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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  R5 N. w8 ~" W, f1 B
    基因组测序模拟$ S4 u4 \* Y$ ^2 C
    ; {6 v9 U/ a  A, J
    一、摘要
    ' c6 m& t1 U& l6 d' `. I7 G
    * J2 }: k- v, ~6 ^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
    ! |& L( X1 x: g& M- z5 |, A4 m3 V# V. c& l
    二、材料和方法, D) f+ z  f1 \' F7 T
    % I! z7 J; U& K6 O8 B8 Y3 F
    1、硬件平台
    . F, d5 `$ {6 X8 i3 ?3 q. ~3 q- F  U  S( X. X$ j# |8 H
    处理器:Intel(R) Core(TM)i7-4710MQ CPU @ 2.50GHz - ?9 Z) g- D; i9 u
    安装内存(RAM):16.0GB/ i6 x' p" K" Y
    5 f9 e, @9 O& l* E: a6 i3 e
    2、系统平台
    " F3 O: o  k  q( n2 R: O: H. pWindows 8.1,Ubuntu1 z/ P$ t# `+ x- r8 ~6 c9 `5 D
    " Q* ]4 e# ?0 D! |5 v. p. {7 \
    3、软件平台
    ; \+ G( s7 w1 ]' K" N
    / r" E2 I7 {, u1 L+ `9 v$ [4 uart_454
    2 l2 I, u' Q/ ]. Q: S7 KGenomeABC http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/
    ( g! K. D* o( hPython3.5
    ' h( {) d; |- x' S- o7 b4 nBiopython: `5 b$ V) w) ^$ ?; q. {$ l8 v* x
    4、数据库资源7 U+ L+ [! Z" j5 `

    & i, _% N& f9 ~+ mNCBI数据库:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/- X  v/ p3 R: d% p: r

    3 ]1 [0 V  a! \5、研究对象1 r- @+ Y$ y% l/ d% S  M3 y
    1 Z) V0 C0 B) F, v9 x/ |
    酵母基因组Saccharomyces cerevisiae S288c (assembly R64)
    $ ^( y: t  _/ i6 `& m3 Nftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/all/GCF/000/146/045/GCF_000146045.2_R64/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna.gz% g# U5 X: C0 D. _/ k6 ?
    / }7 A# w: O1 u
    6、方法) o' c- _$ _, Q2 T) j
    ' P% p% r5 r3 ?
    art_454的使用
    ) x- q2 \/ F5 F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。/ `! M; A4 D# ?6 g( j0 r$ |1 U
    GenomeABC
    1 I& ^, O2 ]$ y( Z- R进入GenomeABC(http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/),输入参数,获得模拟测序结果。
    " w! p, h1 x4 R! @$ |4 i/ U2 u编程模拟测序 & H: }1 ^1 k" Y/ Q. Q* i3 Y2 Q
    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。
    . j& e" Q8 r, p三、结果
    % {: d) N, O" z% N3 i' [$ E7 [$ X8 k2 C! v4 ~. ]( L
    1、art_454的运行结果
    ) p" K" B, ~' _* i$ v
    $ _4 i: J2 s' [  s( D  n0 a# D无参数art_454运行,阅读帮助文档
    : {8 |# [; j  w% ~8 Q. q- W: {) e1 Q" Q* R( m, ?" ]5 T
    图表 1无参数art_454运行 2 h, w! |( V+ q5 ]9 R* q/ e
    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. : F9 R% S- ~; r9 u0 `- T: Y& y' x
    下图为模拟单端测序,程序运行过程及结果
    / I" X9 A# K7 H
    4 D5 H+ K, u% B图表 2 art454单端测序 " {2 G( S9 c3 d, n3 F% |; R' N, u. s3 o
    % U7 f: ]& }* s
    图表 3 art454单端模拟结果
    $ b6 H! _& n, Q3 ~7 J, ]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
    : a7 Q' H6 T8 N% s$ }8 Z$ _) d下图为模拟双端测序,程序运行过程及结果
    : X( I3 v' H9 I+ a! }) H* |% R3 j) g* M" K3 Y$ z7 T
    图表 4 art454双端测序
    ) X8 r6 e% K" u6 V1 C
    5 E. H1 U; J5 P7 L8 W  x; Q2 X图表 5 art454双端模拟结果 4 `, g) Y4 M2 c7 ?) G6 y
    2、GenomeABC * x0 o2 C9 m- l+ n5 V
    下图为设置参数页面 / g6 D, ^: w8 m# \3 @3 X7 t8 ~

    & {) }( @8 {  g8 k0 R6 \& ^7 q下图为结果下载页面
    6 h; V$ y, g( u- c6 e* z1 F2 t
    $ C' `% X, j6 |! S+ L: C7 h图表 6 结果下载页面 * H- r1 G+ D- T1 N( F
    3、编程模拟测序结果
    % f* }. ~' R) j. U+ p! j  M$ ?6 I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。
    3 p8 q/ h! |6 R; q( Q7 ?单端测序
    8 N* C: s+ W/ s8 z; C
    8 m* ?6 V: D  `- R5 @图表 7 程序模拟单端测序
    & s( ~; K9 l6 E9 a双端测序
      d' l6 L, l8 P. @, o: \' U: t. _! D" y
    图表 8 程序模拟双端测序
    6 a# }) b4 n1 B% h: k测序结果 ' _0 R0 ^' [, Y' [% U3 t/ Y7 W
    % E) ^! g& E3 i8 f; i
    图表 9 结果文件- b! B+ Z; G4 }; [0 A/ p# h
    ( h' a# `, k0 E- \0 N
    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 k% @( ?) A0 q6 k7 ]  m- _
    测序结果统计表
    " E, X3 \5 \( Y4 V9 v7 s" l2 Z3 v9 f- f# E' D0 ^
    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)0 J) \2 d: j/ T4 x& E  v7 q
    单端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        107378        50-100        101968        7645.541kb        0.62889        0.53318        0.46682* C# a$ }- `2 L$ @/ m
    单端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        213722        50-100        202996        15227.882kb        1.25259        0.28576        0.71424. s5 k# B3 i- S1 q+ J4 U
    双端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        106704        50-100        202770        15212.662kb        1.25134        0.28612        0.71388
    : p2 j6 c" ?* I  r双端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        214212        50-100        407186        30534.265kb        2.51164        0.08114        0.91886
    8 l) a, [% ^5 Z四、讨论和结论3 D7 D) Y/ w1 m0 l7 {3 ]
    6 T( [$ y6 W# l" o& e
    程序运行方法$ I" z: N5 ?! k8 b3 ^" {) O
    + g" ?2 w( @. A0 i4 r
    在类的构造方法init()中,调整参数。
    & z: @  V- r: ]0 j  q1 LAveragefragmentlength为片段平均的长度; 9 s, J/ T9 ~& N9 W- Y9 o. \
    minfragmentlength和maxfragmentlength是保留片段的范围; 7 M8 m7 p- w2 W! U
    cloneRetainprobability是克隆的保留率; * ]% F4 @' ?$ |6 s& c9 ~  p
    minreadslength和maxreadslength是测序reads的长度范围
    0 r2 J5 X$ E. {
    , L, W3 r  v, r2 t1 O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。' e) t0 w0 [/ |/ t4 F

    " S/ a' `8 D) D附录/ O: B* e. ], `3 t7 C- N

    7 ?4 N" k0 L% jfrom Bio import SeqIO
      D4 X  `& [% \4 z& w1 o2 pfrom math import exp
    * w% |+ C$ a3 E! i) X0 L& E/ Oimport random# l7 g3 I7 _; ]8 N7 V
    4 \" r$ \% g5 p  }
    class Sequencing:$ y# m: g9 E! p/ `/ f$ t
        # N代表拷贝份数
    5 e' r$ k6 I4 j    def __init__(self)
    + M, K0 r  S1 E& H        self.fragmentList = []
    * ?4 x% s. n( j1 c6 B3 ^) \6 h        self.readsID = 1+ C. K# O0 w/ W
            self.readsList = []
    : O( e, S- O; Y& C. w7 B5 |        self.averagefragmentlength = 650- W9 P: `( i! h2 r5 [
            self.minfragmentlength = 500* B1 {4 c' j9 [% S, d- ^! F
            self.maxfragmentlength = 8008 J, q$ f) B6 u
            self.cloneRetainprobability = 1
    7 k4 Q/ s; D3 U7 H* F        self.minreadslength = 50
    - [5 \$ N) ?. P3 K+ _1 {3 `% B        self.maxreadslength = 1507 n+ {9 g# Z, U
            self.N = 100 R, Q; u- J" R) g5 v. Z
            self.genomeLength = 0/ S: F+ j" @/ B3 E+ `6 y! r
            self.allreadslength = 0
    4 D4 w. Q* t) T4 H9 r$ K- e1 D" o$ z+ q5 A; e' F5 a' D: u
        # 生成断裂点
    # n. G  `! p- u/ ~    def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):
    ' M5 c2 P2 y+ d  O5 I0 M0 G8 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)
    % O: T: p, H+ h; d( _        breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]
    " l6 \' x! X. P7 N$ k% V, k" V! v        breakpoint.append(seqlen)8 v  m. V! n  c/ O/ C5 A
            breakpoint.append(0)
    # Z0 H& V# S& L9 x* C        # 把随机断裂点从小到大排序0 v7 t; R5 H2 R4 i5 o. s( a" o
            breakpoint.sort()
    ( [0 ~* O5 c! ?$ Q+ T6 f1 {/ ~        return breakpoint4 P" q' F/ J6 e8 w8 }! I- T
    8 x. Z0 T6 i% O
        # 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:200-1000bp7 i0 w7 w4 {0 P  I! f
        def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):7 \; b1 K% V* H2 [  _: h3 b
            for i in range(len(breakpoint) - 1):2 Y0 }, V2 N6 U+ ], l( ?6 Y
                fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]# z, N) n  y9 o/ A5 I' _
                if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:8 P6 @% ?5 B* X" P
                    self.fragmentList.append(fragment)
    2 R+ S3 B+ r! m8 u        return self.fragmentList
    . k4 d: F( H% R9 P' f' M, w0 I0 Q; O8 B  @
        # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率, T' y$ g6 s. {/ e& u$ j; B
        def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):: Y  H6 d% `2 F& i% ?6 [; c2 k
            clonedfragmentList = []
    * D* M( }, j1 A. V9 E        Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]0 @- [: {  F8 Z- z
            for i in range(len(fragmentList)):) i' y/ l, B0 D
                if Lossprobability <= cloneRetainprobability:  q$ L" H0 y: _* ?& _
                    clonedfragmentList.append(fragmentList)+ f) D/ L, K- f# y$ C$ f0 i
            return clonedfragmentList
    0 F% z5 h7 B6 f. T3 G) b$ d) j# H; E
        # 模拟单端测序,并修改reads的ID号
    , |' Z. T# B0 o' J) a    def singleread(self, clonedfragmentList):
    & k% e" ^) L4 l+ t        for fragment in clonedfragmentList:5 j, h6 U; q  X) X3 K
                fragment.id = ""
    8 ?8 W" C$ v' m5 z% Q5 f            fragment.name = ""
    ' D) `0 S% Z: Q            fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]+ k* c# m5 m3 j5 k6 m/ C
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description3 N5 Z' j" T% I
                self.readsID += 1
    $ h& M! d$ I& z7 S            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    ! R9 q- ]+ ]( k% \            self.allreadslength += readslength
    ' F/ Y7 B* D# s$ }* H  G            self.readsList.append(fragment[:readslength])
    2 C  A. M) c  t" l8 D* D' ?# E) ], M6 f7 _8 w9 a- B# k2 W/ [3 Y' T; _
        def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):. K: Y/ [0 W+ D' l* C* A
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    3 N0 H2 g" d$ b            seqlen = len(seq_record)
    " D& L7 C3 C6 X9 G, H, I2 R+ ?. J  \            self.genomeLength += seqlen
    ' k9 i6 U+ q! X1 L* k0 L            for i in range(self.N):
    3 X2 i; d# T# i& T& Y1 Z5 f; }' k                # 生成断裂点1 T& f5 j6 g, Z) p
                    breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)% u, ]- G9 `9 K- J
                    # 沿断裂点打断基因组$ ?: l) h! _8 X, ]) z/ F4 {/ x7 m! x
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)! i( M9 j* Y' F! I" n1 i, R6 Q# p
            # 模拟克隆时的随机丢失情况
      L2 p4 @3 \: C% `7 X' B/ b$ a        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)3 u! Z2 _( s5 y6 Z9 Z" a; m
            # 模拟单端测序' N2 j$ S. ?3 u$ h0 {
            self.singleread(clonedfragmentList)
    - G4 i9 p/ C' l+ r1 a* l        SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")
    0 d2 w" N  ]1 Y6 k$ ]7 [  r" N4 e, h0 `- j
        def pairread(self, clonedfragmentList):
    + F7 I. v/ d6 H) @* z        for fragment in clonedfragmentList:
    ; B5 q: N6 }1 ~4 c* D/ v! ~            fragment.id = ""# n/ H! S4 R. i, R9 ^* D
                fragment.name = ""& Q1 u/ F  s: o6 V# w7 [8 o5 L0 ]4 ]
                description = fragment.description[12:].split(",")[0]9 s  J8 j! D$ T  T  y$ a* \7 T
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + description* }  B/ W& ]2 _  D# ^. p! A3 j
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)5 P$ O9 U8 y: ]1 R
                self.allreadslength += readslength
      E% S# |1 @2 r* O, y            self.readsList.append(fragment[:readslength])+ t2 B8 r9 C; X& ?. u) D

    3 i: `* |' H5 v9 f1 N            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    7 N/ \& Y# \& K! z            self.allreadslength += readslength  V# e# I6 G2 d2 T# b0 s+ K

    + ]% j% H8 x& S" J% }: ^            fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()/ O- u0 b5 v& W* M
                fragmentcomplement.id = ""7 Q6 n) Y; l* T4 P1 B1 g, y' t3 w
                fragmentcomplement.name = ""+ W' a$ L# H: W3 @4 B& J; D
                fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description
    ! d% y+ k. ~+ d6 W            self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])
    7 `8 D; }& _  d: X6 p6 T: Q, V* X5 ^  o; R- u' z
                self.readsID += 14 @- L3 K  _4 }4 T+ D/ g/ d5 b

    " \$ V4 P' V1 P    def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):+ M3 v& i$ L0 R
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):# }9 o4 h1 I* }8 j  n) z6 l
                seqlen = len(seq_record), C& K) T, c3 `% K* K
                self.genomeLength += seqlen- N% q$ V+ C* M& b. t2 @/ U
                for i in range(self.N):
    + b5 f' ^- H) i* C                # 生成断裂点
    . d0 `5 u; t7 h' t- }/ c  i                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
      F7 o# e0 D( @. I# b6 A: t                # 沿断裂点打断基因组4 }- w  Y+ K0 c
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    ) Q& b2 L4 f7 d( I% Z/ F, S        # 模拟克隆时的随机丢失情况
    * D1 ^! _8 f5 G$ J; X) m- v8 J        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)6 W: X$ ]' B- t- ]8 G
            # 模拟双端测序, G: W1 M9 O  E2 p9 i
            self.pairread(clonedfragmentList)
    1 O% p" U- E4 ~) ]7 A- f1 G- d        readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]" s5 S4 o* c3 Q/ V7 o
            readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]
    : N7 a5 U/ ?- s9 c        SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")& {1 K6 a( h+ |/ |
            SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")) O4 a; ^. x4 f2 l" c- ^7 v# @2 A
    / ~8 g, N2 Y9 p$ X' q- G6 ]. V
        def resultsummary(self):: F5 f% W- j. k7 a) k9 T
            print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")/ t- X3 v2 C- ~6 [  h
            print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))
    : m4 r3 \8 a2 s6 @$ c        print("N值:" + str(self.N))) V% ^" ?9 k' W# h" F
            print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))
    + ?, |, z" ?; l2 ~. f+ f, V        print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))
    - n! o0 U8 y; ?/ [) R. p4 B$ h        print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))8 `5 z- i# v' D. @  F
            print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))6 s4 e& o) a0 h6 K; W
            print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))6 A/ C% ~% x/ G0 H: m( x5 i- e" [
            print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")+ @6 I/ d6 {$ x  I2 c9 g
            m = self.allreadslength / self.genomeLength
    / }8 F  @7 w$ v8 }/ J% @* V) N; T        print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))
    / q6 Q$ T# E, b1 B+ e  B' s        print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))( p; P1 @. `6 B' W$ S
            print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))$ [7 A4 o/ b  J' U3 ?  Y
    # -------------------------------------------主程序-------------------------------------------
    # I8 {. c: @5 D' ~: j$ T) Z& z# 模拟单端测序
    * X7 j% x) D! @, HsequencingObj = Sequencing()
    0 k3 x3 R% d# esequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")
    ) G5 f  r# v0 {( MsequencingObj.resultsummary()3 k' C6 w/ e+ Z$ G5 N0 p8 q

    # F4 d$ O: L5 V; ~' D# 模拟双端测序, Q1 i4 [/ `; I7 ^" b
    sequencingObj = Sequencing()
      {, z3 u1 d9 j  {) V1 K+ jsequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")  F! s: b" I8 Q6 J, e
    sequencingObj.resultsummary()
    ' z, w6 M  L0 v( \7 }* \3 L2 ifrom Bio import SeqIO' ]7 x0 [) f8 j9 E1 U' ~9 P
    from math import exp+ m, C9 j0 O( W0 |# a
    import random
    # Q) Y- f/ K$ M7 ?5 g; K
    % q4 o/ W9 e; O, o. v$ Yclass Sequencing:
    + q6 e( I+ b) K8 a! I    # N代表拷贝份数  C! K/ J* P9 A  e5 y
        def __init__(self):
    / \% `% X" m' v/ |4 Z1 A% J5 W        self.fragmentList = []7 s, |( j; Y- J- l
            self.readsID = 1
    0 E! v! _0 i) ^        self.readsList = []
    8 B* l3 h8 n4 g$ X# l        self.averagefragmentlength = 650
    9 w; y5 Y3 `2 b& ^8 o        self.minfragmentlength = 500
    0 X) f) S; I4 d5 n; t/ @        self.maxfragmentlength = 800
    ) Y6 Z" {5 A" ]5 W: g        self.cloneRetainprobability = 1- G4 l, z6 |% I  d9 @
            self.minreadslength = 50
    ( }. j* W5 {% T% s& C# z        self.maxreadslength = 150
    4 A4 P+ x. V% X- i( R, E9 S! P        self.N = 10
    5 L2 Z4 k) E1 I' B        self.genomeLength = 0/ u6 t% J) ^+ l8 h
            self.allreadslength = 0
    ; v, l  I. P% p5 Y& r2 z2 M3 B$ Y2 V2 M
        # 生成断裂点
    : K( q) R' S9 z3 |) B    def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):
    - N" K& S+ z: p! r& s9 Y5 U        # 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)$ ~, K  L( m- p, K: n
            breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]4 ~' l) _, Z- z' a3 L0 C1 U2 U9 g: q; `
            breakpoint.append(seqlen)6 n1 s" y9 x# }
            breakpoint.append(0)% {- a2 d  W) B) l( ?; a
            # 把随机断裂点从小到大排序
    4 W5 b" I" g' M. c* H3 v        breakpoint.sort()
    : h5 o1 N8 e7 b* V1 o+ v4 ^        return breakpoint# B5 n1 E% K( p, s; s0 `- W
    ! N( F: k0 D; H( T- W( g; W  W/ Y7 `
        # 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
    ! p$ m9 I. l. i" N    def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):
    ) E/ R6 m! M: w) Z+ E( m        for i in range(len(breakpoint) - 1):
    " P4 j6 w1 @. h3 M8 s, y' C$ v0 ?            fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]% D+ n  r3 i% x
                if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:
    / z3 P$ n. d3 U) b) F2 n$ a                self.fragmentList.append(fragment)* n$ n3 H  n+ q, k9 m) t% Q
            return self.fragmentList! K" Y9 ?+ u$ P* [

    7 B" c' ~9 ~3 d! B7 t) ?& q0 X    # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率( ?+ n5 F6 h& P; r1 x" a( J; G
        def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):9 J1 b; Z5 S2 x' P
            clonedfragmentList = []
    " ?5 I* [2 G+ O' U        Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]
    8 S! q/ }3 Y' v) L) x' A% j        for i in range(len(fragmentList)):- b' @6 w6 a4 l. h' J% V
                if Lossprobability <= cloneRetainprobability:
    ) V) ~1 _& t6 g% {& y, `9 u                clonedfragmentList.append(fragmentList)
    ' c1 [) R1 z$ P2 R$ a' i1 U( `        return clonedfragmentList% h" b. e+ |- Z
    - o* e$ r' x6 [9 {6 d
        # 模拟单端测序,并修改reads的ID号" d1 m& v% u  K: a
        def singleread(self, clonedfragmentList):
    " V+ h0 F2 G" {* R        for fragment in clonedfragmentList:' b7 R$ Z2 k7 R/ Z9 b
                fragment.id = ""
    " ^( i  x( ]0 m" ?            fragment.name = ""
    $ k/ [6 O4 s6 c6 [% h9 R. Q            fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    & b+ V/ U, _! O' c0 g( }9 B4 u            fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description  d( G& H8 o1 t: j. r; Q
                self.readsID += 1+ z3 |: [" Y+ O0 n' E
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    8 _2 |! }  c% l! Q/ h; @            self.allreadslength += readslength6 a2 R! o# b$ b8 @7 V  h
                self.readsList.append(fragment[:readslength])1 o5 c; D) ]6 s0 ^* g/ |" T" j

    ! F4 m& ^. A7 j. ^6 `    def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):3 u3 r3 X3 I6 `" Q" A/ O% K5 d% D% s
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    1 C2 @: w) J0 \/ k$ l) ~6 }            seqlen = len(seq_record)( x. l+ |6 M) @; m  C! c, |4 z7 y
                self.genomeLength += seqlen
    + I  F& T+ q% N" Y            for i in range(self.N):4 b  W5 H* A% C5 U- [' N
                    # 生成断裂点
    8 u+ p8 S% l$ e6 I5 c+ n                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    , n1 f# j/ B0 W- N% X, k7 b: z* R$ a                # 沿断裂点打断基因组
    " P* L( j/ M) A( Q" e1 ^" S% ]                self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    % ]+ T% w/ E+ j! Q! L        # 模拟克隆时的随机丢失情况
    . m0 K: P# D6 f) {& E' x+ W        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)
    7 i  s1 ~  {% |+ i7 F        # 模拟单端测序% _( }, Y+ f$ ?* b1 I- e5 L" _
            self.singleread(clonedfragmentList)0 I1 l' U8 J3 z+ {# r% Q5 \1 F
            SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")
    . w+ W; S& Z# G% a) G, {
    5 ?5 T  o, T" ^5 `: r    def pairread(self, clonedfragmentList):
    * [$ n7 H: L7 i* j        for fragment in clonedfragmentList:
    & |1 p: C+ K. o" ^/ B1 E& w: p            fragment.id = ""7 o( [$ w. h, t2 x$ R: r1 m( ?. d! p
                fragment.name = ""
    # _3 {* E" y0 c0 G            description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    . G5 T3 b$ m$ A$ t. r( M8 A            fragment.description = str(self.readsID) + "." + description5 m3 _4 e3 S0 m/ O. ^
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    $ P6 _6 R$ c$ f1 w            self.allreadslength += readslength' @: @4 y- Q6 k# G7 N  V, u* w. o
                self.readsList.append(fragment[:readslength])+ ~9 ?0 j9 d1 T+ G9 F0 Q

    $ a, g# w( ^" P1 e, N! ^            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)- {1 X% L( ^) \. F: h9 z
                self.allreadslength += readslength# q  w3 c9 U  b! M, N4 w

    3 s% @0 w6 O4 Y* g            fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()
    6 e% g$ p  e, c8 z2 h/ \            fragmentcomplement.id = "") A9 G1 B3 a7 o9 `: W, W; N& D/ A
                fragmentcomplement.name = ""
    7 ]' j) f% N3 j" p: t. C            fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description9 T; |* L4 @8 O$ R4 \6 I
                self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength]). W$ f5 ]; `% f' J9 l5 Y) x
    4 W5 g) I. i! b8 X2 B, V
                self.readsID += 14 J; p1 u" c9 g

    / ~5 E8 i  b8 C) p; ^    def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):1 w/ X1 l7 c0 y) k8 v# m0 f
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    ( P7 g- n# v4 F% ~            seqlen = len(seq_record)
    8 [% P8 v% i. N5 Q6 A6 V* |            self.genomeLength += seqlen
    6 Z6 K% X0 b( t9 B8 o            for i in range(self.N):& O/ @# P" ^( r* @& O" X
                    # 生成断裂点* F. s1 u  Y2 H; z: d
                    breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    $ X/ d# ~% J1 M( p( l                # 沿断裂点打断基因组, D/ I. U0 r' J" [: F- U
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength): {1 \4 h# a% s; K0 F) j5 u
            # 模拟克隆时的随机丢失情况
    * e0 V* z, w2 I2 V1 V, a        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)( r7 {4 X9 V" a) h
            # 模拟双端测序, d  Y$ Y* i2 a" J
            self.pairread(clonedfragmentList)
    6 s$ ?0 a8 L( r9 v4 V- i# _        readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]
    * L! k5 x/ J# e% M        readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]
    8 l4 ~; D& U: n! A; f        SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")
    " H  K4 H4 ~, x, n+ R        SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")% W- E/ J: ~8 X6 S1 }( P
    . Z6 u% c) Z2 o
        def resultsummary(self):/ X, g  E; l/ p& K
            print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")# t. M! J: `# `
            print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))
    + N- U+ K  L/ ?! `        print("N值:" + str(self.N)): K) }/ A5 e, p& h
            print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))
    7 S* W9 ]/ O8 P  T4 E5 h        print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))
    - m+ w. N  Q; h% `6 {7 V1 @        print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList))): L" ~  L; e' n* p2 U$ R% o
            print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))! J* w* r  j" D
            print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))9 t7 z" K. q- M3 \
            print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")
    0 r) t# E. m& B        m = self.allreadslength / self.genomeLength
    ! e4 ~) |2 S* E# b. u" R        print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))
      |9 x  V; |4 r        print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))
    ( s- n: u2 c$ s        print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5))), m# V1 s, a2 O0 q8 E
    # -------------------------------------------主程序-------------------------------------------
    % x9 ^3 g2 X3 K8 J9 v  Q6 Q# 模拟单端测序2 A5 X* j. ^4 M! ~
    sequencingObj = Sequencing()
    , A6 T& j; d% N+ J- `: nsequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")) U( r$ P! g$ f8 S/ t. g1 {- _( \
    sequencingObj.resultsummary()! \% y+ D" ~) ~
    1 i3 p2 }" A* g+ u6 Y0 P( y
    # 模拟双端测序
    5 O" K2 {$ [) {4 o5 P4 |5 j' lsequencingObj = Sequencing()
    ' k& `' N% S7 R% LsequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")
    , Z1 y9 s, r: dsequencingObj.resultsummary()0 R/ S- ?- c4 l, y' \& d1 K( f
    7 E: I$ `/ p0 S, H& i( T! o

    8 v5 O6 N3 L' Y! W7 o. |. @5 @+ K$ b" q

    ! k, X8 E; e5 _6 L

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