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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 |正序浏览
    |招呼Ta 关注Ta
    基因组测序模拟
    9 y- g- ?; Y) g/ [: U; a基因组测序模拟: E2 [/ P3 }% J4 W! A$ s3 S

      T3 n! v+ \3 j  F6 J+ Y一、摘要" r  f: B( D, @0 y8 H
    4 C. [: W7 ]7 c1 X* `, M+ @
    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
    ' C& f  q. W* P, q+ p8 f' c9 f* H2 g2 T, }
    二、材料和方法7 L1 {* H9 Q: Z- ^4 A0 @

    # v( s0 c0 B0 P& W% b5 D1、硬件平台5 w  o# ^& D. l8 x2 c- F9 u

    $ B6 j7 |4 @8 `- F) F处理器:Intel(R) Core(TM)i7-4710MQ CPU @ 2.50GHz
    # o, x, |; B( q; K- q+ p% q7 I安装内存(RAM):16.0GB  Z7 _  g' [3 t+ h6 P- i

    8 N9 @( k1 L7 R# ?5 q2 D; O7 V2、系统平台
    ! m5 |# i$ Z  K2 p; W! F: [Windows 8.1,Ubuntu
    ) ]+ L9 e4 Q$ L/ O
    5 O1 P5 j2 a5 y* x/ }. U  F3、软件平台
    : n& j- N: B5 q
    5 s6 i/ X9 v9 G4 Z0 F6 Bart_454
    2 Y* v0 ]& \: [  t( K; GGenomeABC http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/
    ' [; I7 |) d# m# J  U9 c. j# o+ v2 \4 WPython3.50 [; l( q, D. g3 M) G
    Biopython3 u& ]& Z. X; `4 G+ h+ q. ^
    4、数据库资源7 B. U% q$ q! f( ]# v
    : _2 }% @6 }7 n3 w% Z
    NCBI数据库:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/6 Y; ?' {% {, q4 g

      e! P) p2 y- P5、研究对象
    6 F3 v( S" H8 o( H; H' b9 t0 T1 x# k, y& c, f; F: g
    酵母基因组Saccharomyces cerevisiae S288c (assembly R64)
      R7 z' B: ]% M2 ~9 |ftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/all/GCF/000/146/045/GCF_000146045.2_R64/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna.gz
    & S+ z: e) ]8 O  H5 L
    " o  g; k* g5 Z" {6、方法8 C; {' D: _) F8 G1 n4 B4 M

    6 N3 F* [; B# cart_454的使用
    5 T9 Z$ x+ x' T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。
    ) |. _" p1 B2 i. ^1 }. d4 eGenomeABC
    # A1 m$ p2 n, @- F进入GenomeABC(http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/),输入参数,获得模拟测序结果。
    ; G1 d; V" d1 h1 C& o7 }5 V$ r编程模拟测序 1 W3 ]( @) ?) J( T$ J5 ~- E
    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。
    . m  R3 q+ ~6 a三、结果8 _. |! W5 U0 c, @( r' ~# C
    ' z1 @& u% Q9 |6 f* w
    1、art_454的运行结果
    7 l) O5 S1 o, g% C0 Z* u. w. w. b& z4 T- L0 o6 z
    无参数art_454运行,阅读帮助文档 5 S4 W0 l/ B! H, l
    $ O' m+ L% k8 W5 I& B
    图表 1无参数art_454运行
    6 J; R" ]5 l6 Q/ t2 G- C对酵母基因组进行基因组单端测序模拟,FOLD_COVERAGE设为20,即覆盖度为20. 9 B7 ?: f3 a3 s/ }* f) v+ M' M- R
    下图为模拟单端测序,程序运行过程及结果
    + \) t8 x2 I4 z( H
    4 n/ H' L' Q: ?, e图表 2 art454单端测序 / g! N. R1 O8 b3 R8 M
    0 C3 V- ?  r+ L* q" A
    图表 3 art454单端模拟结果 ' R4 m1 I1 ]  u4 u( h
    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 @. ?; \- Z: X# \下图为模拟双端测序,程序运行过程及结果 7 s$ Q# Z. Q7 j. k# Y! x. m: S
    " k, _2 [4 h# V* U
    图表 4 art454双端测序
    6 f  p" ~: w" z$ ~1 w: }7 `" Z: i0 u0 g2 }' e# d! t, k
    图表 5 art454双端模拟结果
    ; w8 Q7 M- v" Q, q2、GenomeABC ( l3 ^1 y9 O' f9 `. z7 p
    下图为设置参数页面
    7 n% W1 {3 |, p. v* G. ^" c9 e2 |
    - N$ |; M' A- z6 J8 Y4 `3 J" F/ k# a下图为结果下载页面 4 M/ D. W1 ?7 G5 S/ z
    ) a' Z7 Q  r5 q
    图表 6 结果下载页面 + o# f6 _) h  R* ~$ ?0 O
    3、编程模拟测序结果 $ @. X7 D7 f/ u( X/ P7 u
    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。 & Q! w! c7 _7 N! H; X3 J, Z9 A
    单端测序
    " y: k# a* ~* x" W3 [+ a
    " ~) Q, M; p* x8 P1 z7 l图表 7 程序模拟单端测序
    ; B& @$ U: I% t( z0 k0 R双端测序
    , C* Z* Y  A, k0 z; `% W8 P; U2 ^. X! c) e2 q% l
    图表 8 程序模拟双端测序
    6 I7 f. h7 X  ]: U& R测序结果
    6 O) z! D4 u' Z3 R3 n- @4 k& u# J/ c5 w# Y) a$ E
    图表 9 结果文件
    : n9 i, X8 E8 h" X3 O! n+ o
    - z( j% ^7 ~  ]3 W: `1 m# O' o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。
      t* S3 ^2 @# I# E) l7 ?3 w测序结果统计表
    $ ?6 A2 G) Y) Y2 p7 L# l0 v
    6 J0 f8 k( k1 W+ h- V7 G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)
    # P6 K$ H& B/ T: _8 Z5 c单端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        107378        50-100        101968        7645.541kb        0.62889        0.53318        0.46682
    3 g9 k4 h( K4 B7 Z  b; @单端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        213722        50-100        202996        15227.882kb        1.25259        0.28576        0.71424
    4 e- _" e  ~8 H, Q/ D双端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        106704        50-100        202770        15212.662kb        1.25134        0.28612        0.713882 _% H4 L: j3 u; G+ S
    双端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        214212        50-100        407186        30534.265kb        2.51164        0.08114        0.918863 c/ p- h& P' g/ g1 J
    四、讨论和结论
    / s* Q: S% v- o4 N7 x" M1 R, W' D- c0 E
    程序运行方法
      `) U4 ]% P6 `; [- A4 @: r
    , g$ z* Y. ?7 f1 H在类的构造方法init()中,调整参数。
    % Q6 L8 \: d* {Averagefragmentlength为片段平均的长度; - z  S8 i  q9 Q  a
    minfragmentlength和maxfragmentlength是保留片段的范围;
    7 y, U8 l6 l, gcloneRetainprobability是克隆的保留率; 8 C0 z0 A# U* y
    minreadslength和maxreadslength是测序reads的长度范围/ P, g: d$ R3 i. n7 B9 H
    4 `; a0 o5 y; ^: B  m  ]% F" p
    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。) Z' w5 ?, g9 ]2 y7 f) b( C
      X9 `) |0 ~; [" A) ]6 O
    附录
    . w  r( P- w& J( s1 q9 Q% Y' m$ T7 Y
    from Bio import SeqIO
    3 \* w, F0 ^# E8 F# x1 Z/ O8 P. \  _from math import exp
    ; p, h0 j# U4 l9 Fimport random
    2 N! X# p; b5 T# M4 O& C, ^/ ^" @) c4 o! N" v! X1 @+ b
    class Sequencing:% a. {. P) K1 x
        # N代表拷贝份数
    ' j4 O; b- ~! E+ n3 `    def __init__(self); m0 u* S9 B7 t
            self.fragmentList = []
    1 C  g# S9 i7 B& h1 }9 }* b, {        self.readsID = 1# R6 Z& s  W. B3 K; Y/ Z- m0 j* p
            self.readsList = []' I! I5 c, Q" J
            self.averagefragmentlength = 650
    % n. u8 n# t6 g+ z. S        self.minfragmentlength = 500) _" Z+ B7 O2 o4 Q9 v8 T! U
            self.maxfragmentlength = 800
    ( Y  @* y! F1 d' C/ C        self.cloneRetainprobability = 1
    5 b0 S8 g3 t1 y) x! S4 w        self.minreadslength = 50
    " d+ Y; r2 t$ a4 x/ y" l! `  u3 L        self.maxreadslength = 1500 Z7 `5 u2 T9 ~( n5 V: Y
            self.N = 101 W3 O& g/ b0 [4 Q" E. z4 f! A
            self.genomeLength = 07 j9 T" t+ X" W
            self.allreadslength = 0
    ; p: N; Q. W5 K4 A! `9 O, s- W3 r: h
        # 生成断裂点
    ' {: E& k! w/ Z! Q    def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):, Z5 ~# a0 p/ O! ^" V5 n  _
            # 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)8 c2 J; r  f- c' t/ t
            breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]4 v) I4 D% \% Q6 J
            breakpoint.append(seqlen)
    7 ]9 b( l; E" `, ?2 U        breakpoint.append(0)# A$ `( F3 K9 u
            # 把随机断裂点从小到大排序& j& L. o9 B. D/ D; q$ E
            breakpoint.sort()
    6 x, F7 w% t8 q# Q- I! v        return breakpoint  Q# p0 j: I$ \+ S

    * u! ?6 J( o0 g8 \    # 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
    ) u5 u: B' u1 ~) L* [! F6 d5 @) ?  w. H! _    def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):
    9 r+ D+ L/ Z$ y' J        for i in range(len(breakpoint) - 1):6 Q/ ?' Y: ?: x: }8 x
                fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]
    - o, k& V4 I7 v5 u            if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:! Y7 L) O) b* |- f
                    self.fragmentList.append(fragment)' g$ l9 f  B( y# w
            return self.fragmentList
      x- [& m! |3 D( \
    / q  ^# N) Z+ g) J( Y' @1 A    # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率
    + R8 \, F2 ~6 V    def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):$ V6 x: J; T! B7 z1 b0 }  t
            clonedfragmentList = []
    3 z7 w& P1 X% X$ }% t1 G+ d        Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]$ u! e, Q2 l3 N8 ]
            for i in range(len(fragmentList)):9 u. W& Q' U5 ?5 m+ D5 }. W
                if Lossprobability <= cloneRetainprobability:, J9 h3 Y" B) Q
                    clonedfragmentList.append(fragmentList)- j0 y; t; u% c% ~4 t
            return clonedfragmentList. ^' d) H" `8 m, M

    5 ~  Y' I9 L# e    # 模拟单端测序,并修改reads的ID号6 a1 A7 m% X' W0 N  _4 ~2 T# o
        def singleread(self, clonedfragmentList):. \0 g- Q3 b- T# k/ v9 n$ u
            for fragment in clonedfragmentList:' \: _2 I) ^' ^. {
                fragment.id = ""# H: z( q; K" Q4 t( U4 E
                fragment.name = "") W$ J3 W! ~0 [0 t! N: n6 ~
                fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]- @* \' a, ]' p- \$ ]# Z( N  g
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description
    0 L, k8 ?* `2 x1 d            self.readsID += 13 U/ [3 W2 @- k% X) ?0 |
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)5 `, ~- [' K# C* Q+ f
                self.allreadslength += readslength
    ( \" o, \* B: R% I$ x8 t            self.readsList.append(fragment[:readslength])
    2 j$ f0 B9 A) f! D( v9 A( Z4 W( c/ y
    5 A- V; b9 C$ D5 ?3 A8 o8 l    def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):2 c6 n( W1 o0 q5 W! L# M9 b: |  R
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
      {1 E' i/ H. c, f" e, \1 f            seqlen = len(seq_record)
    : `' U" |, R6 u; ?* m            self.genomeLength += seqlen: H" D" n% ^. z+ Y" Z
                for i in range(self.N):
    ; s0 ~7 [5 t+ P/ b( H& c) i                # 生成断裂点
    % ], z" B$ @; x                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    8 v6 ^1 }& g+ v; G+ m3 q                # 沿断裂点打断基因组8 F8 [- M/ l& j3 j8 }3 K
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    # m8 Y. v2 e6 ]. i        # 模拟克隆时的随机丢失情况
    2 Q4 o# a/ z& h9 S1 b: o        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)& T/ g5 v6 i+ ~$ H4 C8 X
            # 模拟单端测序
    7 y. y9 J0 E% m' e5 I2 r        self.singleread(clonedfragmentList)
    3 P) _( _5 K/ w& p2 Y$ C        SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")
    - u: G/ |5 W& S; j! v1 Z: w8 A6 ^
        def pairread(self, clonedfragmentList):
      {7 H) k" ~9 e$ ~( ]        for fragment in clonedfragmentList:: T! k9 M, S- Q2 }) l8 {' ]
                fragment.id = "": `4 _9 e7 I8 k% v$ X" c0 I9 ]$ a
                fragment.name = ""
    ! G. X5 Q1 z8 e2 r2 G            description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    " O2 v/ w6 l7 m4 F; p            fragment.description = str(self.readsID) + "." + description
    ) u( G9 R" Q. Y5 x7 x" K            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)0 i4 X: J& C9 S# E( H$ b+ d
                self.allreadslength += readslength+ ~& U- b: x8 |* B
                self.readsList.append(fragment[:readslength])$ u  C8 _9 |( Q, \
    % E1 v( X1 \( U) G! m2 _
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    / `: h. E- V: V) y2 m            self.allreadslength += readslength
    ' f* P& L( m5 H2 P, k7 F9 v. i% X" ^4 `) C, y7 N5 Z
                fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()
    % w! f+ q4 x8 U3 q" r) s            fragmentcomplement.id = ""
    / T9 n1 J! S9 ^$ e5 [            fragmentcomplement.name = """ [/ G/ @# w) `) z% q! R
                fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description
    / F& B! W4 l' B! L+ j" f) r            self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])+ y; T- h8 `- i" Y$ v0 _3 O

    9 p3 I3 l  X' P3 x1 x            self.readsID += 1+ d' C; P: F1 Z% w2 d

    , q0 S/ B' _  P6 E! H    def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):
    % j; Q( p% C" P9 F        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):" F" G0 U" H, E, w, L4 n
                seqlen = len(seq_record)
    0 e& c7 {2 ]$ h  F2 s& J            self.genomeLength += seqlen+ u: C2 k2 `9 n% N% Z
                for i in range(self.N):, e, S) r, g  O0 d3 g
                    # 生成断裂点
    ' }2 W3 ~; B8 y                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)0 V% G' k+ Q% S8 h) E$ H: H
                    # 沿断裂点打断基因组
    ' I6 N3 s3 Q, K$ n  l6 {                self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    ! h1 K8 r( l( W) _& V+ e7 S: H        # 模拟克隆时的随机丢失情况
    , U4 u# f9 L  ~        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)- p) ^& |8 n: J4 M3 |  D- g
            # 模拟双端测序4 E. `' a7 A: v
            self.pairread(clonedfragmentList)
    - v& e' W) D' W        readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]
    * P7 @; l! n" E1 X$ B" P: t6 ^. R        readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]8 n" X( Y" k% B0 h  p% m& F' E- @7 v0 A
            SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")
    $ i9 q" O% U4 q! g$ o( j9 q. C        SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")/ n2 L4 @9 |, u/ O  c) Y

    / P0 C) K7 G: L/ H3 ?    def resultsummary(self):. B: c+ g, y. L7 U: }' e+ d
            print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")- u6 Q! }) h* `3 W$ X$ @
            print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))/ I) D# s; n, t/ b; f  J
            print("N值:" + str(self.N))
    + a9 ~5 a) d" _6 D; c9 a        print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))
    ) X+ _7 J4 Q% F  p* ?% O: S8 r- ^% |        print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability)): v) V0 s6 N4 Y( D7 a$ q  _
            print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))
    / v) ~4 T* p- u) ?+ X( y1 h. V        print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))
    # k% I* x# ~  J5 N/ G2 m) C        print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))1 r; z/ B' _/ V6 ~" O0 g
            print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")/ T7 w* \. B8 i3 Q* L/ x
            m = self.allreadslength / self.genomeLength) Z/ L" z7 y' _' q7 r
            print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))( _, o* ~1 w+ q2 L
            print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))
    1 h) w; M9 @# z3 ?3 y0 `! ]0 Z        print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))
    - K5 j* X) [  d4 r0 H1 F; s# -------------------------------------------主程序-------------------------------------------0 @% o0 k& k6 G' l( i3 h
    # 模拟单端测序# H4 Y4 ~3 g) m) t* ?. a
    sequencingObj = Sequencing()
    , F& w6 `  [# x. W, L* V6 x% TsequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")
    " k: s, Q9 B1 x( G( |sequencingObj.resultsummary()
    6 e6 w* B/ w3 n. f
    * s& z2 Q8 H+ a, ~0 X# 模拟双端测序
      _  x# @& ^; M& t& L) usequencingObj = Sequencing()
    9 G: a7 x2 a* QsequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")
    2 s- s7 f+ M  YsequencingObj.resultsummary()! ]4 j# W2 {( v% B" C" k3 _4 e
    from Bio import SeqIO* x* @4 w6 r, o1 }8 J
    from math import exp+ Z2 t+ c% F& U9 b% K
    import random
    4 ?0 c5 S( Q7 X, o, f6 Y
    & q/ O1 X* m2 y) _& C/ Lclass Sequencing:) g8 a" Y9 m2 A: o. G# E
        # N代表拷贝份数
    / ~3 |. i. B2 S% U    def __init__(self):
    ( z9 ?/ L4 `! }        self.fragmentList = []' W7 F8 [7 C% A) M% K- i3 N9 F
            self.readsID = 15 C0 c4 x5 H$ C! Z
            self.readsList = []
    * t& O( B9 x* c4 y* r        self.averagefragmentlength = 650
    : y* t3 e  u7 @: l- k$ T& \        self.minfragmentlength = 5007 K/ |4 |  u, B5 |7 X7 `3 y
            self.maxfragmentlength = 800
    & R. R, T6 H& z8 ~        self.cloneRetainprobability = 1
    8 X3 N$ G7 s4 k        self.minreadslength = 50" H. L8 L1 z) |% O* h& a7 I
            self.maxreadslength = 150
    2 w: z+ e% k' i  s' U        self.N = 10
    , }; M% s' ^% u0 c' @) [$ `        self.genomeLength = 05 D7 r- S1 R; P
            self.allreadslength = 0
    0 p/ V7 R" s9 _3 C( `* f% [% I" ?' k3 h! k* m
        # 生成断裂点, [) f8 Z: Q8 Q6 e
        def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):# w: O: y' ^2 D4 W3 I9 m: I
            # 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)9 k9 _9 u- `7 L9 i# O
            breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]9 O& C6 e. ~! g0 j: c1 R+ r, d
            breakpoint.append(seqlen)
    % {6 C" y* K: o" h        breakpoint.append(0)
    8 S) @) J( g3 ]4 k7 i# p        # 把随机断裂点从小到大排序7 y4 b1 X0 k$ V* o" M
            breakpoint.sort()
    : J% T  M( O! L; S9 [7 X        return breakpoint" N2 v1 y# r; ^2 {
    1 [/ R- O! X; S! k9 e2 `9 n
        # 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:200-1000bp6 Q! E* @1 @% _; r$ a& I
        def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):
    ; w, v6 Q0 A% V5 U        for i in range(len(breakpoint) - 1):
    , g: i7 Z  b* Z9 K! O            fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]. \: v6 d  y7 g$ G
                if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:$ \/ g  z  H' \7 p# \
                    self.fragmentList.append(fragment)  @1 s" n3 s2 s, Z, N
            return self.fragmentList' H% v4 Q+ F; ~

    ; D" W5 n7 }! E/ U" j* @" L    # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率3 V; G" X% [# f$ C
        def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):5 t6 r$ H5 @" v- ^- o
            clonedfragmentList = []
    : R( [  i' E! j4 ]        Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]) K- @! ]  @) X# _
            for i in range(len(fragmentList)):
    . Y1 v# [0 u: Q, V. }$ g            if Lossprobability <= cloneRetainprobability:. i" f" T& J" W8 H" O
                    clonedfragmentList.append(fragmentList)- o  H( J) i5 Q" s9 v
            return clonedfragmentList7 q# F/ R" Z* H: q% h) B, r- F

    2 ]; L- ~8 ~; y/ @6 a    # 模拟单端测序,并修改reads的ID号# K' s# Y% n! k+ o% _
        def singleread(self, clonedfragmentList):
    1 r  q0 E5 |' M) b0 }9 S        for fragment in clonedfragmentList:. j& C7 i/ s/ J, h  [! S; q- h8 t. s
                fragment.id = """ v% T6 j4 Z) e
                fragment.name = ""- Z- x1 a5 r* u+ l. C! s
                fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]- t% u+ X7 m7 W8 r6 q
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description
    6 \  o+ q1 D" F; j' D: ^0 V            self.readsID += 1
    , \1 ]9 m7 Y/ |7 k! J! `            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    0 Q4 Q8 I5 p7 A            self.allreadslength += readslength
    # b) i  n) }" h6 N% S            self.readsList.append(fragment[:readslength])9 y: |) ~: ?: ^7 M3 P2 Z0 Y( d- Y

    % }6 H' |4 b1 s5 A. i! z    def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):
    1 V" W. W: s0 q3 ?0 k        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):/ ]4 m4 X/ R  c, C9 E7 x
                seqlen = len(seq_record)+ U8 x5 d; @6 w4 k, o( _
                self.genomeLength += seqlen
    6 ?8 U; R/ p, u9 r. x2 e: q            for i in range(self.N):
    6 \# W8 d' {: @  D3 r1 }                # 生成断裂点
    ! G# ^" ]4 O) c! d. U                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)5 K2 r. H/ v* D* Z. j
                    # 沿断裂点打断基因组8 n3 i% N2 {, a- N& ^
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    6 y' t8 [* ^, A1 U        # 模拟克隆时的随机丢失情况
    3 h& F, ]" h6 N: `- h4 K        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)
    . h0 g, v- g2 j- b. a- ~        # 模拟单端测序* p" `% z9 ^* F' S1 P5 d
            self.singleread(clonedfragmentList)4 B" u8 x8 f, R* q3 \4 X
            SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")
    4 a3 J# H* P2 A! l  k, k6 [' K% `- K( {* K0 @
        def pairread(self, clonedfragmentList):. [3 S* m5 v# {  |: x
            for fragment in clonedfragmentList:, d0 j  z4 ?0 S* n1 ?
                fragment.id = ""
    4 H8 T% X( |: B/ K( c            fragment.name = ""
    ! s2 F/ M- A" w( L2 N- c* T, R9 _) m            description = fragment.description[12:].split(",")[0]9 p+ Q: ^* p! X( V: ?# Z
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + description8 [! f. n. a; p8 b7 O! B$ Y0 t* K
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    6 U+ J4 e( U0 A. B$ u$ ^) }            self.allreadslength += readslength
    ( Q" n5 }. e% [            self.readsList.append(fragment[:readslength])9 [. v  \+ q+ I4 ^; ?% @
    8 S) Z& X5 a& a9 ]: x
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)" z/ H* V' z9 D$ x4 f. B1 Q
                self.allreadslength += readslength- a8 d5 I5 b1 F  r0 u: {; Z/ A
    # t' o2 d6 f2 y  @  A/ `
                fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()% S! Y( {/ m  H! S. B/ X" M# ~* n1 w
                fragmentcomplement.id = ""
    / ?# [" }4 P' c& }            fragmentcomplement.name = ""
    % z5 D- q" f" C4 k% Y% w: k0 n            fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description
    - j9 ^" d9 E6 P. _, `' c# M            self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])7 f; u! `! Q8 C" s7 A& J/ q6 b6 b
    7 f+ `- k! n, h! h4 B: A4 p2 U
                self.readsID += 1
    : r3 y7 C4 Y0 |' B8 _
    ( {- u. E5 |5 ]! m# w4 M    def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):
    - f1 t# b3 O7 }4 e5 W& W" C        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):8 S. a. Z7 T5 n+ [
                seqlen = len(seq_record)
    0 i( \8 x* I' \. B6 l9 ^: \- l) p8 E5 X            self.genomeLength += seqlen
    - c. x# f) o- S8 H            for i in range(self.N):
    # o$ b. R, q8 ?' x7 k& f. t                # 生成断裂点
    & D5 O( ~- s' J3 `7 r: C1 |1 D                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    9 [" u* s+ `3 g, r) V3 L                # 沿断裂点打断基因组$ ?* O/ c: a& @3 W1 g
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength). k% A2 m4 z# N  ?. n
            # 模拟克隆时的随机丢失情况/ B9 o! e5 b( d' L! W) @# ?
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)
    1 `. D" s7 V$ E9 ?, X        # 模拟双端测序
    3 P7 z1 J3 K. T+ y6 `: k8 |2 B$ \( K8 M        self.pairread(clonedfragmentList)7 j: c! t! L. h1 G
            readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]
    - V/ A& c8 k( s% W        readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]
    3 N- c0 q4 j5 p0 D) S4 M! u& B2 f        SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")
    : x$ N$ R3 }# ]7 _2 J) C+ l        SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")
    5 D" o0 r( _  P+ ?: O
    ! C- d+ {1 S* y8 _    def resultsummary(self):
    ( X; O( N7 Z0 }, _5 \        print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")
      e0 M/ R( a  _' g4 M# I        print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))+ W3 q7 d! N; e) C5 B
            print("N值:" + str(self.N))
    ) ^( A+ I( x; Z' S* _        print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))
    4 M: z3 C& ~; y. q        print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))  R( ^  B& t$ w* L2 |* K
            print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))3 T9 Z' l- i* I) P. V3 Y! C* p7 }
            print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))
    8 v0 g/ v  j# [5 x2 i        print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))( [) p1 q- G8 X  s4 _  K
            print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")8 |3 t. g+ i* c3 I$ @% H9 Y
            m = self.allreadslength / self.genomeLength
    " @% p% q% C8 X8 a7 g+ u        print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))
    8 R" F8 U# @) R; ]        print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))
    & ], [: y/ ^  E1 Z        print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5))), s3 M$ `2 r1 }9 e
    # -------------------------------------------主程序-------------------------------------------+ _) n$ `3 U& B; m! Q
    # 模拟单端测序5 F" ?% u1 z9 {
    sequencingObj = Sequencing(). d$ {* F  M0 W4 L/ U1 Z; {
    sequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")7 B, y  x9 f3 P, D
    sequencingObj.resultsummary()
    8 H5 a9 l2 X, r% E. H0 p/ n  U" u# {8 k5 G/ R* d
    # 模拟双端测序
    8 j0 W2 e# C" {' D9 ksequencingObj = Sequencing()) V3 b5 }* g5 Q$ C9 T
    sequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")+ v' }+ j6 G, ?! X. Z
    sequencingObj.resultsummary()
    7 }9 {. I3 E- `4 [7 v9 ]1 u/ P. n
    ! A. W% ]& h9 e2 ~( b: E1 B" Q" P" U( [* ?# V3 j

    8 ]' Q+ S5 {: M, [& c " u0 z, g. s8 M9 h0 F6 x) \* q3 b+ D

    数学建模解题思路与方法.pptx

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