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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
    , @( m) Z6 R, B9 y基因组测序模拟7 E- i5 N  m( ?
    1 }/ {; j5 T8 D3 `7 X
    一、摘要0 P0 m' L6 l$ U7 x9 @7 v
    ; r1 X, h4 F9 Q5 R: Q% g4 j
    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
    + ~3 m, O7 B% E/ V( m6 }# ^: ?4 ^1 e& P2 {: ?/ ^$ ]$ p
    二、材料和方法
    # a4 U+ r7 S: Y5 r6 J  b' B2 Y5 ^7 |9 u$ e
    1、硬件平台% y  W/ ], \! E2 j5 C! C
    : o( \* t& c8 {+ ?  D$ G
    处理器:Intel(R) Core(TM)i7-4710MQ CPU @ 2.50GHz
    $ s* i7 V( I+ M% t7 N4 X安装内存(RAM):16.0GB
    ! @) q+ i, q* q8 B9 F& p2 a  j3 w3 r' _* I$ a, T8 W$ F& O
    2、系统平台
    5 m2 n# c& D1 }5 Z* m& \$ x, }Windows 8.1,Ubuntu" i1 S* a) V) z# [# S2 c# J
    + C7 o- E3 d7 Z2 Z/ x
    3、软件平台) P$ T! d2 R2 T7 \/ Y3 ?( G2 \
    7 J8 {6 l% s: ?) r  w
    art_454
    3 o% V" v2 U$ PGenomeABC http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/2 o9 F9 S9 S0 a
    Python3.5- l. I# T2 ]9 U* d; X
    Biopython5 D1 b" c1 p: ^5 k
    4、数据库资源0 A: x& \5 T. F9 M1 M5 b

      h& K0 p1 [* [3 U5 YNCBI数据库:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/0 h8 K& m+ u' {5 h: E: k- h$ }

    ' `* W# M7 w1 w/ N  d, Z& |* N5、研究对象
    2 L) I" X- w- X% @
    $ V& J9 d9 u( @8 n; Z- k0 [酵母基因组Saccharomyces cerevisiae S288c (assembly R64)
    ( q( D; z7 L3 L& v  vftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/all/GCF/000/146/045/GCF_000146045.2_R64/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna.gz
    3 G& g& d$ k0 M8 w
    $ }, T; q6 h9 D% ]6、方法0 U% A+ V( n& n$ l2 `5 W

    8 ]3 _, |" [) W% h, Hart_454的使用
    / l, _7 O1 L- v' y0 G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。
    ) X! _' i1 S; m8 fGenomeABC : ?& C" @" h' i3 ^3 i+ v
    进入GenomeABC(http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/),输入参数,获得模拟测序结果。
    4 q; z( B+ W( w7 t6 X3 H编程模拟测序 ! _; z# D9 L- P7 a0 \( f4 R: i
    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, m1 i4 w' o  v; g三、结果
    : T6 A7 d3 P5 C+ I) M9 ^+ v* N  a4 P# L) K0 l& L
    1、art_454的运行结果
    , {& z; m+ {. Y$ q, n% C
    1 B9 w+ f0 `! l无参数art_454运行,阅读帮助文档 ; |) M2 i( w+ {1 m' q: T/ u1 m

    , a% ^$ @( e7 }4 b; [图表 1无参数art_454运行
    % K* ~1 V+ p' S8 _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. . f8 C1 g, t4 D* A, t. S3 L0 w, a
    下图为模拟单端测序,程序运行过程及结果
    + j$ r# M& F. O; G5 f: Z
    ! q+ ]) b" C  ~5 |! d5 {& E图表 2 art454单端测序
    : ?& I* W" ~1 N% K* T, u  ~6 z, Q
    $ h& U5 |" u; ?# m5 |% @图表 3 art454单端模拟结果 % H# u6 d) K+ ?) O+ w: Z7 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
    4 d5 ]# Y9 T8 t) G1 S下图为模拟双端测序,程序运行过程及结果
    , T$ H3 @/ U0 t4 q/ ~4 a5 D
      G. d* W* N: p: \  P; @8 s图表 4 art454双端测序
    . q% ~! P" c. \3 T: i" \
    " v8 Q3 q$ [# C8 C8 o$ I, W图表 5 art454双端模拟结果 7 W% _  v# p0 P+ H9 V
    2、GenomeABC
    ! ?# a( Z2 c/ ^5 W下图为设置参数页面 & n* F* R4 P, q( W: n0 ~* B. r: l5 s; r

    5 A' N- y5 B; X; n9 B) b2 M下图为结果下载页面 8 w, d9 P0 b! {7 |4 Y

    8 Z3 g& m! d: k$ Q' w2 d! b) Q图表 6 结果下载页面 / P% J9 \: c0 e% C$ }  f
    3、编程模拟测序结果
    8 ?7 B! @' f( X4 O' L* M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。
    ) ]- Y9 r4 d0 x9 h- G' {7 j单端测序 / }- c9 K4 ?* c" v, c2 U& j
    + ~5 Q* a  r, U/ v, p, m: t
    图表 7 程序模拟单端测序
    . X  B7 l; J: G& D1 Y# j5 ]双端测序 5 v3 W3 T. B! u8 @, ~# a6 A
    % K2 S) c) h  s7 A4 ?" V, u
    图表 8 程序模拟双端测序
    ) t: K7 T" f! w8 T测序结果 ' [' p3 {9 a; J  m% d, Y

    5 O; m2 k( E0 ^. o, X- \/ z& N图表 9 结果文件, ]. \) g$ S7 W6 J7 {" S2 W
    9 H- S+ ]0 f0 q7 W5 b' m8 ~3 W! s
    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。 $ n( T  |5 i1 ^7 X+ N
    测序结果统计表
    * J6 y6 B2 u6 f2 {  `
    1 K' N1 K7 |1 s8 P9 ~) B( h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)8 F" c; ]: b5 |: Z- Q8 d
    单端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        107378        50-100        101968        7645.541kb        0.62889        0.53318        0.466827 D7 }; h; o! J- p
    单端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        213722        50-100        202996        15227.882kb        1.25259        0.28576        0.71424
      |( m, M& P% D双端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        106704        50-100        202770        15212.662kb        1.25134        0.28612        0.71388' a% f1 _# t: F/ W3 M/ L
    双端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        214212        50-100        407186        30534.265kb        2.51164        0.08114        0.91886
    3 C7 q2 q6 w4 `/ X  v四、讨论和结论4 q" k# w# Z) z8 V7 R5 B$ j+ N. d
    & r7 j6 i# O+ O3 e+ o; j; a$ U8 d
    程序运行方法: f6 ]- `& E0 C0 B  c* z* S+ |% C

    ; r9 A9 e8 R4 `& \8 d- I在类的构造方法init()中,调整参数。 * V) p2 Y) s7 ]+ m+ ?# K& l
    Averagefragmentlength为片段平均的长度;
    ' L# O! e8 O4 y5 h/ c1 N, Pminfragmentlength和maxfragmentlength是保留片段的范围; + q7 X4 |) P# S7 m+ M3 P/ ~5 V2 e
    cloneRetainprobability是克隆的保留率;
      y& ^3 {/ T8 ?; X4 U- X, V- B' w1 z, dminreadslength和maxreadslength是测序reads的长度范围0 H; @1 {& T; U0 s8 b8 Z; a- l0 N
    9 s/ G. l" A# R: V: v8 ^. ]
    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。
    0 O& t5 R% S6 t/ s( T7 I% E( Y# A6 V- Z# X( X
    附录3 h# h1 S& D. ]! m% K3 w1 Z  I
    ; F# a+ i% T6 \) D0 }
    from Bio import SeqIO# _8 {& c* I( [9 t& h- V
    from math import exp
    9 x' |$ r" ^) N7 }7 yimport random) }4 }8 K3 O0 T

    % H' \* P1 K3 A3 h3 ?  v- P2 r2 iclass Sequencing:6 O6 v! J! M  o8 T: S; `
        # N代表拷贝份数
    + b9 T3 S. a, @7 s    def __init__(self)/ o& ?; G! j0 O$ r$ b* N
            self.fragmentList = []8 g0 C1 N% C9 L7 w+ A; b& X+ ?
            self.readsID = 1) T# p9 o5 Y) H* ?6 ^% V
            self.readsList = [], q# v. V! p5 u( e5 T8 [" K
            self.averagefragmentlength = 650! f4 c* |5 g+ i# r: M9 ?* J
            self.minfragmentlength = 500
    6 E* H* T* F* g- M( C        self.maxfragmentlength = 800" a: m, c8 g) E% {5 {
            self.cloneRetainprobability = 1" I- k( n+ U* W' V7 m
            self.minreadslength = 50
    / ^2 m6 m7 k  l        self.maxreadslength = 150' z) K8 A! O. r$ K( x
            self.N = 10
      Z8 n3 `0 {6 X/ |        self.genomeLength = 08 o. P; Z  c+ T# @  B
            self.allreadslength = 0
    ! T" k: p; N! u# G4 o' G1 P
    * r9 ?+ n/ V7 R8 s' F& }    # 生成断裂点
    % i$ e' v; `1 W8 p# J2 z, ?6 {$ q1 x    def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):
    * Q3 J1 X' `! G% J% K6 r9 J- n% I2 p* T        # 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)5 `# D4 \* E. Z
            breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]6 Z7 M. B8 M& ^; K8 D/ ~4 k
            breakpoint.append(seqlen)
    * r) I" y! C4 T" `6 {        breakpoint.append(0)
    * t; |5 u5 B7 A0 t, `( P' _5 Y( T        # 把随机断裂点从小到大排序
      T5 G" q7 G) D3 p  y# K0 R+ l        breakpoint.sort()
    , k7 V/ ^+ e/ \1 q0 D( n% @        return breakpoint
    0 X7 ^8 E4 Z: }  ~4 \0 @
    ; N! O. q: ~1 [) p8 a- p3 d    # 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
    * Z. w& j2 `! v9 n/ Y6 T) e    def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):
    ' v- u; j! [. @  M: P1 ~, m, n# Y        for i in range(len(breakpoint) - 1):
    . ?1 E' U' i( j" Z& a5 B            fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]
    2 n* A) j$ X! d0 L, J0 X/ r            if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:9 N, Z" Z) C- s$ Q: w$ g
                    self.fragmentList.append(fragment). y$ y/ l, r; k; F0 `
            return self.fragmentList6 l* I+ A' S: Q' p; Q8 ^
    1 E  Q! v( ^* @4 V
        # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率
    + h* U. G& x7 s9 O, ~5 s& _0 S    def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):5 z" j2 @* ^5 p. L8 H+ m: P
            clonedfragmentList = []
    ( U% r- K  a; S; M% [# m9 J        Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]
    & `; a# m! ]7 ?" M) w        for i in range(len(fragmentList)):
    ( Y9 P5 I" @+ L6 Q# `* B# s            if Lossprobability <= cloneRetainprobability:
    + H# q' o: f6 G7 ^- D                clonedfragmentList.append(fragmentList)2 `( F5 P. a( i& M) d5 W
            return clonedfragmentList9 b6 I) [% y( o0 }- d
    " g- W/ _+ J) `7 z( q3 B/ Q% q
        # 模拟单端测序,并修改reads的ID号
    + F, b/ k3 u+ _    def singleread(self, clonedfragmentList):
    2 K0 e7 p* `& J        for fragment in clonedfragmentList:
    4 A' u0 B$ q; E) F2 R' `' V            fragment.id = ""
      _' L9 W# ^4 X9 M            fragment.name = ""+ g. A* k. R0 w+ L0 R( u. L2 c
                fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    2 i$ E( a! j8 c, h$ }0 M            fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description
    0 \4 d- p9 }/ ~4 e: G) ?            self.readsID += 1
    2 O; N$ H$ }$ I% U, D6 C            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)( E7 u/ h5 {: Z4 A- v
                self.allreadslength += readslength1 U% t8 @2 f' Z! s8 [
                self.readsList.append(fragment[:readslength])& T: D3 [; e* ]: R' ^1 S
    ; K8 p! K: U9 a4 F" ]  i
        def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):
    . W/ C1 T% @+ O' u# f7 d. v        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):1 u# @3 K; V5 p  Z5 q! s" a" d
                seqlen = len(seq_record)
    1 c: |4 O( ?4 z% A( Z8 l1 T            self.genomeLength += seqlen
    % m. D1 I6 ]; |. K            for i in range(self.N):
    2 e: `( W- x" c0 O+ L                # 生成断裂点% o4 K. r& @+ r# a1 t1 Y0 _2 k
                    breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    ' x6 l7 c5 }2 H4 A1 c. W) b                # 沿断裂点打断基因组
    9 N6 w& l$ ^) m                self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    + w: a) q  [  N+ ^        # 模拟克隆时的随机丢失情况
    " Q, S5 I/ @/ Y- [0 `8 N! J, G- f        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)
    % T4 j, g0 j  h/ v" p        # 模拟单端测序
    ' Z% x( @/ m6 v' x  i        self.singleread(clonedfragmentList)6 w& I- k. g' _1 R6 T
            SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")' Y. R& _" c4 E
    ( W1 ?! n  {! {4 i, D
        def pairread(self, clonedfragmentList):% c7 d; e8 }! @4 z! b1 c
            for fragment in clonedfragmentList:2 G7 A, b7 Q4 D3 c9 x  a* t
                fragment.id = ""% Q& q- J  ^) X0 A8 `
                fragment.name = ""
    * @$ {4 D& _2 @2 S            description = fragment.description[12:].split(",")[0]9 x  `1 B) c% a- x/ @! R: p2 [/ e
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + description) |/ V7 G. h+ P( Q
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    , E# _; `7 m' D5 ]' o9 X2 e            self.allreadslength += readslength* c- E9 E2 n3 x! U7 C* K6 i$ p
                self.readsList.append(fragment[:readslength])
    ; g- A( T3 t. J/ J: D
    / C; v6 c# M$ Q% c2 t! O            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)* ]  q9 z. z7 Q0 v1 E% \2 N8 e
                self.allreadslength += readslength2 v4 q* Q1 [( O1 U5 @

    - K+ V. |  x8 ?) n- Q% n; @) Z; k+ d            fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()
    * R8 K; e) f! N9 F2 m8 P            fragmentcomplement.id = ""
    % A8 ~7 x* z! _" f) y            fragmentcomplement.name = ""
    6 t- ?/ M( \5 M/ g5 s9 |            fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description8 \0 L/ I2 n9 ^& A. T
                self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])
    . p6 o% G3 {+ x: s# K! P
    ) \; `9 o. l8 `% x! g. e' {            self.readsID += 1* r6 J) _5 s! D0 D5 Q/ b. z7 b6 T, o
    ; i2 d. \; ?6 |5 P
        def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):9 y  r# B8 _; w1 u' j; G$ L" A3 {0 e
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    : e% {8 Y2 P1 L  e7 E+ g            seqlen = len(seq_record)% B$ s) W7 V, E& S% o% R
                self.genomeLength += seqlen% n, q9 @4 {( m
                for i in range(self.N):  F/ S( b$ J% e
                    # 生成断裂点- ~) j# S+ A" m, I; @9 P" g$ M
                    breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)8 R7 a" l( K; i# s: b
                    # 沿断裂点打断基因组1 [: k! ~* w4 y
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    5 Z' t2 a) e2 _. ^' o! |2 e        # 模拟克隆时的随机丢失情况
    2 S, f9 h7 X' E$ y+ L        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)
    7 a3 [+ @$ \2 y        # 模拟双端测序
    " H( `' B7 d. o; [! k        self.pairread(clonedfragmentList)
    % q6 g/ @1 z! v' R$ d        readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]: G# o5 t, c+ X$ a) Z6 S, ~
            readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]" k) J8 _1 X" E
            SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")2 c- u* D4 d9 z# Q  P+ `
            SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")
    & s3 \* N2 a" |) R
    * B6 K0 R  C$ f" g$ m% R    def resultsummary(self):
    & j: n  M2 I1 b- l        print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")( }  ~( Y1 t$ Y+ f
            print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))# \4 e4 o! ~1 \
            print("N值:" + str(self.N)): G9 |1 t6 }/ Y- I
            print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))" v/ l) U, f6 F0 N0 S8 j
            print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))
    " o: P/ a) r9 f9 T9 o3 d        print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))6 n; s; Q7 R: Q$ Q
            print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))
    0 f4 P! O# A5 O        print("reads总数量:" + str(len(self.readsList))): S% r) C8 C: \1 O! D9 H
            print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")  s/ ^8 u* a: F; r* e
            m = self.allreadslength / self.genomeLength2 W; H* w1 w& Y+ o1 f, u/ L! y
            print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5))). }5 P8 s. X$ F9 A, B4 c, R
            print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))+ N- m  w* T0 _: x% Q
            print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))
    - }- J( U, A& k' O- l# -------------------------------------------主程序-------------------------------------------
    + r) ~- a( J1 S/ }( r: e7 M2 J# 模拟单端测序
    ! {' f( V  g- xsequencingObj = Sequencing(); e& k6 h! Y& R0 n, ?" X
    sequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa"); F3 B$ z( q% L. `8 |# Q1 k. j
    sequencingObj.resultsummary()
    ! S* Q" T& l1 s# F! U* g' |
    ( q) N, V0 N& S# 模拟双端测序7 I; {, e: ?7 W9 I5 g
    sequencingObj = Sequencing()
    8 c1 f- h* S1 @# W- |sequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")
    ' w9 i2 u- e% o) H; rsequencingObj.resultsummary()2 f: f% M/ U, y# R& u
    from Bio import SeqIO1 X; A& @3 h3 i' E( u6 m
    from math import exp
    * r3 T9 a2 X: C1 p9 Jimport random. q, K- M1 J6 ^  ]( {8 p  d

    # a6 r* F% \' K3 K$ jclass Sequencing:. x" Q4 o: p8 C7 ~" f
        # N代表拷贝份数
    % a7 B# X# M# y5 C    def __init__(self):
    " `2 }, t3 ?+ t) S4 r        self.fragmentList = []
      f! I7 O' r8 I) d2 h# H        self.readsID = 1* Z1 R7 y% F: B" J# y
            self.readsList = []
    9 H5 o$ Y5 _; L: ]  ^2 c5 j        self.averagefragmentlength = 6509 R) l* o& \1 y# M
            self.minfragmentlength = 5008 B' G# r0 y3 M8 z0 x9 m
            self.maxfragmentlength = 8003 m/ a- K0 S. _" }! Z: N" C5 ~
            self.cloneRetainprobability = 1/ a/ |4 E7 p. z5 x, X$ B! M
            self.minreadslength = 50' w- u' k- `- e# e* E: H
            self.maxreadslength = 150+ f. J" r/ ]8 ?% O
            self.N = 10/ L* b- X) V1 T2 H
            self.genomeLength = 09 k" @, E! @. R1 t/ E
            self.allreadslength = 03 [/ M5 T9 w& D5 H' O8 g! l

    . P+ y& u9 N8 {* {7 H! X; T    # 生成断裂点  I3 d5 M! ]0 G. z# j: T, {0 ~/ L
        def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):
    9 `8 q- B' Z/ t% `* 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)! w, E" j. ?4 s. s7 T# z
            breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]
    8 ^1 [: r) h- w1 ^3 N8 v4 |        breakpoint.append(seqlen)
    ( v2 ]) B$ B& L3 I- w9 v        breakpoint.append(0). n) j6 I) Z/ |% Y
            # 把随机断裂点从小到大排序, O. p4 a7 B* i; [
            breakpoint.sort()6 X6 R0 G( V$ g/ X, w6 s; X
            return breakpoint
    ! A. t- T# z5 d& b6 z7 b0 o
    # N! [! e4 ~9 w1 y" y    # 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:200-1000bp5 k0 u% N& r0 A7 s5 O
        def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):
    $ z. c0 H% e# I1 T- J8 T" _        for i in range(len(breakpoint) - 1):
    1 ?8 y* D+ s: X' G3 l/ p. |7 a8 w            fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]) H+ ?# L' C7 b0 n
                if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:5 C5 `4 A1 i# ]
                    self.fragmentList.append(fragment)* A7 _7 q! _, q$ C" i1 s8 F8 w6 R" R
            return self.fragmentList$ [! S1 J+ Y- q; a$ L; [7 Q1 M
    0 R, _7 c% T. ^4 E/ s2 H/ a
        # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率0 V  m  J3 V  s, c' q4 Q, D/ S. y
        def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):9 r0 |; b, }' B' T
            clonedfragmentList = []+ I. R! M9 ~( o) m* F
            Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]6 N3 H' ~, w" W( O8 r! M
            for i in range(len(fragmentList)):
    ) q( Z% g- \5 N: x: }            if Lossprobability <= cloneRetainprobability:
    + B$ _" v: @  H# p$ x                clonedfragmentList.append(fragmentList)+ i2 E2 W% g  n' K2 o
            return clonedfragmentList
    ( {/ z; V5 t5 D
    + p. I+ X" c. O( q6 A' Z    # 模拟单端测序,并修改reads的ID号
    $ E# W2 i0 n8 S9 ~    def singleread(self, clonedfragmentList):( N9 m' V  x5 v8 i& R" i8 A
            for fragment in clonedfragmentList:5 Y8 }. i( Z1 a' z  U* w
                fragment.id = ""$ R# g, |: \: X( l: h/ y2 G$ r
                fragment.name = ""7 ^% W0 c  Y- p! b, Y4 Z  `% i* |7 O
                fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]- T6 B8 S) Y1 E9 j- O3 @5 @- D
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description
    5 `: \2 E$ K: R! W            self.readsID += 1! `" @( e4 d: W4 J$ t" R- X
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    - P0 L4 q! h* L8 o2 @            self.allreadslength += readslength2 a9 z, }" v1 ]" l0 @
                self.readsList.append(fragment[:readslength])7 Q5 }0 e7 R! q- [' g' E$ L. k
    , b* Q5 p  n0 j; |4 j/ ~
        def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):
    1 s* U* z7 C8 C# @6 C9 w- X        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):, ?7 w: V8 I: j) i
                seqlen = len(seq_record)* x" I$ O6 G5 [2 q+ e' X. A* u
                self.genomeLength += seqlen. e* I% J9 [# g6 w. R& j
                for i in range(self.N):- d$ r* g& X7 r' L3 @1 y. ]9 {
                    # 生成断裂点6 Y" i$ ]3 \% r" n$ R6 I# x
                    breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    ' E. w& V0 t+ ?                # 沿断裂点打断基因组+ r+ R% t7 v+ |; u/ D
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)" H! v$ p) B9 ]$ f% U0 Y, a9 @
            # 模拟克隆时的随机丢失情况
    ! Q4 K7 a( Z) [5 W        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)
    % ?3 `# X$ X0 u$ C% s0 {' p        # 模拟单端测序' X1 s0 _1 x9 v$ A* B" x
            self.singleread(clonedfragmentList)
    9 s) `" ?+ v0 K' i5 }  x4 G, q' S3 M        SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")
    2 ^; b! v4 \* ?0 _9 t, A& q  C# i
    / \- s5 e0 h0 U  g) s- Y    def pairread(self, clonedfragmentList):! [& ^/ v& g# y& {, ]) g% k& y
            for fragment in clonedfragmentList:
    2 q9 C, ^; v, N. ~( ?            fragment.id = ""0 I1 d0 J! Q5 j" V1 a- h7 M
                fragment.name = ""% N6 K' r$ T( \2 p( S! Q
                description = fragment.description[12:].split(",")[0]9 T4 l: q0 r$ y$ e6 k9 H4 G
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + description! x5 J, h$ |8 G" Y! `8 @+ d
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)7 |+ ?; t; j* }6 J6 t
                self.allreadslength += readslength; h1 }: `6 t& b
                self.readsList.append(fragment[:readslength])
    ; R9 c3 u: a% T6 N+ Y, P5 b! n8 o% ?4 u( p; n' Q7 l, _) I
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)2 R) b4 f  d1 ~* O
                self.allreadslength += readslength
    0 W8 z' x& h, m$ R, Q5 i, l: X3 B) U9 s" |. x
                fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()9 _) V* o8 O! L+ B  X" A
                fragmentcomplement.id = ""- o- e5 g* v$ X" h/ p
                fragmentcomplement.name = ""
    - D3 G7 t% E" B            fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description! ^+ P( h3 a$ P( J( ~& S
                self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])9 A2 @9 u6 m' j# D

    7 b4 h. ]% e6 d$ h8 f: j% i            self.readsID += 1
    , c' a4 m; E7 P4 q/ R& r! ^* u4 d4 {) U
        def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):" j8 E& R9 ~4 S+ t+ K
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    3 n) T% f( c& _            seqlen = len(seq_record)
    & m! ~1 ~1 ?( m            self.genomeLength += seqlen: \/ ^. ?: T7 ^" |; D! m1 _
                for i in range(self.N):
    8 {# h9 i/ w( ?                # 生成断裂点( z" ?' G# Z8 n# I! n+ [
                    breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)& L, ?. z, f1 m" s& Y' ?
                    # 沿断裂点打断基因组* i% }6 Q0 y" f; S  }1 K& I/ N7 u9 C3 {9 T
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    - u: U  v5 p+ N/ i1 w% J        # 模拟克隆时的随机丢失情况0 u, m, n: G) V: a, D
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability); S" @6 t; H5 B5 U1 d' t
            # 模拟双端测序
    ; Y+ ~) c0 A! M+ c1 q& Z& @        self.pairread(clonedfragmentList)
    4 j8 Q/ G6 D/ E" ^        readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]: W9 u: Q4 H. l7 E+ K* p
            readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]
    8 _) S* h( ]- R' _        SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")
      l) Y& n% {7 s9 I        SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")
    1 j4 [$ H/ ^" \0 S8 {  n9 Z' ?2 Z) Z+ F, W/ [3 {# p
        def resultsummary(self):( f# D' g  X0 c) ?& V; b$ o% [
            print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")
    9 S6 R7 H$ O2 p        print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))
    & N4 }2 x; l) |& C; Z) f        print("N值:" + str(self.N))
    - G, W' ]9 q7 ~0 ~& m+ ?: M        print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))7 ^/ \! Y' l0 r( J4 f
            print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))
      ~& k+ v" k  q' d        print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))
    7 c( _8 f1 |* R0 f9 ~3 K% b        print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))
    " j0 R4 K9 {: i" I6 Z( Y        print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))
    7 S1 E% Y6 v( y        print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")" h1 }+ n  {& B3 F5 Z
            m = self.allreadslength / self.genomeLength- d& e. X8 o. C8 _
            print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))3 v  {+ T% {3 C/ k
            print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))
    3 b& j+ a- a& `, i8 z, ~" R$ V( C        print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))
    8 S; H9 n! }) v! O" F! \# -------------------------------------------主程序-------------------------------------------% k# j: c  R9 f& p/ W$ b
    # 模拟单端测序4 z* ~4 m9 d: _- j! k
    sequencingObj = Sequencing()" E2 o+ ?0 Z* F2 e6 Q& y9 g
    sequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")" ?" e: p; U+ }+ \: j" P4 m, m
    sequencingObj.resultsummary()* n( i9 v; |) D  l/ h

    ' M! S3 e( W; A9 N- ?$ q1 h: |0 F# 模拟双端测序
    . ?" G" U1 _4 ^# P7 E, t$ MsequencingObj = Sequencing()" F! E" n$ J' O' B. S' v
    sequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa"), ~+ B2 u/ ~+ s$ P, J8 @
    sequencingObj.resultsummary()5 e* y+ b2 c% e( M- z7 n/ f

    - b/ p9 |/ a1 E" x0 a  R* _0 S' ^: D7 c- @5 T: p

    * _, }. r6 k" O8 j, b/ [# h4 I  O
    : R& H. z% E; E, ]0 d: a. ]) J

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