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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
    . E" n% |8 s9 j# P; l基因组测序模拟! d! _3 J: M0 u6 Y

    $ V6 [: v! }: {. D2 o一、摘要2 D% e- w+ J6 J; A" H
    2 F" k. B4 M; m6 ^! V; C" 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
    " R% p+ H' C6 k' ?
    ) F$ l  r" \# F* s二、材料和方法
      x2 [1 ]9 ?. n9 k- {1 H+ N" }9 R! m
    1、硬件平台  Q$ ]; D! }8 h3 i

    9 ^6 \; s# r9 {& k0 Q处理器:Intel(R) Core(TM)i7-4710MQ CPU @ 2.50GHz 1 T  f# V+ U  d3 ^
    安装内存(RAM):16.0GB! J* y- O/ l! B' X

    ( |) H5 h2 d3 x. J9 r( W2、系统平台# V7 C$ F- m1 d; w, g9 b  l1 d
    Windows 8.1,Ubuntu
    - ^6 }& J6 r0 K  [- j( ]8 R6 k, k: N
    3、软件平台( ^" V: F4 i% d) ?8 n
    # F' _6 s$ b5 E  [
    art_454
    # _# I# n' U# u8 d" @GenomeABC http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc// }0 A) k  _( Q: ?$ h
    Python3.59 Z$ H9 _/ K5 |0 t* Q
    Biopython: z3 ~- L& a4 v  V! L, ~$ c
    4、数据库资源& p5 t& F& M2 P! K5 f0 a6 ~

    3 u* s0 k; f- C% D- kNCBI数据库:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/
    - U# \, y" E! D0 Z. R+ w! S7 E8 T6 c! R5 \& |( c: G
    5、研究对象; m( }9 f: R9 x& w

    ( i5 ?  J. S8 I3 ~' ?- Y7 \4 f酵母基因组Saccharomyces cerevisiae S288c (assembly R64) 7 d8 I* l0 S% M9 h
    ftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/all/GCF/000/146/045/GCF_000146045.2_R64/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna.gz
      t1 U. e' l- ?. H# F9 t1 s
    0 h7 q0 S- H2 H+ ?' T( L6、方法1 J5 X8 P1 G, w' [1 N" v

    , T& `* e9 R9 A0 xart_454的使用 , t# q, e4 Q; l! B6 s
    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。
    + g- {1 A8 n, y: T( RGenomeABC
    9 e/ }) k5 U6 e. K% E) a进入GenomeABC(http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/),输入参数,获得模拟测序结果。7 k. R8 y- z; p' D; m: i9 _
    编程模拟测序
    . y9 _3 B8 W1 v' t. R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& F: K& A' {三、结果
    1 ?" k: F* M9 {4 n8 U
    7 X) h: G! N) b6 i1 `/ {4 W1、art_454的运行结果
    * Q7 t) }/ Q# L! s8 x
    9 k- q0 P; c$ e无参数art_454运行,阅读帮助文档 & N$ ]# I& U8 L6 E. m1 |2 y6 t
    2 l" w5 h$ P) o7 ~5 O* X! u
    图表 1无参数art_454运行 7 }: g* d* c" E6 ~& k
    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 O% P, a2 y% X: ]: W
    下图为模拟单端测序,程序运行过程及结果
    ' j8 e% K0 Z& \; Y' d3 F. _4 y! L' X  R( i
    图表 2 art454单端测序 1 W# n8 i7 A. D( G- k5 o

    2 O) v2 E& x, ~' S9 C% w3 D图表 3 art454单端模拟结果 9 i) ?- N+ |. P+ l2 ]
    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
    1 i. A3 V7 D. v9 k! B% ]0 @/ l下图为模拟双端测序,程序运行过程及结果
    * V0 s6 R3 |8 K
    ! W& t# \/ o$ y3 s5 Y: t图表 4 art454双端测序
    ( a& `, r% u7 ~# V" W" z7 e& j( f) {6 a- Z" K0 O7 a# G0 \
    图表 5 art454双端模拟结果 2 T! c) ]! g2 M  u, e. q! U% @
    2、GenomeABC , w% M6 X! w$ `
    下图为设置参数页面
    ; D0 S4 Y7 ~; m' U
    4 Y5 m  r+ q* Y1 ~4 v5 I下图为结果下载页面 ! _4 M( d4 l! j, @' l; s3 Z$ ]

    # M7 H, F' d' g6 H" V. p图表 6 结果下载页面 7 w8 F: Q3 z2 c0 w, M. z
    3、编程模拟测序结果 , `- ?) q1 h  Y! v. |
    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。
    1 @" Y+ b( n( x0 Y; G( f单端测序
    . |4 v, R% z: ?2 q
    * k7 Q- ~7 V+ ?# o% ~* d图表 7 程序模拟单端测序
    5 N7 u) ]* @; n: l6 U( `8 N双端测序
    / u! e' V% Z4 N, _9 c  P  F/ g5 I6 z
    图表 8 程序模拟双端测序
    ! k' n. B9 e  ~测序结果 , [6 G2 u( k) t5 P) t
    0 i7 s9 L- ]/ r% `
    图表 9 结果文件% W0 V8 R1 H& j+ B/ s# [3 a; g

    " I7 |- O, i! ]  r( g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。 7 L+ u$ g; I1 Q
    测序结果统计表. Q- c) O- Z8 D6 g6 k7 ?
    " w# ?8 v+ l) M
    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 H. T' D4 A3 q9 p" r6 ^( A# {单端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        107378        50-100        101968        7645.541kb        0.62889        0.53318        0.46682
    % _$ y, |! Y! `% R5 P8 K单端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        213722        50-100        202996        15227.882kb        1.25259        0.28576        0.71424
    8 w7 V3 e3 ^" w4 r, v双端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        106704        50-100        202770        15212.662kb        1.25134        0.28612        0.71388
    2 g* a5 T0 h7 l双端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        214212        50-100        407186        30534.265kb        2.51164        0.08114        0.918863 Y0 ?* ?9 _8 x0 o- v- i. ?( N' ]
    四、讨论和结论
    7 G; g  f5 C  Q" b! E$ F, w+ p( Q; t5 i+ e0 u" T8 |, l/ a% p5 N1 g
    程序运行方法
    : z7 Q" h2 g& Y; i% A
    4 K8 ^# g0 o( a1 Z5 |8 t在类的构造方法init()中,调整参数。 - R# C" H) X. z! K: J5 O9 o
    Averagefragmentlength为片段平均的长度; " _* p" {& x2 P& D
    minfragmentlength和maxfragmentlength是保留片段的范围; ; z8 P5 }4 B% q3 C$ n
    cloneRetainprobability是克隆的保留率; 2 u/ [. N# G1 d9 u1 C- o* v  Y5 f
    minreadslength和maxreadslength是测序reads的长度范围
    ; m- E9 D4 z% ?7 E  Q* J6 @3 }8 G; n! c& U1 o5 W
    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。; k+ X3 u& {% O0 B6 G
    ! T2 Y" _& H8 y6 @8 O
    附录* K- y, P5 W4 ]- g; c! R3 J% K
    0 J3 {8 c% U! E4 s
    from Bio import SeqIO
    - a' M9 g0 y, ~9 dfrom math import exp9 I4 ]$ X  b  R- N: M6 p
    import random
    : W6 R- i. n7 k7 o( H# P5 J5 s+ y+ n* z  X; H& z/ `' T4 w
    class Sequencing:& L4 p/ D1 C% ~; n. F, V
        # N代表拷贝份数
    7 [( W7 i+ T- W8 Z    def __init__(self)( C8 Y$ a' _) [9 y" J- ]: R
            self.fragmentList = []. r9 d' z, H5 O
            self.readsID = 1; }+ J% o) Q; T' ^
            self.readsList = []
    4 j5 W, J2 E+ b! u" K; X) G5 U        self.averagefragmentlength = 650$ v( s0 P  A9 f5 S' r! _0 X( Q) m
            self.minfragmentlength = 5007 G0 G  z( c3 Y! ~
            self.maxfragmentlength = 8000 t. q5 z3 F  V; R$ @* Q
            self.cloneRetainprobability = 1
      r" y3 K: }0 @        self.minreadslength = 50) {6 @' d, b; v2 k' U$ C$ k  W
            self.maxreadslength = 150
    # Q6 V- b; I" Q  }( o- k        self.N = 10
    ( K7 I$ F2 C$ d) B  s# M! v        self.genomeLength = 0
    2 U5 _7 `4 ?* L8 X( R# x        self.allreadslength = 0- x. |+ l9 G) {
    + F- L! H3 I2 {( P7 g8 n) r) a
        # 生成断裂点4 ?+ F! B& x; ^: Z7 `% d
        def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):
    $ g, m; z* @- N6 |        # 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)2 i1 z+ p8 }9 a) M* D
            breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]+ N" {. i9 c3 L- b# @0 T2 q
            breakpoint.append(seqlen)
    3 b1 _8 Z" g9 }( o/ A. O2 i- E        breakpoint.append(0)! y# j8 b# a! P0 q% ~# U; `3 K
            # 把随机断裂点从小到大排序+ C/ @; E0 V2 N' \) q3 w' _% K' E
            breakpoint.sort()
    ' B* R& q+ Q: V  a0 i$ T        return breakpoint! ?* q+ A  B5 j- H2 E* \

    ' d( w( O2 N6 Y4 N/ p) O    # 沿断裂点打断基因组,并删除不符合长度要求的序列片段,定义片段范围:200-1000bp
    3 w& C( w5 O2 ~! D    def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):# I+ e' m) ~% F- H3 t9 r2 `, G
            for i in range(len(breakpoint) - 1):
    . d! u  L0 ~# }7 i! b7 ]4 N            fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]  L3 u% p+ D, Y& x0 X+ S; k
                if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:
    2 v: b4 N3 j1 Y* |% {% P) M/ W. F5 l                self.fragmentList.append(fragment)
    : y4 ?8 x: K3 E7 r" q/ A        return self.fragmentList/ f6 W2 ~+ D/ L$ S& W* B

    8 N: ]6 {3 d- _    # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率5 r0 q1 K: R+ c# V# O. Z
        def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):7 r2 l& F1 f# Y4 L" a* Z4 T
            clonedfragmentList = []# C) g' L3 \9 C$ R+ ~7 f  J7 M4 ]$ U
            Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]
    ' I# @6 w4 n) |6 S        for i in range(len(fragmentList)):) N  O: A# d; C1 O( t3 h
                if Lossprobability <= cloneRetainprobability:
    / t4 z$ X7 {2 B; U                clonedfragmentList.append(fragmentList)
    3 w  c, R: b; p        return clonedfragmentList# h1 o; k2 @; M
    * ~- o+ y9 y. u# N; V3 |9 U
        # 模拟单端测序,并修改reads的ID号6 Z* w! h9 O  }8 `6 B2 Y
        def singleread(self, clonedfragmentList):4 v2 s6 u; G  p8 k; I6 n! G
            for fragment in clonedfragmentList:
    1 v8 b; Y5 Q: H8 T1 g! B- E            fragment.id = ""
    + J4 T. W8 V# H: x            fragment.name = ""
    9 E  n  R* B; r9 d+ ^! @! d1 k5 ^            fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    1 n' `+ e6 }5 Y" l  u            fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description5 M- J; d6 @+ q& G
                self.readsID += 17 I; Q5 P( z( Q, n1 T4 k* C2 U
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)# F- p" v9 q" f# ^: O8 l+ r! X
                self.allreadslength += readslength+ ^. f% t" Y. J0 |/ L5 ~9 O
                self.readsList.append(fragment[:readslength])
    / }/ N0 L! d% s/ f) K, K  E6 c/ S4 n2 d4 ]/ h. n) p
        def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):+ ]0 N/ k. A: n: w
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    9 V# g5 a. t9 f; g. Z' M            seqlen = len(seq_record)
    1 J0 Q5 c: z7 Y( E* j3 U6 q            self.genomeLength += seqlen
    $ {( G; D8 x  z5 ?, l            for i in range(self.N):! o" i3 l8 H& W3 l
                    # 生成断裂点
    $ L; d9 z/ e8 l: S5 c                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    ; |" f- \7 K: l3 Y' i5 @. B                # 沿断裂点打断基因组
    - i) M5 A3 p9 t2 y, w  p/ T: |                self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)2 V$ t4 Q9 d# `0 `2 E* L5 m) `8 A# {
            # 模拟克隆时的随机丢失情况: E9 }% ~9 v7 }8 U6 F) m7 _, _9 C
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)$ Y" V1 s" k% n. W, K3 T/ T  |0 ^
            # 模拟单端测序
    - f" P  X4 ]1 D. a) Q; @        self.singleread(clonedfragmentList)
    $ E& F; B! H0 S2 K- L        SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")0 m1 ]9 f  w4 G# l% O
    + y  O3 a% a6 y7 T
        def pairread(self, clonedfragmentList):8 o- ^2 O# R% a- W' F. B1 \3 \8 x5 {
            for fragment in clonedfragmentList:
    8 B1 m+ s! ], [, B) o            fragment.id = ""# J6 H$ |6 e* f" W! _- ?
                fragment.name = ""2 _, o2 s$ S$ E, `
                description = fragment.description[12:].split(",")[0]5 m( s1 [; @+ q+ R' d2 o% x7 F
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + description
    9 r; n6 I1 |8 A, H) F            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    1 ?2 v7 f1 h9 _, y2 h            self.allreadslength += readslength4 S, ~" c; z- S% @1 B( |1 e
                self.readsList.append(fragment[:readslength])' ]2 Q1 \+ y  n1 b' w' h' ]
    $ t! l+ }8 {; R; v! y% v7 k
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)" H6 M# x* x* ^
                self.allreadslength += readslength% Y0 m- S( \- i9 ?0 \. {8 r2 P6 b+ Q

    " R7 i: c* x0 e$ C7 u; C+ Q            fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()1 b0 h9 O/ v$ z9 P
                fragmentcomplement.id = ""
      i$ U4 Y( w$ R  c' Q" g            fragmentcomplement.name = ""7 g7 h5 X; o: r1 G4 e! R! ^
                fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description
    : G) D& }! h* p8 a5 h            self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])
    9 O. M4 a1 E$ J2 l- v
    7 [; I( A  a( q' e3 D! N1 _+ z            self.readsID += 1
    ( G: J) C6 O- v) ]
    ( R8 P. ^2 s7 O8 i5 u  ^/ h    def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):' H' I9 e& M* ]7 J1 v+ R- d
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):- W9 V) I5 N4 ]' B; k9 `) o$ |
                seqlen = len(seq_record)
    + R1 p+ a: D* _' T5 r            self.genomeLength += seqlen/ n' Q+ {# y9 w' H8 t
                for i in range(self.N):: S. n$ e8 h) P2 e/ Z7 s
                    # 生成断裂点1 n# ], ?" E) L7 N$ S2 j
                    breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)& j" V- _5 W* Q" b+ `
                    # 沿断裂点打断基因组+ ?/ m( S4 M. b- n5 a& ^/ f
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    2 }2 g5 L* z( d( k# i, k" J        # 模拟克隆时的随机丢失情况8 m, }' `2 A6 H# ^0 G) R  x
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)6 R! h- R( ?0 h* {5 ~  e7 T
            # 模拟双端测序
    " A. c6 H. H% \# f        self.pairread(clonedfragmentList)
    4 A1 N) @2 L7 Y& p- O/ ]) X        readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]
    3 ~8 y/ g0 \0 }# i# K        readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]- j3 [6 s, p+ |! Y0 B2 Q; |
            SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")
    . T, i3 S( ?3 W& V        SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")
    / C2 G! Z  O: `
    8 A1 ]. w7 ~# S9 w5 ?- _: x% b    def resultsummary(self):
    & V/ ?( n: Z; @- w: E        print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")3 |) j, s, L9 x5 d, a( V8 w
            print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))
    7 e5 k$ X, q1 L& t5 ^6 i        print("N值:" + str(self.N))
    , E3 T# c" d1 Y5 `' c( _        print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))
    1 S8 j. w( ?, f+ e. f3 Y        print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))
    # w+ q3 g5 N* o7 Q; w: Z/ b* l        print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))
    " X+ O) y2 I! Q% [& L        print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))
    & i% P, ?$ v1 h6 H        print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))
    ! C* }; j2 H; g        print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")
    8 t6 ]2 x3 D( n1 @0 x2 g) B% t        m = self.allreadslength / self.genomeLength
    6 t0 J* q( n% U) X        print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))
    ( X$ E! `+ |# I3 }% G, L' J        print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))
    ) F. ^$ J0 N, e% G        print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))
    - ^$ i) V! h$ f+ C  N: I5 ]3 o# -------------------------------------------主程序-------------------------------------------
    * a- A7 }, R$ t( @# 模拟单端测序
    % _5 i4 y4 L% i' ZsequencingObj = Sequencing()3 _% \% J$ _& M5 X- a8 t
    sequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")
    6 E2 ?0 O: l* A& I3 K3 G9 R: Y2 vsequencingObj.resultsummary(); H; V0 p% M: ^7 P
    / \# R5 O* F9 }0 l8 ]% |% R: Y! r
    # 模拟双端测序: r: W( z5 f& G5 I+ n8 y* i% @
    sequencingObj = Sequencing()
    " w% Y' m9 M/ m% WsequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")
    4 i% @  S9 O- QsequencingObj.resultsummary()$ j7 E7 }0 `, U. y
    from Bio import SeqIO
      T! I1 U3 q3 A* Qfrom math import exp" w7 m4 S! J/ p# x4 b# {
    import random4 r1 g  T, r1 R4 U$ c1 G0 @6 X  j6 t
    7 [7 Y4 j# ?/ o
    class Sequencing:1 P& `1 u8 Y! ]0 }8 O1 Z) n2 F
        # N代表拷贝份数
    3 z1 Q4 }  g1 X* X    def __init__(self):
    " ]* c' |  h1 y# e' X, ~/ n" c        self.fragmentList = []8 d$ w: l& T9 n
            self.readsID = 1
    : J4 Y' I9 }8 D! `8 a: W        self.readsList = []) a$ T6 f( w  C$ t  M) M7 l# B
            self.averagefragmentlength = 6505 z* O3 B- I2 x) |
            self.minfragmentlength = 500
    7 B% ^  s7 r! O8 ]. s5 U        self.maxfragmentlength = 800
    8 B: D  Q- N; l9 v2 q        self.cloneRetainprobability = 10 ?2 _4 O9 V. O, g- F5 G0 e
            self.minreadslength = 50
    % P/ M! ?0 s+ T* a4 h4 b6 m        self.maxreadslength = 150
    ' a1 S7 N& q8 p& u, F4 p7 N9 x        self.N = 10
    / T" n! u9 j+ A) J9 q: c        self.genomeLength = 0
    9 @: d6 @2 Z9 ^0 J0 U        self.allreadslength = 0
    % k) h) W+ _2 w& t" t+ [8 Q: W2 y9 s, H8 K$ \9 N/ z. p/ U5 n
        # 生成断裂点1 v; d, j$ J( T/ J1 G1 e+ Q
        def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):* w; V6 j& w% g' h! l
            # 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). d& _' x' p* m9 A& b7 p- H
            breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]
    + o$ x9 {7 B5 c7 ]        breakpoint.append(seqlen)' ^8 g! v4 a" q: a9 S: d2 [" J
            breakpoint.append(0)8 D9 v, a3 N  E6 A( m
            # 把随机断裂点从小到大排序/ }, X# ]* f0 J) c% P+ Z6 F
            breakpoint.sort()
    2 S: X3 [0 ~. i! T- o) e+ _        return breakpoint
    % m) J/ X, g: |& U4 R
    ( I0 v' M5 d/ D' }# X" N- S    # 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
    0 k* Z1 @" A9 n) }8 ]    def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):
    4 w3 \& {4 x# F/ u# e' n        for i in range(len(breakpoint) - 1):* [2 l2 o5 r$ |# i
                fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]8 J; Z; S* e5 w7 Z8 B
                if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:) d# K- W3 v' s
                    self.fragmentList.append(fragment)% _3 o2 _% X9 B( A) P
            return self.fragmentList
    + O# `* l3 r0 z7 @. A, }+ h) }/ d, z( v
        # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率
    + ^" L8 f& W6 f; P& R/ e    def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):
    . p+ d' q( j- s( J4 B) V- S        clonedfragmentList = []
    1 }9 o: x5 R3 l( a9 ]2 D        Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]$ ^, {' m5 j) `& R
            for i in range(len(fragmentList)):
    0 Z+ ]# R; X4 J1 ?  J. `8 l5 t" Z            if Lossprobability <= cloneRetainprobability:! W6 i6 Q6 G" Y
                    clonedfragmentList.append(fragmentList)0 d/ x8 r, ]" j! l, E" q; Z: N8 g
            return clonedfragmentList
    ' w  V2 Q  t  x; g* A( s9 y. n$ \) I7 z- v+ R4 O
        # 模拟单端测序,并修改reads的ID号
    ! ~0 n, M$ `1 a7 Y# ]    def singleread(self, clonedfragmentList):8 I' u+ W% D6 {6 t# Z( x
            for fragment in clonedfragmentList:+ s3 }  y( G  A
                fragment.id = "", ^) ~* J) s4 ]
                fragment.name = ""2 h& ~2 r" b4 L/ i# l) \7 X5 M) X
                fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    . e4 Q: m  l/ g7 w            fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description8 j% h, w# C- E
                self.readsID += 1
    + N1 A: m7 v* [; ~# D/ `6 T            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    % N% \/ D+ C$ v            self.allreadslength += readslength
    5 n1 a1 O  m, V( X            self.readsList.append(fragment[:readslength]); P3 d& P( w  U0 o1 a# ~4 n& @

    0 @1 o" c1 L& k( {' `    def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):: M$ O7 ^) f* O2 E3 W* X
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):2 {; z! h# o# \; T
                seqlen = len(seq_record)
    $ @% i# D! a: G7 X+ Y            self.genomeLength += seqlen% r7 ^$ M8 a9 @8 n1 |) J# o5 m
                for i in range(self.N):
    : b2 v' _5 k  c                # 生成断裂点
    # S% [9 ~. C7 r2 p                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength), Z6 n; Y, L2 w# L+ _. ?( h1 H
                    # 沿断裂点打断基因组
    1 H" g. q' G) I, k' Y! r                self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    / t0 c6 }  l9 I- [8 m. a        # 模拟克隆时的随机丢失情况8 L' H  a) K9 X
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)8 D) N% n( Q  y+ W) w9 Q3 Q( w
            # 模拟单端测序0 j4 R5 T7 b7 h% m
            self.singleread(clonedfragmentList)9 [1 e6 B* F7 C! m2 V/ i  h
            SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")2 p6 O& L$ M' s

    8 _" v- K# `" z& ?7 x    def pairread(self, clonedfragmentList):" N; e: w8 ?2 M7 ]8 N
            for fragment in clonedfragmentList:# C  O; z* ]* l* J0 c" N. q/ {+ L
                fragment.id = ""
    + ?1 J$ C0 m3 m2 [            fragment.name = ""
    6 N, S* v1 ]2 Y9 e            description = fragment.description[12:].split(",")[0]. O. h% B5 A9 \) ?7 r& L: j2 p
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + description
    3 M& {/ D) C5 ]9 w            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)1 r# Q: W, a7 k' ^' i
                self.allreadslength += readslength
    - S! s7 W% }8 j! D            self.readsList.append(fragment[:readslength])
    * G% ?6 n: {6 k; w1 X& ?* p6 [5 I) i" O' H. v: c5 G
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    ) ?: e" W4 H0 p0 v* l5 ^" ]% V            self.allreadslength += readslength1 M2 }  Y7 P+ y- K

    ; I( n2 ]7 K: s4 {8 I7 G3 D- E            fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()
    * w, F8 k( l9 T8 m5 z            fragmentcomplement.id = ""
    & D% Q* o' U# ~: R& j" j$ [! c            fragmentcomplement.name = ""9 I* i' B. v5 x3 [+ D6 a1 [
                fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description7 N5 v7 m- @" Q& n1 X2 O
                self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])
    7 q) L5 n1 J5 m5 O" n' p# C% }  }  F- ~( C9 J* U
                self.readsID += 1
    & J$ l8 u/ K5 F0 @% h
    . X8 B* z( v. Q3 ?* W) V0 o    def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):, r& W6 T0 |1 \3 s) N
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):0 H7 r5 r: ^- I2 U
                seqlen = len(seq_record)# h1 E) O9 S2 g2 r2 R
                self.genomeLength += seqlen. ^" t/ p1 h9 j2 j! I
                for i in range(self.N):4 H# L5 ?) x( Q& N
                    # 生成断裂点
    4 _# R& l3 V, f2 h6 D. ]; A1 O& j                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)( ~. x* R; k* k1 n+ s2 z3 g
                    # 沿断裂点打断基因组5 N5 i' N8 `( S. f! {
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    % p8 [9 r3 |- Y7 g7 N        # 模拟克隆时的随机丢失情况
    ( A5 K: G6 X( S+ N1 ?  v        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)! b2 `+ L/ T3 `4 ]7 R/ ]: ^
            # 模拟双端测序( _3 w- h3 `) R1 }/ |
            self.pairread(clonedfragmentList)
    ( I# t7 y& _3 f; n* D1 R        readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]9 ?& O' |, Z; D; |
            readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]
    + K: ]# |9 e3 ~& u" u        SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")2 C  k, \  L3 O6 }, F- S/ G+ N
            SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")
    / ~, q% K" A7 ]) o3 m/ j- A! g6 b+ W  x; t
        def resultsummary(self):0 B! h& S( t; j9 F+ G
            print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")
    ' x' D; y2 Y/ [/ e        print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))
    # W/ {7 Q% f- K' K( O. x! E        print("N值:" + str(self.N))1 w* B# R: R) b- V8 \4 n
            print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))' N8 E. ?# X- v
            print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))
    : Y- [( Y: |& a5 y# d- Q# M3 E; p        print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))
    ' p- J: ?7 o  q4 [5 s        print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))
    + v" \7 W; X! O/ p4 @0 Z/ Y9 B        print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))
    : G. i1 E* |/ x: o* j9 y+ H7 ~3 {        print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")
    . h0 ^' g) h1 n$ N( e; b4 f        m = self.allreadslength / self.genomeLength2 G& x3 z: g& S( [" @7 r. q; @9 o: E* l* I
            print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))
    7 D! m6 h& _  ^4 j        print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))" Q8 l/ s7 e3 f3 ~' o+ M
            print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))
    0 e: D6 H9 x7 A+ z& e# -------------------------------------------主程序-------------------------------------------
    ! |" T1 B! S" Z& |0 L# 模拟单端测序3 z! l- ]: a: j5 u/ {* Y0 u# S4 k
    sequencingObj = Sequencing()
    0 R# P4 h' K( S! e8 d' FsequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")
    1 w% a1 d( m& M" `3 k+ _! ?+ A6 zsequencingObj.resultsummary()
    ' O3 {* E$ i& e6 ?
    8 e, y# [. Y0 T/ ]# 模拟双端测序
    , L: k. ?8 `- D' Y" J0 w; fsequencingObj = Sequencing()6 w+ q( ~6 \1 u6 u' u0 v6 }' X
    sequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")
    ' p6 n, ]! l0 C; P$ {  BsequencingObj.resultsummary()! k& v! `, B. M) e1 m' I
    & S) U" a1 x1 E+ l4 D$ k
    2 L8 i# N: \0 D4 Z
    " ?  k5 w- V! j! g9 v( W+ Y* g+ f8 M
    , ?7 l/ B- C: {: }8 p

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