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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; }& Y6 V) ~6 l$ H/ _3 q
    基因组测序模拟* U0 B6 c8 H2 K1 i
    , }5 H% j, E2 j* T* r
    一、摘要% I; y- x( w# Y; L6 G$ ?
    : d9 i. p: z) K
    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
    7 W! d' N/ T0 f$ @# {3 P: G1 H
    . y: Z& N8 x) X, U, a! h二、材料和方法
    ( Z2 o  W1 N. r5 I( G  k1 ~+ J6 L
    1、硬件平台
    # [( U7 u  H: i( @3 A3 p
    : L% V: {% }7 o3 z6 N8 \: \处理器:Intel(R) Core(TM)i7-4710MQ CPU @ 2.50GHz , H) ]" I( h* H% ^
    安装内存(RAM):16.0GB% e$ r) i* l! F8 S( G

    0 ~& w& o5 ]9 ^3 y1 g2、系统平台
    : M* t/ k0 Q# E6 g) A0 P2 R# u7 N2 rWindows 8.1,Ubuntu
      {0 G2 |8 p2 c1 x  ~$ ^8 J! k- R5 {0 `" ]% j/ G$ D6 ?7 a
    3、软件平台7 w' v! G' p; i6 @3 k2 ^
    ! ^# U% I# K# m
    art_4542 g: V0 ^1 t/ c; S9 C7 M
    GenomeABC http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/8 p2 u% W8 Q2 w9 U" u
    Python3.5& \' e7 E, |% l, g9 q1 R0 J6 E& `
    Biopython& i4 K; x% Y2 |/ K3 f* k3 X
    4、数据库资源( v4 {) ]% e* ]
    - K: B: S; w4 C1 c% E; z' F  p! P
    NCBI数据库:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/$ _6 n4 f- x  y8 K' S

    5 O6 N9 L7 Z2 Y. I4 c- v5、研究对象
    ) R2 d" r0 P6 W, g
      }4 T/ f9 j, Z0 ^5 o2 c% d. y酵母基因组Saccharomyces cerevisiae S288c (assembly R64)
    4 Q$ f+ m4 U" c6 k0 j2 V0 `ftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/all/GCF/000/146/045/GCF_000146045.2_R64/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna.gz- O. b: G0 ^0 @& @3 f  [
    - }6 n- x1 D2 C  R/ Z# l
    6、方法. h5 ~$ W5 P' \- f9 ^

    8 H# s$ \& s4 t& [- K% |art_454的使用 $ n0 N- j, k! o
    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。" v& p- M( m# U( |7 m
    GenomeABC
    ( k5 H$ e) `0 ~; e0 \4 G进入GenomeABC(http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/),输入参数,获得模拟测序结果。% [0 c% Z+ p- J* u
    编程模拟测序
    ! v8 ~& u& g+ J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。
    ! I/ E1 O% }) D三、结果) g, q" E( e: r2 X# W
    + |# l' Z/ ~& Z! B5 ^
    1、art_454的运行结果- V, r+ R+ B  f2 X3 x7 s
    # t9 i+ z% F, |6 |. z& `
    无参数art_454运行,阅读帮助文档
    . j4 q: E5 z) l5 S$ z$ x# _: N# }# a6 W  ]' A# [. Y
    图表 1无参数art_454运行 4 p6 ~" [( ^! t7 w/ p* N. D0 s( E
    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.
    $ e. g2 M4 w/ b: ?1 Y. L+ N) n/ U( N0 F下图为模拟单端测序,程序运行过程及结果 + ~' I5 b, K; U& b  ~$ S9 H: l
    . [' ]" p* ~( H  z
    图表 2 art454单端测序 , |( z6 Q  c" k. }

    + d" C. H+ R; B$ K/ v5 m# o图表 3 art454单端模拟结果
      q# x/ G9 j" c% ^- E2 O: x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 [: t# Z. E& u% z+ v下图为模拟双端测序,程序运行过程及结果
    ( A" z! o0 V1 F1 e2 V* z. P' S$ E( [  u9 i
    图表 4 art454双端测序 ' \2 D* W# @8 Y% }0 X" G

    5 H, p9 A! K$ {1 [9 s; v- `图表 5 art454双端模拟结果 , _& D7 r% y( z; [) c% O0 X
    2、GenomeABC
    & g9 N" G$ R; M& K9 E' [" p下图为设置参数页面 & K: ^2 ~. [4 R. `. N

    ' @8 g6 A% u4 k% I0 F8 e- G$ z# }下图为结果下载页面 # f& h0 j. K  n2 Q, J* h- x
    0 z, _5 ]" @, T5 B. c
    图表 6 结果下载页面 . y- c" _8 K# x) C8 S% o
    3、编程模拟测序结果
    9 j' u# ?/ F3 Z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。 . M4 n6 _! n; `$ b1 l% [/ @
    单端测序 + Y* [0 k" }# _8 R) ]" h% z% G- }5 n
    9 e* E5 R) X5 Y4 w; A4 Q
    图表 7 程序模拟单端测序 ; m0 |0 C. \/ f7 P
    双端测序 $ K6 x- ~3 _2 A; n; t) ]) M
    # D* V& I8 |( V6 h/ x. x
    图表 8 程序模拟双端测序 8 n) o6 g# |) ^% ~# d4 A6 q5 U
    测序结果 0 s2 m% N5 y. r1 Z" x/ O; J
    7 o5 ^) O1 |0 R6 |9 L7 L
    图表 9 结果文件
    8 |9 \. q1 ^5 J9 s/ e, [7 p# o9 }1 ?5 ^: z2 b$ L% {6 f
    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。 . Q  V, H. L6 r; @* @: O* A
    测序结果统计表' H: y6 c. p+ z$ t, Q; a% _6 S) p

    % |* F- g" L4 j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)/ @3 D" |+ N7 R: K) T! F
    单端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        107378        50-100        101968        7645.541kb        0.62889        0.53318        0.466822 y8 o8 r7 f+ t  _! |% E4 X$ A
    单端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        213722        50-100        202996        15227.882kb        1.25259        0.28576        0.71424, ~3 ~2 Z7 s* @4 Y- o
    双端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        106704        50-100        202770        15212.662kb        1.25134        0.28612        0.713887 t0 R/ R& j; i/ }# M5 B
    双端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        214212        50-100        407186        30534.265kb        2.51164        0.08114        0.91886
    6 @* i* k% u. }四、讨论和结论
    9 p* L; n+ U6 d3 j3 V$ \/ p( w* z2 ]3 z+ n+ U2 O( ]
    程序运行方法
    , W. y% x- N" [8 [6 _
    - ?1 s8 l2 P* `- s0 |" [% N+ D在类的构造方法init()中,调整参数。
    " x$ Q5 p6 `: J/ pAveragefragmentlength为片段平均的长度;
    : K( ^9 t. `, ~0 g7 Z  q5 Vminfragmentlength和maxfragmentlength是保留片段的范围;
    9 w. {7 |; Q; d$ {cloneRetainprobability是克隆的保留率; 0 `- P' f- X' I0 c0 \
    minreadslength和maxreadslength是测序reads的长度范围
    5 J: u% `  N  x6 O  f1 t  {' R/ ?+ r6 |/ U8 `) F9 b0 C2 l
    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。1 u8 U+ K1 S0 j/ G( O7 {
    ! B; d! `1 f3 l- x. x
    附录$ _& r( U% s$ q
    ; h5 _7 M  T! v1 ~: y' }. g
    from Bio import SeqIO
    , ?0 W% V3 O  Y, Ffrom math import exp0 `' c6 Q% G3 @* h0 v$ y, M
    import random
    , x5 M1 _8 _& D' h1 S- j0 a3 z8 X, v& [9 \% Y" D) [8 f8 n
    class Sequencing:
    6 n2 ?3 i( N5 [) G* C4 ~    # N代表拷贝份数& m& x7 K  o, T, ^! a
        def __init__(self)7 x) L3 a$ N" N  Q; D
            self.fragmentList = []
    : ?  V9 o+ n4 q, x& y        self.readsID = 18 x5 S; _% L- k5 p2 r
            self.readsList = []. W. f: e5 _4 q6 p/ L. R; }
            self.averagefragmentlength = 650( Q# F1 @% {$ D% C8 w; L$ `5 B
            self.minfragmentlength = 500: q& R% h% e. y- s6 v' n) p
            self.maxfragmentlength = 8009 @3 E$ Q$ j! [' z  i' U
            self.cloneRetainprobability = 1
    6 x3 U& w- M8 `5 @        self.minreadslength = 50! t5 q: Q9 j/ v& y$ X
            self.maxreadslength = 1501 U8 K7 G8 L4 P
            self.N = 100 p+ D8 @( r. `
            self.genomeLength = 06 r' C, J3 n! L
            self.allreadslength = 0
    1 V- U. r+ Y* v; {0 d
    . l& m# }9 O$ C% k+ D' ^    # 生成断裂点4 E. j' _' F. g$ w" q5 q, ]
        def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):
    7 X2 K5 G6 ?/ A  B! N% G$ x        # 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)
    - T* B- c( a! u2 X6 k, G$ I        breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]
    . o& R# h; C0 C# A9 Q0 p' v9 c# \        breakpoint.append(seqlen)- e% q; u" d& C: a
            breakpoint.append(0)) d' C9 a* c1 L4 p! L
            # 把随机断裂点从小到大排序% W5 h" C0 W" v. C3 z. }3 Y
            breakpoint.sort()
    # U1 U' K9 Q% M: r9 Y        return breakpoint
    : t9 k; \! U9 H  W) s4 J- z1 }- v' Y' y- t) p- L# L& I+ @
        # 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
    8 B$ C4 H1 t3 X: |    def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):5 m" B4 g; ]9 z, v: p( m
            for i in range(len(breakpoint) - 1):" b+ ]0 _# s. N' s- y- O
                fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]; ?9 K: f8 c& O8 {5 t& q+ u, T
                if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:4 Z7 P6 a5 I1 j& Z- `& G
                    self.fragmentList.append(fragment)7 `" [3 R4 t! q# {' Z- m) @; p1 g
            return self.fragmentList
    2 w3 k. j$ b* _, m* A
    , W- L7 L* g! R9 H! x. C$ w+ ~    # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率: `3 N# b1 r. O, |% k
        def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):
    , K+ k7 L: c7 S( s! e8 [4 `        clonedfragmentList = []5 T: Y4 w/ i1 [2 v/ C' k5 z. ?! s7 e
            Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))], N) P# b4 D0 E/ f4 L. z" ?4 j) o, [
            for i in range(len(fragmentList)):
    5 G' j* r7 h$ r3 p            if Lossprobability <= cloneRetainprobability:, ]- v! h- O0 ?7 Q, n$ S" v; c1 e
                    clonedfragmentList.append(fragmentList)' B# r- y1 j" h' i( \2 H7 I
            return clonedfragmentList
    $ F7 W9 M8 k# V4 W3 U
    , X$ y- @' b( N4 Z3 U1 p, n* N: i$ O    # 模拟单端测序,并修改reads的ID号
    8 P* Y6 c$ d) }    def singleread(self, clonedfragmentList):
    0 p, A1 N9 A7 M2 }7 `  U) q        for fragment in clonedfragmentList:
    ! x( ^9 K, i" Z7 j9 t            fragment.id = ""
    : ~9 p, A# c/ N3 w            fragment.name = ""
    $ m8 b9 p  R5 b3 b            fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    7 k  Y; ~) V4 a            fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description# R+ q8 n) m8 O4 J& }
                self.readsID += 1
    2 ^1 B) ^. g7 o, [            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
      x8 V& j% T: [( \: B) @            self.allreadslength += readslength
    7 w: ]4 h, b8 d2 n0 w& @            self.readsList.append(fragment[:readslength])
    " o& T4 @  ~; T5 m
    9 [" n' j# p) G. N( S- F    def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):
      @) B" Y' _3 \( q. c4 v+ o6 [; h        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):$ N* J6 M! w9 ~. G" v4 C
                seqlen = len(seq_record)
    2 Q. M! m: N/ c. T6 Z* p  _6 j            self.genomeLength += seqlen
    - k" H2 k8 b8 b9 K. q3 Y3 u$ p/ H. `            for i in range(self.N):0 C' @8 v. g4 k/ C
                    # 生成断裂点
    7 L, K9 B7 L/ a                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)2 X9 |. e+ @- h# Z+ J
                    # 沿断裂点打断基因组
    5 ~! A. s9 p0 U6 E! l                self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    + A; I* y* E( X: A4 d& U        # 模拟克隆时的随机丢失情况
    - n, j" Y! M5 {8 N1 Z5 B$ l) r( D        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)6 _8 V8 _0 y8 j' e3 z# a7 d' `/ L
            # 模拟单端测序
    6 j) l9 S( v/ j& k3 W) J        self.singleread(clonedfragmentList)) B1 o: x, Z& ?% Q& O
            SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")
    0 T% L. u  D( @5 r; B& \2 W! z  ~# i' A, I7 U+ `9 R  m
        def pairread(self, clonedfragmentList):
    + J; e8 Q3 ^' L# d1 I$ M        for fragment in clonedfragmentList:
    0 e. v5 ]4 a8 n# b: a2 b- g            fragment.id = ""
    # O! S/ S* F7 n# R$ f            fragment.name = ""
    ) K: T# a8 K- |+ v* ~& f' v/ s            description = fragment.description[12:].split(",")[0], K/ {4 y$ |) ~" Q
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + description
    0 j" P) S! H) M. t1 s$ N9 f. z            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)0 W$ o$ {; P  g$ Y( A( T
                self.allreadslength += readslength5 G7 }( X: X3 Y- L6 X4 @2 u1 u
                self.readsList.append(fragment[:readslength])* J6 ]1 }! K" w$ Z! V

    9 z+ M! f6 ~7 a; x8 u* v            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    2 j4 H9 K. x2 S  u8 W$ e! v) b            self.allreadslength += readslength# c8 W( B1 b  B2 t. T! a
    + v( a  v3 ?% [7 U, U  d. V; ^
                fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()
    ( T: P' D9 d. E& L% w" ~# O1 `. L            fragmentcomplement.id = ""
    % {2 ^! c' S0 v" R8 H  k, A' |            fragmentcomplement.name = ""1 ]3 _7 m5 s. m; [. _5 Y: @
                fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description' x. B2 A: B5 h( I3 n
                self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])
    ) G$ v# Q' G9 D1 n, |3 t4 {
    6 [9 `+ Z- r; _, m* e            self.readsID += 1
    # P: X* y7 N, w; U) e- a+ \1 L
    ; q6 _" T3 o8 [% x+ @+ m    def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):$ j7 z5 S& E! E% s+ K& O
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    / x7 d% u6 `4 \- h5 c            seqlen = len(seq_record)
    7 s7 A# I9 m9 }) u3 p            self.genomeLength += seqlen5 d, s0 ]# A- h  L. K: F, ~
                for i in range(self.N):! ^- d+ X& [% [5 N7 L
                    # 生成断裂点
    * L! \7 @. h1 c9 L% Y. z* R8 c* V                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)1 [% }" N1 l# e* b4 E& ?$ v- t1 t! d
                    # 沿断裂点打断基因组0 }% E6 I, [2 S
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)+ d- W6 @5 c, x# g3 A8 K' k$ g
            # 模拟克隆时的随机丢失情况
    & B) h  m2 L9 s$ ~6 r        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)8 Z6 s3 U$ R+ H% R1 V
            # 模拟双端测序( u% ]1 S! X$ T
            self.pairread(clonedfragmentList)4 ~) r3 p$ y8 t) Q2 d8 a, l
            readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]- J# ^$ {1 B# G) i- N
            readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]* J. a* u) J- f0 u
            SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")3 B: V  e$ g1 L5 a( W2 H  p
            SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")
    * t( [5 S$ F% @6 g& ~) e/ V+ b" y9 A" V3 c7 g! P1 i
        def resultsummary(self):
    3 s5 V/ N! B: V- `  q        print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")
    8 B/ o, ]5 ~+ ]- X# D        print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))
    2 B* m9 v9 h& Z* D5 N1 q        print("N值:" + str(self.N))
    0 u7 T5 w" p. h8 }' Y$ W8 [        print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))
    6 b) [4 a3 Y3 `& C9 b0 s7 J/ o        print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))4 ^" e# V3 M- ?8 L1 P+ P! _% `
            print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))0 ~- Q1 k/ O/ U" e( Y! ~
            print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))
    * r. k4 b0 B) q! o3 x- I9 |; q        print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))0 i, ~: U' |* k6 K
            print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")
    : N6 V+ u5 k0 d8 z0 ^        m = self.allreadslength / self.genomeLength
    4 Z! Z  i; {0 p) M* L        print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))" r1 @9 d5 c' c7 l0 o- q. \: d4 [- ~
            print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))) }8 p: K2 a: T$ b$ j# r/ ^1 M- ~. s
            print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))
    ( x. O0 t+ X3 y+ C; ]4 u( A) B: E# -------------------------------------------主程序-------------------------------------------
    1 k) V: U4 c- t5 h8 {3 R' s# 模拟单端测序7 M3 t# V  k: b( W1 W' ~
    sequencingObj = Sequencing()
    ; W# y  ^9 S$ l7 UsequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")
    & t5 {+ Z' X" o2 P+ \sequencingObj.resultsummary()# y9 L. _( J: f( u" e
    * s% o; Z5 C! b+ F' n
    # 模拟双端测序
    + `8 e: H# Z* `6 ?$ ?( L- V3 OsequencingObj = Sequencing()  Z/ N1 T8 l: e
    sequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")
    + y2 S: ~: Z  OsequencingObj.resultsummary(), V. b6 J0 s* t# h* v
    from Bio import SeqIO' t5 i& N" u  D/ D2 e" t, _
    from math import exp, C; Y, v8 |2 A" o8 Q8 _& |, ]
    import random
    " {. t( C) B/ S4 x" {& b2 e
    * X! a- A2 D& e( a" F- c; d7 ?7 |class Sequencing:/ J( b! I% u9 ^1 D
        # N代表拷贝份数
    % w8 z# W( L9 @; L2 R" }7 G    def __init__(self):
    : [; G# D. W3 O* s$ [4 a3 y        self.fragmentList = []5 O! i3 `' ?; Q0 [' W% `, C
            self.readsID = 12 C0 p* u& G& Q/ y
            self.readsList = []( s' H$ K( \% h1 N+ W
            self.averagefragmentlength = 6501 r" s+ F" q! H5 I: N" E, ]$ s
            self.minfragmentlength = 500$ v8 o: }, H4 |$ X
            self.maxfragmentlength = 800
    7 W' q' R9 ]: v" ]7 v- q        self.cloneRetainprobability = 1" c1 \3 `& \; q( M) L' j: b2 l# s
            self.minreadslength = 50
    % W) D8 p. B; F1 K( B& Q& ?        self.maxreadslength = 150. G1 V" c) l  j! e$ `
            self.N = 10( J' {9 I# N1 ]* H) `! t
            self.genomeLength = 0' N& V. K7 p' X+ j$ _+ P9 R
            self.allreadslength = 0
    2 `( V/ h3 _9 [4 m6 t
    ; s! r1 u8 w1 k4 f( x4 t    # 生成断裂点
    : a: J: e/ j& @* w2 S) ^4 R% S; E    def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):2 W0 O0 u; X: u0 l  Z; z2 L8 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)
    8 A: A8 S, U5 |/ x+ I/ [" z* V        breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]& D! d; G9 J4 K" `
            breakpoint.append(seqlen)+ ~) F, j' h( K4 K' \4 z
            breakpoint.append(0)! G! s. Y3 T2 l* f! @4 P% @
            # 把随机断裂点从小到大排序
    4 ]: n7 V, R  j        breakpoint.sort()
    % v2 n3 V+ r) n" }# J' f        return breakpoint5 X; M" [) n% E
    ( C8 M  a+ x) w
        # 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# Y. y1 ]/ A0 s  ~8 `
        def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):
    * J% y# B1 d( l! P6 h) [        for i in range(len(breakpoint) - 1):; w% x8 z2 ?: f# I& `7 [/ U8 E, Z
                fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]8 V. {8 \0 c4 v3 D/ y' N
                if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:
    / u# S2 }; D3 _% U1 N; G$ @# B                self.fragmentList.append(fragment)
    ' [$ ?$ B, T7 `& R2 Q& v% X! W1 L        return self.fragmentList% y0 f$ ?: ^  V7 g. D( k9 R  [7 m
    % M3 l; |6 j& Y; G
        # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率* x# _$ u! L) B- X; \+ b: b
        def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):
    $ w; p6 T) T$ k, G1 d2 w0 @, o        clonedfragmentList = []- [" X, t7 x6 [' J* |3 ?/ `/ x
            Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]
    ' T. i6 {  m( _7 F9 a        for i in range(len(fragmentList)):  \  i' M1 o9 _% H" A! {
                if Lossprobability <= cloneRetainprobability:
    6 `& F9 _9 r, ~# m) F$ _+ G. b                clonedfragmentList.append(fragmentList); K. X3 t5 K! O4 z
            return clonedfragmentList
    9 V  {! E* q9 k4 `+ M; [9 Q* }) p0 F) j- ~% x  `& l4 q
        # 模拟单端测序,并修改reads的ID号: q4 N+ h0 O) s7 _+ e
        def singleread(self, clonedfragmentList):
    * y' A. U  a5 B        for fragment in clonedfragmentList:
    ( r9 Y4 m: o0 H            fragment.id = "": H  ~6 V$ Q% `. i  w3 d
                fragment.name = ""1 B( q* E0 |. K4 _) f  H
                fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]. ~! O- O% F: c* {/ `1 D
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description( E# L  [* a( i7 A7 G+ h! z
                self.readsID += 1
    + o- R. w0 s1 w" E; U  Y9 }            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)) _$ S$ D# k1 P% `+ j) R8 C- b7 x
                self.allreadslength += readslength: r# U1 W6 D, \3 @+ \/ F! n$ |
                self.readsList.append(fragment[:readslength])
    5 K6 d) ?5 t) [* x8 @# O" o: S" {/ X
    + R4 q3 l+ C  e' Z5 m+ B: ]    def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):
    * n* m& B& q# d3 s$ @$ D1 n% z        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):- n' a2 S4 I, Y! i$ y  O( B. d2 C
                seqlen = len(seq_record)
    8 j& d' x" T6 g2 J            self.genomeLength += seqlen. m; M" O# c0 p) n/ r$ O# Q4 J
                for i in range(self.N):1 Z! E. h% H$ {
                    # 生成断裂点7 ^8 t( q/ m& t: Z7 _$ c$ u
                    breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)& U5 W- Z$ x: a' F  P' s8 i$ c& w' h
                    # 沿断裂点打断基因组" k" V7 X/ g; f
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    + @, \. X* Y# o" M' S1 s" g9 x        # 模拟克隆时的随机丢失情况& ~6 O5 q* t3 e8 c1 a: [* r# H
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)
    % e- M4 k" \% n2 l( t        # 模拟单端测序/ N+ @; X* d! C# m
            self.singleread(clonedfragmentList)7 ?4 G4 q- _" y& t+ f
            SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")+ g% D& _# v& j; h/ r
    ! }# `* \  m0 Z  Z  |/ n
        def pairread(self, clonedfragmentList):
      b4 b0 Q2 t0 f7 J        for fragment in clonedfragmentList:
    * `# h1 n6 H* G1 Y5 L            fragment.id = ""
    9 y3 ^- l. ^' G2 |( |$ W            fragment.name = ""5 R6 t- E6 v- T! L! f0 X
                description = fragment.description[12:].split(",")[0]# K0 I' c  K: B; x% V+ u! x
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + description% ^9 D6 |5 {  a1 [, g9 W4 x4 {
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
      o6 e, t  D# j" v3 }1 ~* D, y            self.allreadslength += readslength! g# E/ e; O4 H7 S4 L* z9 \  ?! y
                self.readsList.append(fragment[:readslength])
    : F. o+ ]. e3 A
    : [5 `& T2 u: ~0 @, C" k/ B; O            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)" H% y9 F5 E$ Z$ A% @
                self.allreadslength += readslength
    4 P8 ?7 N& U; Q% N; }  e, b! O/ c# S
                fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()
    " O3 W5 _% ?% W2 _            fragmentcomplement.id = ""
    ! J7 c$ a. M' i5 n. P            fragmentcomplement.name = ""5 Q8 ?  q3 |; M! q! |5 m8 p
                fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description/ E! w' t# Z+ H8 M, M2 T& h. A
                self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])! W0 b& H6 A. l

    * `, \1 [  X; t3 Z5 J2 y/ Q+ d            self.readsID += 14 U% t( H8 O+ f& u5 J

    9 {5 @7 L8 R' O3 X% i    def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):1 T. D% `! }4 s
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    ( e" v+ l9 s4 g4 y. o            seqlen = len(seq_record)
    # \- O9 U' z3 G9 _; _' d3 i$ q            self.genomeLength += seqlen7 o3 ~3 B: E6 j  c: |
                for i in range(self.N):
    2 z2 ?6 Q0 d2 c4 s2 t                # 生成断裂点+ A0 z. t& S1 K* Y( r
                    breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    / L$ B/ q, U3 @- |' c7 x3 i/ o                # 沿断裂点打断基因组
    - G- f6 \) t- W' {+ A; i6 U  c                self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)) j4 j  G% f5 y, i# e1 B
            # 模拟克隆时的随机丢失情况
      y9 t- }/ y0 q9 D$ f3 i9 l        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)! q5 \! m" X+ W- ?$ G/ |0 v" V
            # 模拟双端测序
    * T- D7 i( |6 t( a  I( m2 \        self.pairread(clonedfragmentList)1 h, B2 F: {0 N1 Z
            readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]% O8 \( n, S0 K) J# s
            readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]$ j! [: h7 A" o4 B! P. ]0 j# L1 _+ H
            SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")& t" E- d$ [% A4 c+ k& p! z
            SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")
    & F1 P+ w. n$ Y7 a' o) T- K( b; K% Q/ L
        def resultsummary(self):+ p9 f1 c2 Y, @- Z4 r7 s- J
            print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")
      ^! _! i# X( Q+ f+ Z* ?% F+ h6 q        print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))  e+ }+ q- t9 K4 R9 r6 H( u9 f! R
            print("N值:" + str(self.N))
    , a1 N3 k2 U* U3 v        print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))' S7 A" S% d! v) o
            print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))
    : }$ q' b8 H5 \( H$ z/ G" S: M        print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))
    1 i/ Z7 c/ c6 G( _+ B. f0 [( I. z5 B( z        print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))
    7 g- G  J7 x8 u( H% P" k        print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))  i. H) K9 ]6 n; x
            print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")9 j$ }) ]1 @8 N, j8 ]4 }+ b) l1 [
            m = self.allreadslength / self.genomeLength2 v+ ]5 f9 H- w1 A9 \) F) w
            print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))
    9 G6 N8 T, C) [/ g, e7 l        print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))$ g/ @' R. J* h$ V8 K
            print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))5 ~. J3 A" e! [. u9 W
    # -------------------------------------------主程序-------------------------------------------2 E0 N5 L* c4 b, G( Z
    # 模拟单端测序+ @* h! k4 z! Z1 r2 v* g
    sequencingObj = Sequencing()7 X8 T! Q# x0 T9 G5 ?% U& a, w2 F
    sequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")
    * c4 i* Y; B' w* d. k# Q8 a: zsequencingObj.resultsummary()3 e% u5 U5 c$ x! I

    & r& r" z& ~! R0 B( f# 模拟双端测序& Z1 y: m: ]* L3 d6 S+ X7 x
    sequencingObj = Sequencing()
    9 ?$ t* w  A8 O" J$ }$ H. dsequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")7 Y' w$ d8 V6 W1 ]  r
    sequencingObj.resultsummary()% `  _8 L& c0 f1 p! l+ ]. v$ A+ E  J
    7 P- {  a# T# B8 \5 d" G4 ~

    1 }2 |- L& e. R1 L4 G  ~7 e- x
    * t: w! |1 e9 E& m1 p * ^9 q# _# q! i% e+ q) X7 y) V

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