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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1 L% q- D, L+ Q: p# l  U
    基因组测序模拟) _3 k% f  x! Q

    5 u1 t, {: G; l; U7 s! q; l  Q一、摘要. t) l$ u& z# Z, K: o

    ; {- K( W' G* Z' [9 [* E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
    8 Z6 e) r  S/ L  [/ a3 g% O3 ^/ a! }2 u, v$ C3 C$ G
    二、材料和方法
    . A6 C5 V/ G4 F% Z& F& {& h9 L- l2 j; l2 l  v, S
    1、硬件平台
    ) H% I4 F  z" D1 s! I8 L& O* F4 _: Y& f- Q* P3 G. z: v: a
    处理器:Intel(R) Core(TM)i7-4710MQ CPU @ 2.50GHz
    9 T4 g. ?0 @$ r) W" r* r安装内存(RAM):16.0GB
    # j5 |) B" I4 k( d; E- L4 W
    % f8 f, H% A: j0 H1 T' `& }2、系统平台
    4 [1 S, c) a, R% L+ Y. W3 S2 BWindows 8.1,Ubuntu: [4 {- r$ U7 X. Z  |3 s. b. r
    4 x  ^8 D- a# ?: p0 O: e* h/ D
    3、软件平台
    " C" u' s$ v& Y
    * W; ]( U/ B, ]( N% f  ^art_454; e/ I  i( y5 o  h0 |
    GenomeABC http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/
    ! H6 ?1 s9 K8 Z3 X, U: A8 jPython3.5
      `' d6 P1 }7 F1 g" ^- L1 q: WBiopython
    7 S% g$ k; C; l7 a- a7 H4、数据库资源* {: N  S3 d2 y5 R0 E5 D5 p

    5 U( {7 r# D- d/ X0 ZNCBI数据库:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/
    8 q" ]9 w' f. H/ d6 v2 p4 c- U" E$ D
    5、研究对象2 D. k1 N5 X/ u# I
    $ V/ |" i+ k0 ^5 f1 Q0 O
    酵母基因组Saccharomyces cerevisiae S288c (assembly R64)
    " _9 M1 d. o6 c; G: o: Oftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/all/GCF/000/146/045/GCF_000146045.2_R64/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna.gz
    ! q) O: [3 L6 n5 B) d
    * [6 {' G5 N+ i2 \" A8 V6、方法
    ) j) C; F% x: ^, r( M5 U
    ( A( E$ g. ^" ~) mart_454的使用 # j8 p" y  T' B$ v. N
    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。& B% K1 X& h! x. `( S  p! A
    GenomeABC
    * o6 [9 ~0 H- b" L6 T( C* z1 X" N进入GenomeABC(http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/),输入参数,获得模拟测序结果。& U: s  L" M+ v
    编程模拟测序 # ~4 y- A) [- P( ~: x( c( t1 w3 t! p
    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。( @$ y- [6 |! Z# f1 M- N
    三、结果
    8 O  U9 h( X" p4 B0 u  e9 q: V8 e, T* E9 |  \! z- U( T6 M
    1、art_454的运行结果# d$ t# G# a7 p- X% G7 R
    1 k8 @; a2 A: u, D; |) Q5 a
    无参数art_454运行,阅读帮助文档 4 R9 l% U" }* C2 n' f7 n. Z% G
    / n, |4 n) v4 R1 |/ a' [5 z
    图表 1无参数art_454运行 1 z* P  P' _1 G3 W5 p
    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. 3 u6 j, c  C5 T/ ~/ F* \
    下图为模拟单端测序,程序运行过程及结果
    * \1 P& `. S% w, ~: }( m6 S3 y+ s1 W
    图表 2 art454单端测序 # g3 t. Q" F0 g2 }$ X6 d" C

    ) J0 X: O  |/ J" B* Y图表 3 art454单端模拟结果
    3 X  b5 l0 S, k% ?) I2 P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 7 }; y9 S% u$ n% e3 u" e
    下图为模拟双端测序,程序运行过程及结果
    - I/ }5 ?+ S) j9 y. q7 `/ i7 J( W' @" h/ i
    图表 4 art454双端测序
    ' `" M& J& X2 a! k* R5 s
    1 m+ {5 n% o& y; W) a图表 5 art454双端模拟结果 . B, U+ p$ W) w6 r: o, v5 j
    2、GenomeABC ! l; r3 {. M" P! v& D; B$ ]
    下图为设置参数页面 9 C/ K; O9 r0 }# q) d1 r
    . X: U# {: x' k# Y5 \8 A+ U  w0 J
    下图为结果下载页面 9 C4 k8 t6 C( q) I3 T$ ~6 }

    : `& Q$ p/ F8 A图表 6 结果下载页面
    ! M' k8 a, t5 R# v: Z3、编程模拟测序结果 ! Z; l( U8 T3 }" P! l
    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。
    $ h( f" h  S" F单端测序 6 a/ b1 T8 R" g4 Q3 a0 j5 _
    & ]- R4 `% `5 L, F8 B  ~
    图表 7 程序模拟单端测序
    ) e. \- t- ]' c2 e7 S双端测序
    ! V+ D% s7 z0 s& s1 H
    7 V: g0 l& J* D' W: K7 i图表 8 程序模拟双端测序 - V8 d3 t1 j7 [5 ]
    测序结果 * `7 x- \& V9 {& a9 F+ T+ C" a

      g' N$ U# S5 R0 J4 M. u7 ^  J图表 9 结果文件
    3 Z( t3 ~! W* t9 Y  o
      G: H' ?6 D* \! u4 v0 w: l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。
    % R& g/ [+ K, s测序结果统计表
    3 H  s' N9 T' o1 L( @- Z) ~# V1 {) f8 w) D) W
    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 d' ]% W4 c8 Y: ?) s4 l单端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        107378        50-100        101968        7645.541kb        0.62889        0.53318        0.466822 Z/ b1 E, O# H! W. Z; l- p
    单端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        213722        50-100        202996        15227.882kb        1.25259        0.28576        0.71424! y) W( O& `4 s; W( O/ d
    双端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        106704        50-100        202770        15212.662kb        1.25134        0.28612        0.71388
    % g( o% P# a5 a. E# ]$ {. `双端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        214212        50-100        407186        30534.265kb        2.51164        0.08114        0.91886. A% j3 ~4 E$ y: V* Q- `
    四、讨论和结论- [, I5 T/ ]6 z( T$ W3 t: W& K8 e( t

    + A# N- {0 b; y. \程序运行方法; Z0 ~3 p, ^8 a, K4 |. d+ l% [

    ! u4 n- [& O! p" k' x在类的构造方法init()中,调整参数。
    , j; }' t! y+ O! O0 WAveragefragmentlength为片段平均的长度;
    ) A) f& G, W& m) R. a: H" {; e# ^minfragmentlength和maxfragmentlength是保留片段的范围;
    3 N3 p9 ?, u4 c1 G3 UcloneRetainprobability是克隆的保留率; 2 X& h7 `2 e* `4 \2 C
    minreadslength和maxreadslength是测序reads的长度范围
    & t4 j( s& T! _/ ~1 t5 `
    % D9 h. f+ |4 c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。7 |. h; G$ Q* w
    / ?+ F% G$ K3 d; d) i2 e  e
    附录1 }/ b/ o) @% ^) P7 Z: t
    7 U, O7 K& q; x& v( @: z+ \/ y
    from Bio import SeqIO
    ( V9 C' F" O, G; C; mfrom math import exp: R' ?0 f; u3 T3 S. @
    import random" v# }- \& p, B: u* G4 o# z: B

    . i! C- g- l+ U1 c% v. G, I! Bclass Sequencing:$ G) h* t4 p3 Y: N* O: g) {6 s+ P
        # N代表拷贝份数6 ?" x+ }* o& k, F& @
        def __init__(self)  H, Z" G1 V5 `% ]5 g: o+ P6 R* @
            self.fragmentList = []
    8 {: m, `0 }: \, d4 S        self.readsID = 1
    6 a, C+ A) Q6 f        self.readsList = []
    - o2 {  s6 E; L0 ~8 b        self.averagefragmentlength = 6503 w/ A3 d7 \, c; q: L
            self.minfragmentlength = 500' V' d- j" ^6 w" c( D' ~
            self.maxfragmentlength = 800) J% c5 o1 H( k1 l/ D+ H5 v
            self.cloneRetainprobability = 10 w& Y0 ^, |* y9 B7 x" k
            self.minreadslength = 50. n4 R* ]6 Q8 ?, b1 m, {
            self.maxreadslength = 150$ h! K! ?$ P1 F3 ]3 R8 _
            self.N = 10
    - Y5 ~- u$ n2 e        self.genomeLength = 00 e) L% F3 d$ T4 n! }% Q' L
            self.allreadslength = 0( j/ F7 Z9 D( t, y
    ( x$ C8 [+ y% G  t* t) n( I
        # 生成断裂点) M+ X! N& k5 J+ h; T
        def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):
    % P3 V& D2 t; ~% p$ i* l3 E6 C) l4 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)
    0 O7 K% F/ K! m, W4 R        breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]4 @# N! g4 ]" k+ W
            breakpoint.append(seqlen)- \$ W, F) J( ?# ]
            breakpoint.append(0)
    ; O/ ~; o8 a8 s        # 把随机断裂点从小到大排序
    ) @, v1 ]- b1 i$ \8 G1 w/ n* X  D        breakpoint.sort()
    : r) j7 _8 P2 ]% V2 H        return breakpoint. R, r  a' E6 i( g: C: u+ B

    9 }+ G# ?. j1 Z/ W4 c    # 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  K. l- K0 P# G! X
        def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):- N' R: q8 B. Q% N* A4 C9 Q4 Q
            for i in range(len(breakpoint) - 1):
    + x& ]1 o1 `- _5 |' u            fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]
    ( |  T5 ?, P: W$ b            if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:# v0 {1 y( w9 K; E9 B) M3 R
                    self.fragmentList.append(fragment)9 [. j" `& U. j+ d
            return self.fragmentList
    : c7 Z  u. j( I4 v
    * Z# E" V$ q. Y$ F: [    # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率
    9 N( R1 I8 `5 G% m) W    def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):
    / U$ N; m6 L1 @/ u3 m        clonedfragmentList = []
    % f0 C4 y: d/ K        Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]' b* l- J4 r; |& q) M
            for i in range(len(fragmentList)):1 g$ P) d8 {; o& Y- f) H/ k- i
                if Lossprobability <= cloneRetainprobability:
    % O* h  v9 a! e1 G7 L                clonedfragmentList.append(fragmentList)! i8 y1 I2 R* T6 {- m
            return clonedfragmentList& t% h3 S- e8 Q

    4 x5 j1 d% L( s9 H    # 模拟单端测序,并修改reads的ID号
    - a) u( K0 ^# Q' D2 N    def singleread(self, clonedfragmentList):
    8 b& Z% X5 L: x* N3 p( n% i        for fragment in clonedfragmentList:
    1 d7 I1 A6 I) p* h" D8 m$ D& n            fragment.id = ""
    & V4 V% H/ o' E            fragment.name = """ _+ G. \: q5 ?) H6 p! L
                fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    1 b; u  t8 H& u8 S            fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description6 P2 T7 g+ |9 _
                self.readsID += 1
    ) Q, |- h- X4 F5 I5 {            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)5 k, F$ g& T/ ?- A! r
                self.allreadslength += readslength
    6 J- c8 a8 a* L' J: C' O2 }            self.readsList.append(fragment[:readslength])
    ) Z* B2 B0 w8 z- k' V8 y: i& Z9 W* o0 G! W8 ^
        def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):
    ) o* L. c* b" p) x  z& c, U% E/ X        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):6 j; W& t1 B9 e2 w8 {
                seqlen = len(seq_record): |% B3 ?! o$ z3 v$ ?9 f* k
                self.genomeLength += seqlen. E( Z. c! Q2 F$ \+ j+ H
                for i in range(self.N):
      S8 Y% f! y$ A" o* \+ O                # 生成断裂点
    ) \! A* |/ {4 R+ P, {" f" a                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)  i# S+ l) Q; N. n
                    # 沿断裂点打断基因组* [' A0 r( A1 ]# c" n* k  i2 [
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength); S4 k9 u/ R& r0 x! O9 i
            # 模拟克隆时的随机丢失情况
    ' u) `( l  p4 s9 }8 K# A$ c1 ?& W) y9 O        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)- W1 t. |. [0 }5 G
            # 模拟单端测序* ]  O/ H; {( |
            self.singleread(clonedfragmentList)8 x1 Q3 W* d5 h9 {- `/ p
            SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")- W, D' Q% O5 h% n

    9 x0 ~7 B  A5 f- e, F    def pairread(self, clonedfragmentList):
    8 R+ u, N6 l) g! \, R        for fragment in clonedfragmentList:6 M: W& {( A* |0 h. S
                fragment.id = ""# @$ M& e6 F- D% U- u! `
                fragment.name = ""0 z5 K9 g2 g& ?5 s
                description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    # M" v0 e2 u+ i3 O( Y            fragment.description = str(self.readsID) + "." + description
    ) o$ o# q; i& a; w            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)& Y( A6 j' \1 J% _
                self.allreadslength += readslength
    ; @) k0 d3 _" Q6 U1 c8 F) q            self.readsList.append(fragment[:readslength]). p  W7 u7 J6 j* E6 k8 K

    5 F" T- ]- E( q! f: Y# k* W            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    ( W; b, k% `( d- J! ]+ D            self.allreadslength += readslength/ ^+ A! Q, p* h
    " D$ E2 h& H, u' C9 {; ]  C  t
                fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()
    : w+ a+ [, T/ q8 p  ]/ A3 w            fragmentcomplement.id = ""( ]! u0 O, A7 }' c3 `4 D0 G- d1 b( w; g
                fragmentcomplement.name = ""8 d% A/ S. V4 V
                fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description+ a9 P2 Z) D  k
                self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])
    $ W: Z& s. t& E! y: k: H! S6 D
    2 j) |& i, z2 M, A            self.readsID += 1* L; Z3 F: H. D8 k& o. V. {' |

    6 \! w" p5 e& {" U: p0 M2 O    def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):
    . I8 l* Q) X8 Q1 n. s, x3 k5 l        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):1 I3 Q0 m: V8 v3 N& o
                seqlen = len(seq_record)
    ; e/ q7 c( T* g9 p# H2 M4 O  g0 I            self.genomeLength += seqlen3 J! @5 E( C' e+ l9 D/ ^
                for i in range(self.N):5 F9 X2 R$ p. I2 \' q+ W
                    # 生成断裂点
    2 @8 ]* R1 h/ ~0 I( C9 ~                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    ' l6 t4 }% ]7 U. j% G9 `4 w& D                # 沿断裂点打断基因组
    ; S  f, N2 A# o. \  t1 c4 Y                self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)" e& v6 R% l7 G
            # 模拟克隆时的随机丢失情况, b1 c" e# N& @3 A8 [
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)
    : ]7 A* `. T  n! @        # 模拟双端测序9 ?" s( X  E9 r
            self.pairread(clonedfragmentList)
    3 W  l0 S8 w+ B% g& i' a& K        readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]
    9 E# ?5 Z; G) Q0 o/ C( ^  Z        readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]
    1 Y6 I& J1 k* l        SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")( z! b0 z% |' w" {3 W9 t
            SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")
    # m, z' Q! i9 O1 ?
    0 |: ~! n) O7 N8 y! t! r: w    def resultsummary(self):
    8 q: [1 H: L  I% A! l        print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")  Y- G- g/ f9 n; z
            print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))& Q6 q' Z% a8 a, k6 Y
            print("N值:" + str(self.N))- l, Q' q0 A' A8 }3 R# r
            print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))
    ! Z( f; w4 Z! I& X3 t: |* m. J        print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))  J, E# F: B; U; a/ ?: B
            print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))+ }8 S, z! x& T
            print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength)). G8 @- J% W- [8 _5 m* K0 p
            print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))
    : g* Q% \) h5 @3 I/ y        print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")8 e- {9 E6 \5 e, I7 C; B. e
            m = self.allreadslength / self.genomeLength' ^9 Y% }: v4 \# b
            print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))
    ) j% b% B9 W0 _, _        print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))6 C: s5 X) ^* Q4 S. Z, A3 H
            print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))
    9 V1 ]' z9 a: m; ~4 w8 U# -------------------------------------------主程序-------------------------------------------- L0 h& y9 B$ h
    # 模拟单端测序
    8 g6 d1 w2 _( z5 EsequencingObj = Sequencing()3 p' V+ L, R7 P+ B: t8 w# f; d  q) R
    sequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")$ G5 |- [" N0 ~2 s
    sequencingObj.resultsummary()
    & S5 k6 w' y: R3 T7 R- S) [% V$ G% S/ B4 ^
    # 模拟双端测序
    1 z% Z! s! T! z3 B( msequencingObj = Sequencing()4 T* a2 O& v6 G) k
    sequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")" `7 ~4 ]" t3 C6 @, V9 b1 D/ d' X8 G
    sequencingObj.resultsummary()
    - E1 ^5 |0 F* r# l8 `3 Ffrom Bio import SeqIO( u& u5 Z0 V9 h4 ~
    from math import exp
    : t9 Z" N5 y, F) `3 v( Q# zimport random5 C. j8 h" j( r! j1 P  z* o4 Y
    . N* B9 t! [* |- K7 [& a
    class Sequencing:5 t+ ^5 F# m( l* J; m. I* ~6 b3 e
        # N代表拷贝份数
    - q" g: z. E- W9 }+ `    def __init__(self):9 z- r+ E+ N$ A0 t% @. o8 @. s$ Q
            self.fragmentList = []. ?3 a0 u2 O& F) v% |: Z+ x4 f
            self.readsID = 1
      ~1 g6 b! Q! M! a$ p        self.readsList = []
    , U7 ?+ l+ G) K5 Z' P" k- S0 }        self.averagefragmentlength = 650: q8 i& ^7 B7 S1 a: V: o2 I
            self.minfragmentlength = 500- w3 s, Q& Y6 }% `" G$ E
            self.maxfragmentlength = 800$ e! r8 v7 [% f2 x, @! W5 X; @
            self.cloneRetainprobability = 10 q9 i) P- Q" ^/ R+ `# W
            self.minreadslength = 50
    * U; w; }+ E0 \, [        self.maxreadslength = 150$ p6 g6 _/ c6 G  p
            self.N = 106 E  G/ w7 _9 Q& p/ F. Q
            self.genomeLength = 0+ m8 S$ T1 s, d* d
            self.allreadslength = 01 t( l8 q7 G1 s4 v) P

    2 r! K4 T+ C( |* T8 M    # 生成断裂点
    ! I% f& O1 y2 D, C. Q9 ^- m4 E4 b4 U    def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):4 s$ ~# V8 D" _- N8 K! k  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)
    1 n9 W, G9 R% k; g% a        breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]
    % X4 H9 T* v! `- O! z        breakpoint.append(seqlen). L4 I5 g5 Q7 K  x
            breakpoint.append(0)/ S' P4 f& u4 o" I- k
            # 把随机断裂点从小到大排序8 X% g2 P& `. j% A! C7 e. C6 S6 _
            breakpoint.sort()
    : C; |+ A: M/ o4 ]; `        return breakpoint
    % L; c+ A4 a$ J( w7 h1 {8 C2 _! m; l; v3 \
        # 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 D& ^  p& `. p6 s1 [
        def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):
    8 X, }* k; Q+ A1 r4 R* a. [        for i in range(len(breakpoint) - 1):0 l5 b1 _% b9 d0 \, m4 |1 w
                fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]# G6 Q& x$ w5 E5 U( d! X1 B2 q! @
                if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:1 \8 Y+ P6 U( M( B: R% W8 T- K
                    self.fragmentList.append(fragment)0 F9 a; A+ A5 Y1 j' f. s
            return self.fragmentList
    ; ]% M3 `, U2 ]4 J
    $ l* C& u; t6 I7 z) W    # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率
    ( U& X& J; A/ s0 R. ], ~0 L# J0 d    def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):, s0 R( a2 q2 O  V6 G. }! j
            clonedfragmentList = []
    ) h4 G3 O7 a. G$ |+ b' M* I9 W        Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]
    6 Z- B) A1 j1 }+ ]5 X* b        for i in range(len(fragmentList)):
    5 r. \% Z8 S& t: s! G3 D# Q            if Lossprobability <= cloneRetainprobability:
    9 ?$ N, _& z: j8 r! i8 x                clonedfragmentList.append(fragmentList)) h2 X! u0 \! Z* j3 r
            return clonedfragmentList
    0 y8 R, b+ s3 B) |7 t
    # ^  R$ v: S9 J$ A* }7 C    # 模拟单端测序,并修改reads的ID号5 w4 n2 a+ n6 }: K
        def singleread(self, clonedfragmentList):
    4 l. m5 S! ?' E# T8 M. j- k$ C6 B        for fragment in clonedfragmentList:1 p8 z. m. _8 _9 [
                fragment.id = ""
    ( A, L: o- q/ p: q- o" y! Z2 ^            fragment.name = ""
    6 u3 t: a" b# m  G3 Z( X  f# |- A            fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]6 B+ Z7 m6 k3 T( c; [: x
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description
      S2 B; |6 s. @) q' P' @: b            self.readsID += 1
    4 s2 J- M+ H( Y1 ^            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    7 G+ e7 K  J' w  B            self.allreadslength += readslength) m# u: I+ W! v/ C) R
                self.readsList.append(fragment[:readslength])
    - @0 i: j6 S7 b' q6 ]3 n# }9 d/ F$ r
        def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):
    9 p+ r3 g  u* Z' h1 ~! H' N        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    " G0 }$ b9 a& H+ F8 H            seqlen = len(seq_record)6 O$ K# t+ a; c% E$ S- t$ k
                self.genomeLength += seqlen
    0 |, S, h$ d7 b. t. w: @            for i in range(self.N):
    ) b0 H( E7 c5 d0 @+ v8 V                # 生成断裂点
    6 V; v4 C0 g9 B" N                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)- L' [7 G; Y5 F) A) Q; k1 ~
                    # 沿断裂点打断基因组  R. b& A0 q8 d0 b& X
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength), @4 r# ]: y6 \7 F2 Y
            # 模拟克隆时的随机丢失情况7 Q# a) F% t/ g" d! E
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)
      T- Z5 V" O% I1 _! u4 `        # 模拟单端测序
    9 G  u. L$ z7 D: i        self.singleread(clonedfragmentList)! ]  @: L4 |* H) g9 i7 I' o- |1 [
            SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")
    ' F! j$ {5 T! s" K3 Y* ?! {$ P  d" Q# j
        def pairread(self, clonedfragmentList):& y+ U' t" _. h6 r
            for fragment in clonedfragmentList:/ Q9 f" M+ B2 T. d  f
                fragment.id = ""% C6 }& f1 G; I7 A2 x
                fragment.name = "", j9 e; Y* x0 T. g" o. S5 h0 h6 k( X
                description = fragment.description[12:].split(",")[0]3 z/ Y- n. ]# }0 a: O' V
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + description
    & \6 w4 H% Z/ u, k# r6 O            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    0 \5 B" W' o8 c3 E7 j0 _            self.allreadslength += readslength
    1 y; b. S1 i$ @            self.readsList.append(fragment[:readslength])
    . F, n! }6 s  l* D8 A
    4 j' T* `5 x6 N: W, _            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
      l3 [/ y- G7 d# ~' v            self.allreadslength += readslength8 M4 V* t4 Y; j3 @4 b) T5 Z$ S' K

    ) H) M/ j6 v. Y% i1 m            fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()* v9 v% L( R1 [) d
                fragmentcomplement.id = ""
    : L$ u- V9 `+ I0 O/ o8 p            fragmentcomplement.name = "": E( J  {: D6 T' C. z: ]
                fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description; e( w. [+ j# d
                self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])% i- }6 G! n" m( l  n. T

    7 o! S' `7 `0 y; r# h  K            self.readsID += 1  `! \) B8 w: [8 n# J( g
    1 d0 ~+ z" ?  m2 J  u
        def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):
    3 ]* z! V6 t3 Q: v0 B        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    0 o# w) w' A/ |            seqlen = len(seq_record)- ^  @( x0 f7 w% N: G& m
                self.genomeLength += seqlen
    + t4 p9 D2 o& s8 J; L) |- w            for i in range(self.N):& X7 S9 _1 o9 G  Z, V, r1 Q2 n5 q
                    # 生成断裂点
    7 H8 J6 m8 g* b! Y; P$ d                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)) o4 Z% l+ H5 L1 i, h5 i5 ^
                    # 沿断裂点打断基因组* P- h8 H4 L: B4 I
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)0 M& o4 n2 g+ p9 I/ j, `% K
            # 模拟克隆时的随机丢失情况
    2 m' `; @6 n: k+ q* c+ t0 H! A        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)
    3 R+ C3 c& F# D        # 模拟双端测序& \) ?4 f* N1 t
            self.pairread(clonedfragmentList)
    8 @8 f" L% P$ ?2 g, B, q7 z        readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]
    # V/ g/ U6 t0 {4 k. t        readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]4 ?+ B- Y8 a# M& o  L( m
            SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")
    6 P3 Z5 _1 A; ]: P        SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")9 a7 C) \4 p& l3 r2 Z& L6 `7 D

    2 C, c1 ~, u8 M/ ]1 O7 G! U: O+ A0 Q    def resultsummary(self):$ ^) E9 h/ O& \6 Q. r/ ]1 T- Y
            print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")* v5 A2 }9 d2 ~  t
            print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))9 w* H# F  r+ K; D
            print("N值:" + str(self.N)); }2 v7 W0 m" p, t! U; L" b  T
            print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))+ Z# _9 D9 D( e0 j  a0 h; {
            print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))
    " H3 H7 A8 j% H; |        print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))
    : o1 H4 y% C  E1 [6 ^        print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))0 ?% B* {$ `2 e# |
            print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))
    ' _" h' [, {) h2 C6 J        print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")3 Y0 K# t, d) k; A' c. O
            m = self.allreadslength / self.genomeLength1 \) j$ T' D/ {, ~
            print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))4 o  f; I7 u5 D3 n6 o2 N, w( R
            print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))
    / v: X  X  c# x- t        print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))
    . p2 K' ]2 {6 p/ O, W: i# -------------------------------------------主程序-------------------------------------------4 a. L& T7 q" f# c; J" Q9 z8 I- s7 o) ^
    # 模拟单端测序
    + P; H4 S/ S* o# gsequencingObj = Sequencing()
    + j$ S/ `" ~; |/ \+ p4 ]9 Z' ssequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")
    - g# a3 @+ y- }& R; osequencingObj.resultsummary()
    4 m' L: @& S  a& Q; `# U
    # d$ e  p6 {5 O$ g( O$ h0 d. N# 模拟双端测序
    8 `  B( m' w2 ?) n: j$ R* M- MsequencingObj = Sequencing()
    2 p( @2 Y& J0 @5 tsequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")
    , |7 |& t# C! L$ J7 BsequencingObj.resultsummary()
    - f3 b. F9 J) j9 F. z( E4 {: a% E0 `
    + s: q" h5 k" v) ]
    ' o3 q9 U5 K- u) L- n( l+ w

    5 V. ^- b) i2 d9 F$ R$ p8 |4 M5 |

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