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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
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    [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
    5 y, w6 `" }* b; H' `基因组测序模拟/ J3 q# u( P+ ]. m9 B! K/ o
    ' w2 }' C" O- s, R9 G
    一、摘要) D6 [) F* T: m& k9 V8 c( M
    . c5 w6 m6 d. Q' h0 ?2 Z$ T
    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) p3 y- p5 q. U  d3 \9 f, V

    4 a; J3 w; ?; Q5 I, |1 W二、材料和方法9 |$ E* I) l; [: }, |2 W& \

    4 s  W+ t0 S1 w( K8 ~, D$ d1、硬件平台
    ( g0 y- i' F: ?5 g1 u) @: w/ [
    + O) l6 j8 v! Q9 [: n9 l处理器:Intel(R) Core(TM)i7-4710MQ CPU @ 2.50GHz ' E3 N+ Q& F- O
    安装内存(RAM):16.0GB
    4 [8 P) w; W* P% z
    0 m+ s1 a8 ~/ p  d, `; L# W$ ~2 @2、系统平台
    ! E2 f) s/ K# A' O7 m" NWindows 8.1,Ubuntu
      F& y' b% M; G" Y/ y2 `0 k+ Q" o" W' Z' g. f# E5 _' M6 P. n& d
    3、软件平台- h1 n9 e" l& ^5 |: j9 H4 U) c
    3 e! T$ a3 l& i6 D+ D; `/ Z2 N
    art_454
    8 ^# N. g% _( u$ dGenomeABC http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc// Z$ ~- h5 [6 h% D8 K( M* z& U
    Python3.5
    $ ^2 U% j7 F5 lBiopython
    * L' N( \( z: _& d( n4、数据库资源9 e( L3 ]3 l' {) r( R! Z

    3 d3 i1 J' {, j0 j: V; v/ j4 ]& ~NCBI数据库:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/  y; V( k3 @# {1 s2 k
    ( e& y; n* h# U! P/ M% E7 H
    5、研究对象. N6 E0 I# i, V5 P6 l) X3 e
    4 g2 s, s: g( r$ }
    酵母基因组Saccharomyces cerevisiae S288c (assembly R64)
    $ U4 k2 s- q0 M# L' xftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/all/GCF/000/146/045/GCF_000146045.2_R64/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna.gz0 k3 e1 ~% {/ S) U! O9 R+ j0 z+ F% Q
    5 k% K$ S) V) Z, Q+ V# a5 a$ h6 Z3 @
    6、方法& [( x2 m1 P/ i; E' c

      E5 v" D+ z9 N9 a2 O. |art_454的使用 : k: A9 ^1 X5 p; U$ [
    首先至art系列软件的官网,下载软件,在ubuntu系统安装,然后阅读相关参数设置的帮助文档,运行程序。3 [% J7 h  f- s( f3 j
    GenomeABC
    6 j6 T, ]9 Y! U2 H进入GenomeABC(http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/),输入参数,获得模拟测序结果。
    & N, r1 [! ^3 O0 Z% a8 Y编程模拟测序
      _! a% f2 e: a1 z% c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。. A( G% J8 f# D) _+ H$ `
    三、结果
    0 R0 \/ _3 m& K: o0 w9 @% H! F: a* \* D% H" Z" [3 G' l' }
    1、art_454的运行结果
    1 f2 J4 p% V/ e$ @
    1 U* F3 o. {9 Z1 g. n无参数art_454运行,阅读帮助文档 + }, }  I# j, _9 q1 G+ Z

    % m1 a0 g7 p1 F; D4 A& v. }' q( O图表 1无参数art_454运行 * J9 J. O4 P% Q6 Y' I/ V8 n* \
    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. 0 L1 h8 b' `0 E0 Z  J; y# {8 r, o
    下图为模拟单端测序,程序运行过程及结果 3 [4 a1 N0 p9 X& U# ]

      Y! ]( {; r5 R图表 2 art454单端测序
    2 {4 {6 W0 P& S3 c$ {
    3 d6 O4 n& {9 {  T- i9 g图表 3 art454单端模拟结果
    # q  Q: l6 w1 U4 k/ E: n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 - D) `& D- l" ~: {+ Q4 F
    下图为模拟双端测序,程序运行过程及结果
    ' L8 N; K; H* z2 u4 s* q: {( q9 F& J3 I
    图表 4 art454双端测序 ; i- ?# G$ L" P) z( U8 H
    1 ^# a2 o  s6 S9 x/ N6 k
    图表 5 art454双端模拟结果 ! Z* S7 M; R) u5 p
    2、GenomeABC
    + M& r, z- O+ h5 }2 d) n0 ?下图为设置参数页面
    0 X9 A: M: Z* L/ ^  B. S4 D$ F/ Y+ {  c' W9 y% |, N
    下图为结果下载页面
    ' k% Z+ ]. L) D0 Z, k* ]5 N; ]& D5 z+ ~4 V% Q
    图表 6 结果下载页面 & @$ `: e9 B& y1 |$ _0 `
    3、编程模拟测序结果 1 m" t4 p* l! A* D, c9 s
    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: X  S8 `2 n( I8 W- I- B) ]单端测序 & b" s6 X$ A  c( _
    % y$ z. w5 D6 S/ ~9 j
    图表 7 程序模拟单端测序
    / d$ m: n: q( j3 P4 l' K7 J- e. |0 S双端测序
    * ?* ?7 h( @2 n# O* |% h
    ' {8 o$ Q9 D0 q6 b5 ]图表 8 程序模拟双端测序 0 V3 w  K: s0 _0 c$ f3 k# v% K
    测序结果 ) s" q2 P# w# d, Y0 I4 @
    & n! J) m/ F& I& r* ]7 Y
    图表 9 结果文件
    0 U/ d- _0 I3 u- J) \% w9 G# s9 C+ y2 A
    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。
    # v7 H& o0 D% O2 Q6 F( D测序结果统计表
    $ U6 v. M6 |: \  C1 \; e# v  f: k( j3 p, Q* U
    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)4 m+ d* c* o; W9 Y1 S3 q8 s
    单端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        107378        50-100        101968        7645.541kb        0.62889        0.53318        0.46682
    ' S! ~6 O" k6 v$ c6 X9 t) o) N单端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        213722        50-100        202996        15227.882kb        1.25259        0.28576        0.71424
    ' d+ S$ g1 G( ~  W) G( `1 ]6 D" C双端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        106704        50-100        202770        15212.662kb        1.25134        0.28612        0.71388
    , L* r; S' D2 S7 Z+ L双端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        214212        50-100        407186        30534.265kb        2.51164        0.08114        0.91886  q, T9 n( H0 T' j
    四、讨论和结论
    " ]. ]. ]# g) n! f' S, s
    8 S/ v" M9 b- }8 e, k1 G程序运行方法( R6 i# T  Y% J* l* K

    ! p- x* z6 |2 W5 ~在类的构造方法init()中,调整参数。
    ( D& A, a& u: VAveragefragmentlength为片段平均的长度; . |; n. {: C" y( K. ^# h) [4 ?) T! s  a
    minfragmentlength和maxfragmentlength是保留片段的范围; / Q3 ~9 r- Z! e: B8 j9 j
    cloneRetainprobability是克隆的保留率;
    : T' X" [8 n0 ~8 Y/ Z8 fminreadslength和maxreadslength是测序reads的长度范围
    4 r/ Y6 h- a. L$ o
    5 h' v3 P- f3 s& J' Q) E  n. 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。9 s' p; q7 G8 `! R. D# a* k! K
    8 g5 C2 V" ~( C
    附录
    & W9 G; Y& I  K" C9 L
    1 E2 E( ]1 P2 T8 Qfrom Bio import SeqIO
    7 J9 l4 y. M/ b; ~from math import exp
    / L2 ]3 c( m$ zimport random& w" {- q# J* M/ g

    + q1 x& t6 ]+ Q5 a% a  U3 J# Jclass Sequencing:
    5 R$ z. F4 U! Y( p  ]* a    # N代表拷贝份数2 U0 ~$ x4 j! p4 R  n9 e8 x
        def __init__(self); f! \  D' `1 O+ T' Z/ {7 X9 x
            self.fragmentList = []& o$ b3 R$ Q( ~' G( Z1 {
            self.readsID = 1
    : z0 `; B5 J! j, F        self.readsList = []
    $ G  _* C7 W. R& \/ Q$ `$ M$ R, c        self.averagefragmentlength = 650
    . _7 Q5 }9 a+ V; n+ Z# h! _+ X+ B        self.minfragmentlength = 500
    4 ?. x: R% a" ?8 K( R+ ~7 K        self.maxfragmentlength = 800
    4 h7 C6 R$ g6 n  V3 Z& B        self.cloneRetainprobability = 1* A5 s4 L2 m! N) r* e5 F" D$ T
            self.minreadslength = 50+ ]9 G6 M) Y- Q, u
            self.maxreadslength = 150
    ( l0 p9 p5 h" G! O+ z        self.N = 10
    1 U( B+ W3 u( m3 l* [        self.genomeLength = 0  m  r+ `2 c) [) [* r2 v4 \7 o' Q
            self.allreadslength = 03 `* l5 Z. R2 A) Z) B+ a  B! k

    - C& G& t) S7 }- C5 v8 ~$ U    # 生成断裂点3 d7 C5 y0 ]! v' C( }8 n
        def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):
    4 x7 S9 N, B  ]0 [& L5 X, ], x+ z        # 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)
    * l. @6 q5 f+ [7 W& N' e        breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]
    9 @" ^% D: i+ @/ R$ p8 i' _4 q        breakpoint.append(seqlen)8 G. @9 ^; T, x6 y$ G
            breakpoint.append(0)
    # C4 ?0 q4 ~4 \4 h0 O- n  o9 B        # 把随机断裂点从小到大排序
    0 N" E2 j* ]5 Z9 X! f. p" {        breakpoint.sort()
    2 l9 s3 }# t$ q1 n  K" ~        return breakpoint
    7 I5 m( b4 {6 f9 L8 h! `% a" X: Q
    ; {. }9 s; q, w4 W9 m3 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:200-1000bp
    7 J) K; T" _! A8 C6 i    def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):0 e: x' Z2 ?+ \- V+ ~
            for i in range(len(breakpoint) - 1):0 ?8 o8 X  A* c1 N/ u6 t
                fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]
    & T0 T! \# S/ q! y& K% o3 J            if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:
    ) t8 J$ ]0 B# l4 Y0 O% C+ `                self.fragmentList.append(fragment)
    & {; V: F* p; j  `' d2 h3 z0 G* J3 {        return self.fragmentList
    - b8 S  [  J1 q# p
    9 n6 F; R2 v4 x6 n9 D    # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率' H2 \* j+ K0 Z6 f$ e
        def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):
      O/ M8 b0 a, K6 o/ [( h. ?& H! ^        clonedfragmentList = []' p: M1 `1 l$ I6 [
            Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]+ W7 E$ w- H( W% d
            for i in range(len(fragmentList)):; u- g; R  \; V. P4 _4 p
                if Lossprobability <= cloneRetainprobability:' L. |! _- ~" Y) G# C0 \
                    clonedfragmentList.append(fragmentList)
    , o( n* K: ?4 D( q        return clonedfragmentList/ |8 A2 R; [+ p! W5 k1 q

    / h) w% J3 ~1 I, a! Y' d    # 模拟单端测序,并修改reads的ID号
    3 k9 |" _8 K% |" @  Z' k* t    def singleread(self, clonedfragmentList):$ U2 `; S8 a) A7 E
            for fragment in clonedfragmentList:. A$ G; Q5 V, \1 m+ y$ c
                fragment.id = ""
    ; z. [& ?: E& x+ p, e. [            fragment.name = ""  s7 N) X0 C" h, A+ L3 G& N- b
                fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    ) ^0 p: {2 u3 G7 _. V7 S+ C            fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description
    1 F* M. I3 M+ ~, S) q            self.readsID += 1/ P+ ^. z: g3 o& }$ l7 j. R
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    8 \5 e4 s. o  y/ ?. I2 W2 e# @            self.allreadslength += readslength& P2 P* U' b- Q8 r* p- }
                self.readsList.append(fragment[:readslength])# i0 X2 F0 r; {6 m; [

    % @+ \( F- o- J% P# d; D    def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):* A! l7 I" q5 a8 M+ k
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):( Z) B9 W# |" U2 g
                seqlen = len(seq_record)
    * P& }4 f- o; Y            self.genomeLength += seqlen
    ; g9 p* K; S. j+ r            for i in range(self.N):, [$ b" S& J; \3 G3 ?
                    # 生成断裂点
    & q7 b/ p% z0 {1 u8 Y) A# H0 S9 e                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength): e# x* S2 ^1 [
                    # 沿断裂点打断基因组9 m  D/ t5 X) }( y/ O0 f2 M& S
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    3 I$ _! {0 L* W+ H- I, `        # 模拟克隆时的随机丢失情况" l5 F- b& m" t" U8 i) A# O
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)
    1 U4 E' g: j7 D  i; k$ Q% G: a$ g5 O        # 模拟单端测序
    , c0 ]9 U+ H$ e        self.singleread(clonedfragmentList); r( E2 o0 P: v8 s3 `# k
            SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")" f% k# y1 T5 x7 z- {$ D2 r/ x1 V0 E
    9 M5 T+ ?( w0 ^' x3 A: l  h& C
        def pairread(self, clonedfragmentList):, F* B5 c0 k" R- R6 W& V9 C5 w
            for fragment in clonedfragmentList:
    . w) H9 q' [9 S            fragment.id = ""6 U9 J/ X9 @8 r
                fragment.name = ""
    % z2 G$ I/ k6 f) ?% t# x            description = fragment.description[12:].split(",")[0]8 O+ Q: H3 o/ t6 j/ G) s
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + description7 c, }/ Z, A7 j+ `# x( P
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    ' L/ p# E+ g+ X& x5 _0 t* U% c            self.allreadslength += readslength4 l& x, q2 M7 z+ B* H
                self.readsList.append(fragment[:readslength])/ \8 Z. m2 e1 `/ `
    ; I# F  M9 W" e( C8 ]
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)$ O  s7 q$ E& ?  ]
                self.allreadslength += readslength( M7 _, v% ^: b* W: L1 }
    & {( ~3 @: p" C* d
                fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()7 n" T( n: z! S* H
                fragmentcomplement.id = ""
    . p0 E- J: }, l. w0 F9 W            fragmentcomplement.name = ""
    , [' `& R- E$ a, D6 H            fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description$ W( V, j5 ~! h5 a6 F0 |
                self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])
    ! B: W2 E2 p/ b0 [* t! p) a. Z; a0 z: f5 w
                self.readsID += 1
    - h, m; [7 w$ |6 a, h; ?1 O  G
    2 N' K' R$ c8 a, R    def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):
      ?6 W. h& H. M0 z1 V7 H        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    " W1 T$ }+ p% r            seqlen = len(seq_record)
    + ^+ p  h% e: y            self.genomeLength += seqlen
    ; ]3 w1 [- s0 o            for i in range(self.N):
    ; {0 H* N* `" H) U3 v: V% \                # 生成断裂点! A4 u5 l6 M- k/ ]$ T) {
                    breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)4 Y+ E5 a) I' p' B* t/ M8 L
                    # 沿断裂点打断基因组
    5 }% W' z5 v! W1 o! R                self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)( O* h1 X2 ?; n
            # 模拟克隆时的随机丢失情况7 O+ I8 ]4 ~$ h* i
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability): X: j& U7 [% z/ ^# c$ z) z
            # 模拟双端测序% R5 z, s2 F4 q) U% E, [% J& Q) P2 V" H
            self.pairread(clonedfragmentList)' v8 r; {+ m: z) l# d
            readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]
    - [- H1 A% T' F% J% b$ ^$ X. \2 O        readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]
    ' s* l. P+ f& G        SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta"). {( X* V' Y3 s3 C
            SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")3 W- {2 E7 h8 Y5 o  \. _- ~, ~- u
    . v1 P+ H8 I! b1 ]
        def resultsummary(self):3 l: X. F/ e. E6 M- G+ r* o
            print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")( [8 z/ ]2 ?8 ~; Q# @% h" e/ T
            print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))/ G) u2 y8 n3 G/ o
            print("N值:" + str(self.N))
    1 G. l$ }. H' g  |% N        print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))
    2 M2 h4 A+ E0 {0 i        print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))
    4 q' v6 ]. f7 a) \  T0 t5 B( L        print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))
    , `& q1 f5 [+ C0 M$ ~: t- r. G* ]- G        print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))) ^3 a5 @; f3 r! X
            print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))' H( f; a5 z, {: ^* p% P
            print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")
    ! u4 H3 x2 I2 m- F1 ^4 A        m = self.allreadslength / self.genomeLength/ o! d4 ^. z5 K$ t- x1 c7 {
            print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))+ P" {  `+ X- k" \7 I& M! R
            print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))
    8 Z2 E% N: [4 l0 R' b# W        print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))% I7 b4 U2 Z9 _  X, j) X! k
    # -------------------------------------------主程序-------------------------------------------
    1 ^, Q3 R+ G/ ^; Z/ ?# 模拟单端测序
    . E7 Z7 O. g! B9 y0 ^sequencingObj = Sequencing()
    + z8 e, d- v2 W* X2 f$ k2 c: isequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")+ N  E8 L# |# N  Y+ b9 M: {
    sequencingObj.resultsummary()
    . k% h& D% J6 Z( F7 X: o% J( V: P/ j+ V7 N! ]6 m
    # 模拟双端测序
    $ @8 h2 z2 Q# R  S0 _3 X. b0 ^2 ]4 c, U( ^sequencingObj = Sequencing()( O5 ~1 V7 U! j8 @
    sequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")5 y+ V& K% ^2 S8 B+ O
    sequencingObj.resultsummary()
    0 p- b' l/ c: A% V  J0 ~8 @! Kfrom Bio import SeqIO
    8 R" i2 }) ]2 ~3 k" j, j4 l* J  Ofrom math import exp4 ?# ]6 o+ N/ g- W8 ?
    import random
    & m/ Y% D, T- I2 ?" a. v8 `. H/ N# X, i
    class Sequencing:8 A! h0 B& d; @' O8 r6 \4 {
        # N代表拷贝份数
    . X8 `7 [; o5 u/ |: A    def __init__(self):
    ) l" f+ q: t, @3 p        self.fragmentList = []
    " [. X# Y7 n; u/ p        self.readsID = 1
    1 G7 b+ m# B( y4 o        self.readsList = []
    6 ?4 n; ~3 M) k" ^9 Y- O! {        self.averagefragmentlength = 650* s+ L7 q; z- X5 Q5 o! w% C- a
            self.minfragmentlength = 500' |9 r/ Y; m2 {5 K  V
            self.maxfragmentlength = 8006 b8 X$ Q1 D0 l" q
            self.cloneRetainprobability = 1, Z3 Y, Z# J( V: M4 S
            self.minreadslength = 50
    $ O# h) c- k/ ?/ D        self.maxreadslength = 150
    % _* Z- t$ w( }' @        self.N = 10! F9 h2 a. P- r# u8 K5 C
            self.genomeLength = 0) Y% t  _0 e. }  D8 ^
            self.allreadslength = 0" v! A4 c- e8 I" a4 n0 Q4 w

    ) O) Q; K1 n8 p    # 生成断裂点
    / Z' U( X- e# s# O  E. c% g    def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):
    ) c; s. K. f/ O3 v/ o+ 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)
    * h) R, d7 `, [( @8 i' b( O        breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]
    6 f+ K5 q0 F3 D        breakpoint.append(seqlen)( Z+ P" g+ T' g# Q/ L
            breakpoint.append(0)
    - K6 v& ?, p/ ^8 W        # 把随机断裂点从小到大排序
    7 C: g/ p) z' m4 W        breakpoint.sort()
    % k% ]  O8 ]3 S# k3 J4 t        return breakpoint
    5 `* k  h1 C, S7 Z
    / r& ^3 }/ d' n/ 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:200-1000bp
    6 D- l* S- B' d+ V    def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):, R+ W- Q/ z0 c# D$ b) ^0 M5 j
            for i in range(len(breakpoint) - 1):/ I  o& T0 O# W# G
                fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]% d  S% k2 A+ O/ j
                if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:
    ' C. ~8 a5 c0 t" X5 K9 X1 J                self.fragmentList.append(fragment)! b6 ~4 i0 n* t' G
            return self.fragmentList- l, t9 B2 K! O; y7 x* |( ~

    ! f3 B& U$ d/ X    # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率
    * x: r. m! y& ?3 _- u# V    def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):
    5 |" S! q  K2 ~% j, `        clonedfragmentList = []
    : K( ^  ~$ b0 l5 N& k; n        Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]6 r( V  E' X. ^) B8 X
            for i in range(len(fragmentList)):$ n/ G/ h  P1 Y8 {6 B; s) x  O
                if Lossprobability <= cloneRetainprobability:
    1 }& E1 H/ p. x! K: e3 f: C0 _                clonedfragmentList.append(fragmentList)' U' z) r2 u$ O! Q9 l% F
            return clonedfragmentList4 X& c: b6 G8 K+ p2 V

    / Q; {+ N" Z0 P* I% U: t! J. K; ]    # 模拟单端测序,并修改reads的ID号' N/ `# s, S9 b% _6 i) m( v
        def singleread(self, clonedfragmentList):  U1 W& _. q/ T. U8 [
            for fragment in clonedfragmentList:( i1 u8 P& w+ N; a: P
                fragment.id = ""# H3 |5 Z& u: s) k
                fragment.name = ""
    - z5 W; s. X7 S" M! T1 ^- I) F. w            fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]0 V' x$ A, N- M/ n
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description
    3 d$ b* x9 A4 U1 `            self.readsID += 19 s# g  Q* F1 s3 _  f
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    # D& v9 C2 ~. z6 O- k5 K( Y: I            self.allreadslength += readslength: |& S9 _' h7 H) S' `0 x
                self.readsList.append(fragment[:readslength])
    2 F+ p" L! Z+ \* v) {4 R' m" m
        def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):6 m+ {) g; o) w+ c8 Z( q7 O$ e
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):2 u8 u. M2 h# |5 J1 y7 W# ^
                seqlen = len(seq_record)
      R& M4 B/ g' `            self.genomeLength += seqlen
    ! S2 W, k2 p. u            for i in range(self.N):# g% Y: A- A; T/ x
                    # 生成断裂点
    - z8 G7 e- ^. i4 n% I! K                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    . V5 G5 [$ z; d; @4 ?# P, H                # 沿断裂点打断基因组# j* U+ ~5 Y& t( m
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)% ~/ t6 S9 X% l5 N' M0 u8 n' @1 O
            # 模拟克隆时的随机丢失情况
    ; s7 Z( c, x: M9 E  P9 a0 R2 v8 A        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)
    ' r3 ^0 j" _+ X- N        # 模拟单端测序0 h0 Z" ~" j9 F: r6 |
            self.singleread(clonedfragmentList)
    - U3 r, u, z3 {0 O5 c# y        SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")4 @# h' K$ {, B; O. J  B$ p4 j
    5 v0 o5 x1 M0 ?+ T! v  g1 I
        def pairread(self, clonedfragmentList):
    - [( G. z3 ~* Q        for fragment in clonedfragmentList:
    , m1 [0 ]8 a0 N+ H: l            fragment.id = ""
    % d( k" ~: z: [. T            fragment.name = ""
    ; C4 o  b9 z2 Y- B" [2 e* i0 V; F/ n            description = fragment.description[12:].split(",")[0]/ V' }; N6 C$ N$ M- i
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + description) K7 @6 M0 w. G
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)% l: x4 z$ W2 F  |% V5 _& d  o
                self.allreadslength += readslength0 @# J( R$ [9 b& f( j
                self.readsList.append(fragment[:readslength])
    9 R, U" W, B( ?
    / k' b+ S) r! X0 Z            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength), b& t( n/ G; N3 N! {' m
                self.allreadslength += readslength* Y* h. k6 D1 g% {

    9 j* F) x) f3 Z) q            fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()3 e) w. }& p1 n  d  [) K/ r
                fragmentcomplement.id = ""8 M, J6 ?. v& r$ E% i+ W% `1 m
                fragmentcomplement.name = ""
    ) r. B& ?) ~7 G9 R- J5 T; `: l            fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description
    " Z2 f) C# |* u2 r: r* y/ v! B% J            self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])
    % K0 ^/ K6 G; f7 A+ E
    " B: ^. ]3 e, _            self.readsID += 1
    0 g- q- Q7 E2 ]
    ' d# d3 X- W( E$ G    def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):& o! B8 x& V9 i8 U+ s  P# B
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    # \, `3 s( O$ H' K            seqlen = len(seq_record)
    9 \: T" [% F6 u& ^3 S5 H8 m/ [. q            self.genomeLength += seqlen  M0 K5 l. u. _- q
                for i in range(self.N):1 {/ [3 H( [3 R
                    # 生成断裂点8 n; y; v! R- @( ^# k) s! \! h
                    breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)  Q3 S9 T% [0 V2 T; R9 a( U# L
                    # 沿断裂点打断基因组+ F2 F; ^' [9 |6 v1 ?
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    . e4 d0 B8 Q9 V9 ~        # 模拟克隆时的随机丢失情况
    9 C; J7 d) E# g" J, _" ?) p        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)7 F7 ~( ~. d2 r  p, T
            # 模拟双端测序' x9 T5 Y1 |. ]1 i& C  E
            self.pairread(clonedfragmentList)
    $ }( F5 _' ~: ^4 R7 V* V- _        readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]
    ; K( w5 Y: G. `3 \        readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]
    4 ^3 D; S7 n5 I1 }$ n        SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")
    5 a  W, Y- D% ~2 {4 E- N( F        SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")
    ' ~2 C+ G( g- o( K& p3 w
    + R' Y' Q8 b% B( [( ]1 f5 A3 V    def resultsummary(self):( ?- S2 v$ ~9 W7 Q5 m
            print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")
    , f. z8 p0 \$ h; z        print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))
    , T+ a& m4 Q# m5 x0 _0 _        print("N值:" + str(self.N))6 |/ Y) V* ^9 G1 ?3 }; E! s
            print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))' u5 Q& X+ M2 @% O* W% B$ v/ N, T
            print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))9 y; y0 \  K% S3 a. a9 ~1 y
            print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))
    1 R2 i+ k, N+ ?1 s  W; [0 m        print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))
    9 {) K6 ]" H* ~& S        print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))
    " ]# ^& B. {0 d/ o! d) S7 F        print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb"). s( O: ]) }2 V! F3 F7 v: F
            m = self.allreadslength / self.genomeLength
    5 Z+ e. t) V9 {8 E        print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))
    3 T5 _) M. U4 x: J) F3 T        print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5))): S& K: P; y8 m" d. m) X$ V$ `
            print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))
    * A9 u0 Q& ~8 n% R# E/ Z# -------------------------------------------主程序-------------------------------------------8 U5 A! O1 c2 s  J3 c; W; \+ b
    # 模拟单端测序8 ^  }) a3 z# W# C# y1 G
    sequencingObj = Sequencing()
    8 f3 X0 n# p- j: U! jsequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")
    . o6 ?' \& ?9 a$ C' H0 H, N/ B* |sequencingObj.resultsummary()
    : v4 |+ @- T/ K8 C1 s5 f% c% X8 _% _
    ' A* P2 z5 X( b# s* g# 模拟双端测序  M& i/ A" e( Z5 Y# g9 a
    sequencingObj = Sequencing()1 z1 P2 m  K3 G0 Q
    sequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")/ u- s& |+ n0 b. \8 T+ J5 u
    sequencingObj.resultsummary()% a( j" d+ ^" m' V! S- ?5 g; b: ?4 k
    & q) f! a+ p, X) I# M1 L

    . d8 d* J; A  H  D! H* G8 K+ \
    $ F0 Z+ e( q* p' E7 V) d
    7 P8 @$ @8 i' Q

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