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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
  • 签到天数: 17 天

    [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! h1 A7 d; k7 g- t: Y  Z" g( B6 O
    基因组测序模拟% S$ e( D& E: v1 P) p, Q
    1 Q6 s+ l- F3 E' D% Y$ j5 J% F! J
    一、摘要
    " j' }( u5 F3 R  p, u8 `; f
    $ k8 F# |0 W! M1 f. [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
    5 W$ l% N/ l' Z9 ^7 Z, j+ E6 h- U& f; d) w. A9 f- \- k1 r
    二、材料和方法0 G. T' ]/ d, Z* D! `+ n) |
    7 N2 a" B# ?9 x5 k  [; y. U* E1 _
    1、硬件平台
    9 [& O2 t* _+ M# C: W& w7 z# _8 n4 q7 V1 W( V; I  F
    处理器:Intel(R) Core(TM)i7-4710MQ CPU @ 2.50GHz % s7 ^& Y, m+ T9 K
    安装内存(RAM):16.0GB
    + h, l2 z/ S, u; a" g0 Z
    3 {7 g+ @, z) }. K% K2、系统平台
    : c. k4 y! Z% k: G; I+ hWindows 8.1,Ubuntu
    " ?* \5 i( q; y& x8 @" T( i0 p& k  @( D
    3、软件平台& L! _- \) e6 ]" a5 }0 p, d

    8 U- z, L+ b1 ?. J& z, ]: S1 ^art_454- S! {% }6 J& R  E; A
    GenomeABC http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/# z: t# ]: E# Y( j! T
    Python3.58 A/ z) X3 H+ y- U
    Biopython
    ! B, h3 _# D! H; G$ e  d; n$ l& V4、数据库资源- ]! a' l  [  I* q6 c

    9 m: G: R- c5 |$ O) \3 oNCBI数据库:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/1 B+ l! j3 A8 `1 j+ U4 r6 Q" `$ q
    0 J1 K! D: r7 `
    5、研究对象+ N9 B) ~: d1 c

    * d( J5 E/ G$ |0 m' W酵母基因组Saccharomyces cerevisiae S288c (assembly R64)
    9 m# E" V1 L' ?& U( j/ fftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/all/GCF/000/146/045/GCF_000146045.2_R64/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna.gz
    $ J; k: ?5 ^) Y# o6 Y2 A- h% U8 b' q2 W" p& k) H
    6、方法
    . C( Q9 I6 U/ J/ o) w) u
    5 y2 o' v. o, s+ |# T5 Z. O  Aart_454的使用
    ! d0 |7 f9 M3 ~  u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。$ g. i3 U# r9 f* @+ P
    GenomeABC 7 }6 w8 A; ~8 C4 b
    进入GenomeABC(http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/),输入参数,获得模拟测序结果。, V0 ]4 Q: ?  N
    编程模拟测序 % K2 T: j6 a+ h. ?8 l- e" I8 }
    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。
    % H# p2 G2 \0 \* H) N- c三、结果- a5 F1 ~- @6 B- y

    7 @: U# R- k. N( O3 N1、art_454的运行结果
    ; N; e1 \; |) P; ?, q7 A5 u
    & j3 y) C0 \8 h* G: j无参数art_454运行,阅读帮助文档   ?9 O+ P! c1 d9 s* w* ]! E

    9 W8 A- K0 w: m% J4 c* U0 l& x图表 1无参数art_454运行 % g) G1 R9 v; n) `' d$ {$ r
    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. 5 |( @1 G2 C7 n6 {: N
    下图为模拟单端测序,程序运行过程及结果
    $ s0 S" o! w* ^3 ~7 J; r& A: j: k$ ]# H, t
    图表 2 art454单端测序   {) m2 b. G' ~, h7 T$ H
    5 P  i) H& \# K5 U
    图表 3 art454单端模拟结果 6 y( I) h" |* Q( ~% P% q
    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 0 V$ _1 K! L; z+ I+ U# j% }
    下图为模拟双端测序,程序运行过程及结果 % _# P5 B1 Y% j5 C8 {) r7 |# k( a7 N2 o
    # y8 n1 @" N8 R/ l! N% ~4 G# F4 d
    图表 4 art454双端测序
    1 f6 h: A2 l& ?
    & i* [0 O  y9 \7 s图表 5 art454双端模拟结果
    7 i( `4 |% d& k3 V7 k2、GenomeABC
    / F: t, U9 o  }下图为设置参数页面
    / y9 }6 i* L1 B! ~7 E+ s' Q( H' k4 j* n+ E0 p, z9 y
    下图为结果下载页面
    8 ?6 h6 J& V2 S  X& ^* O. F0 R; Y5 Q9 L, _& d! L- b) ]( x+ o
    图表 6 结果下载页面 - L6 t* P$ A( c# e7 y
    3、编程模拟测序结果 ! T3 g7 O% v# T3 v# f0 w8 ?3 o) 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。 - Q0 {2 w, ?# u: J* P: J( W
    单端测序 ' j. h& ]. n3 k# f0 I3 r

    1 Q5 f3 I* O8 ~# y  ^* h& |6 l0 I1 s图表 7 程序模拟单端测序
    - F# s& m9 g, V. }& z2 T# o双端测序 1 n3 J$ B" _; D3 k3 P# x# v3 S
    1 L! e* N0 ], |- A) k. G
    图表 8 程序模拟双端测序 4 m" Z& W6 F1 t  f4 `$ }
    测序结果 7 Z: y7 [4 N/ n. H
    0 M. o% d$ \) w% I* h/ i8 M
    图表 9 结果文件& H$ {0 N2 Y: X$ g" @4 ~
    % ?$ _; V" `3 g3 j1 [" e
    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。
    5 J2 V5 T/ y3 V测序结果统计表
    9 ]; e4 J* i4 C% R) Y
    6 F9 K7 W9 v* s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), M& ^6 o- Z  d& e
    单端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        107378        50-100        101968        7645.541kb        0.62889        0.53318        0.46682; Z1 z: H9 @9 H! e
    单端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        213722        50-100        202996        15227.882kb        1.25259        0.28576        0.714242 I3 S7 @7 v; Y6 t- l9 G/ j
    双端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        106704        50-100        202770        15212.662kb        1.25134        0.28612        0.71388
    7 v  @4 }" D- M& L% P: b双端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        214212        50-100        407186        30534.265kb        2.51164        0.08114        0.91886
    3 Q) n8 {8 r' m! |四、讨论和结论
    + s* ^6 t& d( i* Z0 x3 |" }2 w. s7 H' @
    ; Q/ \' b7 ~' ^2 }程序运行方法
    : W$ Y$ [( a3 C% o& G0 ]' L
    . N: F9 G$ L; |在类的构造方法init()中,调整参数。 2 \) q4 s6 a. F# q4 q+ A
    Averagefragmentlength为片段平均的长度;
    & Z+ h. X( c. v# v; Sminfragmentlength和maxfragmentlength是保留片段的范围;
    0 d) j: E  P2 |4 K0 j9 McloneRetainprobability是克隆的保留率; ; R% l9 a5 |4 X0 r
    minreadslength和maxreadslength是测序reads的长度范围" B: a* `: g! T+ [4 r
    # ?  D! N+ _. _/ ~( ?, x& \
    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。
    # U" U; g0 u* f7 h; Q7 c5 i& ?2 U3 l: a: U
    附录
    9 a( Q3 K8 w6 U! Y+ K1 I( T$ U
    % X$ M( D0 r9 m+ ]from Bio import SeqIO$ y1 @: v9 P& S: {8 S9 I
    from math import exp: T! ~4 g7 R6 p8 d
    import random0 L$ s  W7 f8 d" I( b
    5 c2 I  R) i1 |
    class Sequencing:
    ( Y9 d0 }6 J, `$ I7 I    # N代表拷贝份数7 L9 `( e6 d/ S
        def __init__(self)
    7 `, k/ X, W, V# F) N: g        self.fragmentList = []
    * k, c6 u& r, P        self.readsID = 1
    2 S; h* T2 E& G9 e        self.readsList = []
    7 N* C' ~" Q$ C4 |7 F* D9 ^- {        self.averagefragmentlength = 6503 W5 o' D0 ^& w( K- X6 N
            self.minfragmentlength = 500
    : W! b( E, Z! \( D! \: W- |/ Z        self.maxfragmentlength = 800
    % Z- G: L, B5 e" H; c  L' X        self.cloneRetainprobability = 1/ R( v; U& @  _- U  X. G
            self.minreadslength = 505 U4 O9 x0 n$ \
            self.maxreadslength = 150
    ; O* u3 s! |* {9 V/ T) l5 ^1 r        self.N = 10& X# X" b) ~, Q
            self.genomeLength = 06 A2 H* Y7 @. F3 c
            self.allreadslength = 0
      d  q: J! G5 F' ]( S; q! f. V0 H2 i6 Q
        # 生成断裂点2 o& H$ O7 b, i
        def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):
    4 u% `8 l! E# z0 w* z0 j& }9 g        # 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)
    * r$ `* n' |! i6 Y2 F        breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]
    6 y: v( P' t3 h& f- G        breakpoint.append(seqlen)1 [+ @/ [1 ^. o1 E' b
            breakpoint.append(0)
    5 ~1 w3 y4 y9 ^# m, B; r, I3 {        # 把随机断裂点从小到大排序
    6 G% d: J# N! W9 V( K        breakpoint.sort()
    6 t5 P2 b( e( a        return breakpoint( u: g9 `/ t% G7 @

    7 z6 \' J, A/ 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
    3 |! y* I2 |( ^) T; X    def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):% D" ?* x4 j/ c3 j9 `
            for i in range(len(breakpoint) - 1):( \% L+ i' ?2 T& M+ A- ^  x8 `* `
                fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]3 ~0 Y! @3 Q+ g1 m/ x: E
                if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:% D( m- ^. Z. u' E# |$ B
                    self.fragmentList.append(fragment)' R- P% X' D/ |
            return self.fragmentList. c, [& S! ^( p* C8 z8 @0 r- v
    ! V2 {* Q0 F. U3 U  ?
        # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率8 m1 g7 H' M/ |  ~! Q9 D
        def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):
    5 k  v5 k' A" g7 n" H2 \        clonedfragmentList = []
    ' T6 [2 j% m0 p# e  Y3 ?, K/ ?0 ~        Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]
    7 }: B6 w4 O/ s: h- }% V3 f        for i in range(len(fragmentList)):
    0 V7 a. i, f( U* P, \& S            if Lossprobability <= cloneRetainprobability:- f* d! w1 [1 I: P! K: [
                    clonedfragmentList.append(fragmentList)
    1 F" g. s1 d8 V$ {        return clonedfragmentList
    ! B7 w5 r4 J& H# x8 ^' F, Z/ ~- A( h" N2 P
        # 模拟单端测序,并修改reads的ID号
    8 [$ P+ m! s" u3 u# T3 [8 B+ O    def singleread(self, clonedfragmentList):
    ' q$ s5 h3 c( [. c8 O        for fragment in clonedfragmentList:
    , q3 B6 ?4 f* _            fragment.id = "". k# {* l* ?' L# L; |3 ^0 r. m
                fragment.name = ""
      E, ?2 }5 H5 \9 d7 x1 r            fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]* m0 D. k7 ^# c9 d; b. Y& I
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description  h2 v* J' ?, t! |
                self.readsID += 1# O0 w: k% m5 \9 a0 n  ^
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    ' b, s& E0 B# e' t9 M            self.allreadslength += readslength
    ( v4 ~' L- D3 H; P4 v1 d            self.readsList.append(fragment[:readslength])
      T: _5 a7 j  L7 a7 n" \
    ( G- ^  m! k3 O8 g' a2 A5 B    def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):, C& u7 ]/ O, w) j& G$ J- b
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):; w3 g4 U! {6 Z6 v% G/ D$ g
                seqlen = len(seq_record)$ H0 L8 `3 x% h+ P  g4 W1 }
                self.genomeLength += seqlen5 A5 S8 ~  x, _) z' h! j) S, Z6 ^
                for i in range(self.N):
    3 O; o$ i$ X* @                # 生成断裂点
    ' m3 m' f5 g  ^& ?; A8 |                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    & u! U# t  B2 G6 ~" i0 j                # 沿断裂点打断基因组+ c3 A" C0 M8 C  o* p1 y' `
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)  ^! x7 Y; E5 z. G" V
            # 模拟克隆时的随机丢失情况3 C/ D  C' d8 }* w* `& `3 N
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)5 m" |1 o& O' N& H5 Q
            # 模拟单端测序! q) {* G' O! J9 i) X" w& j1 D
            self.singleread(clonedfragmentList)
    5 ^' G- r& U1 G$ @% u3 `        SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")
    ( h" E% z. y6 u! V% u* j& R. c
    3 T" r# f: [4 c. F    def pairread(self, clonedfragmentList):
    ( ^" Z5 u! G7 o; j& O        for fragment in clonedfragmentList:7 ~5 v# y6 t/ u$ H: m, [9 |
                fragment.id = ""+ V' a* c' y/ r! F) G! k
                fragment.name = ""
    6 D  K! G* l7 N, J! o& S6 X. T' P            description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    ! p& H! F+ ?7 D8 q, v) H$ ?            fragment.description = str(self.readsID) + "." + description2 G( Q) K  w6 U' E# v, C; f
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    : Y5 p9 Q" u4 a. q7 H* R            self.allreadslength += readslength4 _: R; f1 Z* d2 w$ b9 d0 G& B
                self.readsList.append(fragment[:readslength])
    8 o1 d& Z& w. @+ M; ]0 ?
    ( |' h, {/ i+ _+ k- x1 E            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)1 \) k9 f. P# f( g& w  q& m% j, e
                self.allreadslength += readslength$ q! s/ A' |: J. @

    & w+ j% \( H; `" @: y3 e            fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()
    1 ]- H' U; y- q% V' Z, E0 C) s            fragmentcomplement.id = ""
    ( c) N+ y! J6 {4 c6 X  M) F2 x& c            fragmentcomplement.name = ""' l) s* d% ], e; P0 w0 I  @+ @
                fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description
    * B' T6 C; `$ ]' ~. s! o: T5 Z            self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])) b, L8 w8 q# F: e1 {2 g  W
    ' x8 n( o9 o7 W$ k- H
                self.readsID += 1
    * e2 }/ [) L: k9 @0 X* w8 U) r& `( l
        def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):
    / N6 C7 _* Y+ P' `% l! y+ n. [) J. T" W        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):7 ?3 i6 T# W/ Y$ T
                seqlen = len(seq_record)
    : ^% e4 P2 j, H3 q+ p' [  D7 U            self.genomeLength += seqlen, U- g" S  V8 }' x( b! }" p3 u* h
                for i in range(self.N):
    $ s- P# }6 o4 Y1 M$ |/ \8 n8 ^* k                # 生成断裂点
    7 K4 F; H$ p  |, ~. N4 X                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    0 E- P( l, U* I1 c* d. A& z                # 沿断裂点打断基因组
    2 Z( N, ]! ~7 {! c: @                self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)/ P4 ^7 \3 m* [
            # 模拟克隆时的随机丢失情况
    , n0 {: H7 L( c0 v. Y        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)
    ) ~- c# u" F- Z        # 模拟双端测序
    9 p- _, e1 A4 f9 [) i        self.pairread(clonedfragmentList)
    1 ]  y  o3 F' k7 k  u5 U9 I/ I/ D        readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]
    0 z9 {4 g5 @, ], U  @+ L        readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]
    ' Z% f1 k) R1 r1 \        SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")2 l  s- t+ u& ]3 J  Q
            SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")0 K; {4 h  |7 V! W
    1 q0 m+ I; A; Y. ]
        def resultsummary(self):
    $ M* ]8 k1 v% r/ G) ?        print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")5 {9 c- Y9 j6 O; O9 J, {! y* N
            print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))
    + J4 f' `# P# s9 n. `. v( v8 i. v        print("N值:" + str(self.N))5 f) D! Z, j* c3 d! |
            print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))% ^- v4 Z# m" T7 Z4 S/ J
            print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))
    4 {. L" Q  Q6 u' |5 ?! ~$ ]9 L        print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))4 |# ~& s+ J' Q. V: W5 M
            print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))
    7 s* C5 u. |& @$ h; L! N3 B4 ~# e5 B        print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))
    + y! ?8 F; C* I" N; s- I/ Q        print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")1 |% ?$ ^! x8 x+ M+ T. ]& b
            m = self.allreadslength / self.genomeLength: q- }3 _6 u, G% ?/ l5 O9 B
            print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))
    " b  n+ G) k4 o. \' h0 K# F3 }        print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))
    # P, m/ e& R9 K0 z7 z" B  F; W        print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))- y( [' ^, ?# |
    # -------------------------------------------主程序-------------------------------------------" U$ B! T1 X* F
    # 模拟单端测序
    / g4 C) Y& r( s7 XsequencingObj = Sequencing()3 L' o6 f$ |4 w0 |1 s& B8 G% e/ f
    sequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")" E, h/ ^4 x5 j' c
    sequencingObj.resultsummary()
    4 M0 K0 w; a  A4 v, T
    9 q+ {3 `: y$ l# 模拟双端测序
    8 h6 a+ U2 z1 I1 v  |. LsequencingObj = Sequencing()
    ' @0 F2 {; [% c* H  z, E, GsequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")
    ' @% A, s- O, d( lsequencingObj.resultsummary()3 ~, x& c( T* W& ]" C9 k2 p
    from Bio import SeqIO
    # l5 z& v. l! z8 _from math import exp
    2 Q- L$ u& N# O/ x6 Wimport random
    6 {4 Q, f$ ?# P# V6 v$ O- j+ ^0 a4 ^6 w! n  D
    class Sequencing:* ^/ _; p) F% Y  c$ _1 B3 G
        # N代表拷贝份数/ \2 G3 n5 X$ p9 ]8 C9 \
        def __init__(self):
    8 @8 W3 {, |5 I; L6 i. V        self.fragmentList = []
    6 ?; Q% w8 p" H        self.readsID = 19 f. a' s! |* N* x' ~6 a6 q
            self.readsList = []& |, X3 s. i/ {, R8 t) K/ }
            self.averagefragmentlength = 650% l, m& d& o: ?  K& j- ^. `
            self.minfragmentlength = 500) ^9 G% |' j, g. Z# y
            self.maxfragmentlength = 800+ n1 u. h0 H3 ^8 [
            self.cloneRetainprobability = 11 ?5 H. H( |7 K
            self.minreadslength = 509 r6 g* `3 U! s$ B+ _
            self.maxreadslength = 150) m% c" ]9 K' f4 d( R  {: E
            self.N = 10
    - N6 U: G( ^& S: ~- l        self.genomeLength = 0; n7 y. |6 {2 g( P$ j
            self.allreadslength = 00 ?+ X& d! i# `  F) a7 c

    1 h& j3 `5 }5 w, }' ]3 q    # 生成断裂点+ W# [% E" k; C( T9 Z$ M
        def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):
    3 @8 A, i2 P) }) G% o6 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)
    + N3 ?3 M. H$ m- Z" T# `        breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]
    ( u* f' H/ g$ M- h& \        breakpoint.append(seqlen)
    % G. q) F6 C% q: J0 p1 Z        breakpoint.append(0)) x" L- v& B* B& B( }- Z" [) |( a
            # 把随机断裂点从小到大排序
    7 n! R) D2 R, l        breakpoint.sort()
    9 A  ^+ S6 ?" p+ g2 K        return breakpoint5 J) m1 }" E& x, B# _! T
    , R/ o' C3 ?0 S) U
        # 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
    : V: r1 j& e, f    def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):: \$ ?) U* y- F" a4 ~
            for i in range(len(breakpoint) - 1):+ F9 k* A7 _& h" M4 G" K
                fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]7 o/ P. X, L( M- Q
                if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:
    " n- [! M3 U' D6 ~/ k                self.fragmentList.append(fragment)
    $ W* m$ c) M( i' R$ V        return self.fragmentList# h; o6 r0 j" A$ O  s

    5 t* m2 W, B/ V' o( U( Q7 G    # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率+ j2 t9 L; F9 ?! v+ K0 h) }7 ?
        def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):
    ( e6 |) f" r8 j( \$ p+ @& o  }        clonedfragmentList = []
    5 s9 g+ C$ a+ z        Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]
    9 {6 M. |; A# n$ z3 G8 t8 H* R        for i in range(len(fragmentList)):. g7 q; h6 \5 m+ j/ l
                if Lossprobability <= cloneRetainprobability:
    2 v, E. V& Q$ N                clonedfragmentList.append(fragmentList)
    " M) x# T. T+ Y0 L        return clonedfragmentList/ i- E5 n* ^" C$ U' c) e( m1 o
    " v, `+ d' \  ~# T4 S) A: L
        # 模拟单端测序,并修改reads的ID号7 g* [) w6 {% i  R6 V, n% P$ ~
        def singleread(self, clonedfragmentList):* j8 z) s7 p+ Z6 M1 X
            for fragment in clonedfragmentList:' r& j  D# B8 R! w' x5 f
                fragment.id = ""
    8 T; t& F2 @! c( B3 f9 N& K            fragment.name = ""8 d1 `& [9 G/ @
                fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    ( t3 \: B# R( e( z3 s3 Y) Y- z            fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description
    + z& o  Q: o6 w/ t' u+ {0 i* M, i0 B            self.readsID += 1" m  T/ I$ @1 k" ^1 ~
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    * D+ J, ^% K; Z+ v            self.allreadslength += readslength. n' d& h( X) o. |/ W4 ~& U/ c
                self.readsList.append(fragment[:readslength])
    ) J& M; u" X9 P* o
    6 z$ t) G% v; l; K    def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):
    8 ~+ O' Y3 v6 {9 a$ P        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    6 r$ L4 ]% k9 Z# U. G8 ]$ E            seqlen = len(seq_record)
    " i" x# f- Q9 Y' ~            self.genomeLength += seqlen
    6 e4 m. `  ]1 d4 V) o            for i in range(self.N):) g7 p  r9 X* a; q. l! L. {
                    # 生成断裂点2 U: P3 [+ f/ U
                    breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    # ^% F$ C) A7 W$ y) Y! c+ H                # 沿断裂点打断基因组
    ( `; R8 {/ \% `$ t: M9 Z: Q; g: S                self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    ; ^% I" K/ u& g7 `        # 模拟克隆时的随机丢失情况6 j6 W; t" H" L5 v+ d# c
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)7 t" A/ S$ ?2 m( z) v5 k4 e
            # 模拟单端测序7 X4 m0 o  @# Y& L5 B; I
            self.singleread(clonedfragmentList)) {8 D8 U( S' Y
            SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")
    % N+ ^/ ]0 c4 [9 d1 w) Z2 x! p/ A7 i# A, e; o: Z2 Z) s0 ?. A' n
        def pairread(self, clonedfragmentList):' {, X# C& J! w# P0 A5 H0 x# d; p- j
            for fragment in clonedfragmentList:3 g. B1 p" y( J7 f. F6 W
                fragment.id = ""+ v7 |% ~/ x# a  g( K
                fragment.name = ""! ^$ w1 t3 ~% b
                description = fragment.description[12:].split(",")[0]; k) {$ n  r8 w4 J
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + description# \9 W  ?9 ^5 k, N- w# f! X7 w
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    . T$ l/ S: M6 }5 t# k            self.allreadslength += readslength
    6 S7 s/ B6 l( r; H' d! D            self.readsList.append(fragment[:readslength])
    ; v4 K& Z6 B9 n+ W0 w  }
    2 W/ j" T9 I/ \7 t+ Y            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)) z: L, B( D7 _+ ]7 W+ e+ W5 O/ ?
                self.allreadslength += readslength
    ' R. ?/ W: v( ?( N" D* k' K2 u( o/ C6 E5 e3 y/ b9 i7 m
                fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()1 I; |- E8 g5 B, \
                fragmentcomplement.id = ""
    3 h+ W, Y& k; r, f; u            fragmentcomplement.name = ""
    2 Z  |5 ^4 A5 ~4 w5 d- G4 m' S3 l            fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description
    1 f- U9 T2 a, j) o            self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])& D; t* q" s( n: k
    ' i! X5 H/ Q+ f3 A9 E
                self.readsID += 11 }# A; G/ d! d% @3 h
    $ h4 w" t  E1 d, G" Y/ K- D
        def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):
    ( {* `2 K6 ~7 ~6 p        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):. m0 b/ |& m/ k" L% j
                seqlen = len(seq_record)
    8 N2 [" Z; [4 s6 V            self.genomeLength += seqlen
    2 a1 O+ q7 S/ A% k* t4 t7 J7 k            for i in range(self.N):
    - [  v9 h( L# K2 ?2 ?# z, p( v                # 生成断裂点% Z* A; g* W9 T& e# R' X% C+ Y
                    breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    + H0 k7 n. W8 Y2 N, _) u                # 沿断裂点打断基因组
    9 v( m* _; d9 z4 o3 ?1 L                self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)* J4 K# `: q! q2 m. R. L+ K6 x
            # 模拟克隆时的随机丢失情况
    * b7 X# _% n; e: i; A: O        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)$ }$ Y; H( J6 `6 z
            # 模拟双端测序! r( K( S0 {  |2 W
            self.pairread(clonedfragmentList)
    ; A% B$ O4 I! p8 W  m- d        readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]* N# s: B2 u5 f* F: j( a
            readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]
    3 G  M$ W4 a6 k; E9 K; n8 W! T) i4 t7 p        SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")
    2 I/ T8 U1 Y" l        SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")
    + A! m! _8 S6 j9 m2 h0 A7 H+ O; l( s, M- ~2 w# K% c7 ^
        def resultsummary(self):
    . i3 M6 {; ^2 A$ N        print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")' b, K  \0 P6 y3 }/ H) o' h
            print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))$ z. O' `2 a6 d- y: d- F  K4 V% K
            print("N值:" + str(self.N))' E" U) J9 z+ V, x) r: Y
            print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))
    - O: p" Y; l! r1 ^" r; c! W        print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))$ r# ?% V* d8 Y$ u: O
            print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))
    % \" f! P" ^# l; r( J4 N" i        print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))% J6 n# E' Q- W0 x) Y* c
            print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))- l, t2 P9 ^$ _  L% E1 f' E
            print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")
    # N. O& d9 b3 `7 C, }$ V- Z* l6 @        m = self.allreadslength / self.genomeLength
    2 U7 I: ~  z) A) y6 M        print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))% M; A: F7 _/ G  [* s9 F( L% @" D/ X" N
            print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))
    - z3 Q2 V2 X. R* s$ {        print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))" x3 T6 B) _+ {  S
    # -------------------------------------------主程序-------------------------------------------
    8 }" P3 n+ g) I* W* t0 D5 R# 模拟单端测序" S! T  A, T9 J
    sequencingObj = Sequencing()
    3 k- y! b2 G3 x2 g( WsequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")6 `) w/ a; M' Z; K2 c
    sequencingObj.resultsummary()
    & {9 z) C" i' S+ x- |) D
    * m' ~: ]- d+ d9 H& D6 x$ @" u1 ^# 模拟双端测序
    5 R0 S, K+ T3 X" F3 R9 gsequencingObj = Sequencing()2 n6 T6 N: v, y/ d: I. G+ {; E
    sequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")
    # k) t$ J2 q" h' c9 XsequencingObj.resultsummary()
    9 Q4 ?  w' U9 @# Y2 F; i, k
    1 n. k7 C0 _  i/ ^
    3 z  z' X% `8 a
    ; }: H. Z" A: K+ J : d+ l' R, ~" |: B8 M

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