M6 g1 {: S6 i0 c! v  \
    ' ?* f+ M1 J! K5 N5 P& \
    ( J, d! a/ k( n1 G4 g# R% S
    + r0 _/ M$ [( U! k* H% z# _

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