QQ登录

只需要一步,快速开始

 注册地址  找回密码
查看: 3778|回复: 1
打印 上一主题 下一主题

基因组测序模拟

[复制链接]
字体大小: 正常 放大
杨利霞        

5273

主题

82

听众

17万

积分

  • 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

    跳转到指定楼层
    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: G0 `/ P* R7 Q2 M0 y  C! F$ ?  `
    基因组测序模拟
    " J: ?8 R$ c/ @* {
    4 c3 a) Y8 s% c一、摘要
    & H5 T% O/ @; P
    % X6 R# Z) M/ e* J/ w3 _3 v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2 v; w" s  t6 i% m3 ?+ X9 P

    , ?9 ?9 C# l2 ~; `9 `二、材料和方法* t$ k+ p- Y% E& O( {" y
      j. f7 N2 J; V  Y  D
    1、硬件平台# r, O' U( N& J" d, s
    + B/ G- M8 v4 o: }2 h* o; `3 w
    处理器:Intel(R) Core(TM)i7-4710MQ CPU @ 2.50GHz
    7 e" k" w) V, k" J安装内存(RAM):16.0GB! `1 g  m4 ^1 C

    $ u- ~6 @: Q% @& U5 t" r0 a  A2、系统平台( I9 M) y  V& y3 ~1 [- |
    Windows 8.1,Ubuntu% p! O  r4 {2 q9 ]+ {8 w

    $ D2 O. i; i; ~1 E3、软件平台
    ! U% w. R; E4 ]  _7 b
    3 g& p" t9 B4 a4 ?* C/ M' Sart_4540 l' X* E  o* |! X6 r
    GenomeABC http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/
    5 r; `) X$ i3 ]9 g! APython3.52 i- h. e. j- G' a
    Biopython7 @. V: q/ i; ^: N* f9 x1 s% L9 d- {( k
    4、数据库资源- ]1 q7 A3 u# r# `) o) |( ]& |
    + l8 z3 ?0 N& x. l# J" m# B
    NCBI数据库:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/
    ' F6 ]. X$ l. H& F* I7 _
    9 E  K( {; Z; t. M3 v4 S3 c5、研究对象
    + [( S4 d% t3 ^8 T: c8 A6 Q
    5 M" L! T* l; k" \% o  E酵母基因组Saccharomyces cerevisiae S288c (assembly R64) # j) w  X  c8 P: |: ]  ^( c" H
    ftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/all/GCF/000/146/045/GCF_000146045.2_R64/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna.gz6 t2 p0 Y- V6 d+ c6 m* h
    2 ^4 D8 O0 f; N. r$ E- E/ i
    6、方法8 P# k3 |% A: O! F2 K& i5 N: [
    0 A4 k6 X2 I  P4 ?3 o+ B8 n
    art_454的使用
    & J  j, g8 F+ f6 _/ p1 @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。* X9 b: l6 X; ~  w( T9 H/ j; \
    GenomeABC / e( Y, Y6 b7 S
    进入GenomeABC(http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/),输入参数,获得模拟测序结果。
    " ]2 l0 O. H( `编程模拟测序
    0 L! E/ ^. N: m) d2 U! Z7 z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。
    + t  C" F' K9 m# G! }1 ~三、结果
    ) _- x" P& ^9 t# K1 [
    * S& T' k/ r8 H1、art_454的运行结果
      Q3 z2 W) J+ \7 D! A3 t2 b" i5 i; q9 }6 d
    无参数art_454运行,阅读帮助文档
    % F: q; s6 B2 H6 j
    5 B2 f" h4 m+ o! ]5 x& S$ g: Z2 a图表 1无参数art_454运行 2 S! g) Z( Q" i# W  c3 O
    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.
    8 N2 @/ v7 t* u4 x% Q下图为模拟单端测序,程序运行过程及结果 9 G0 C/ a, X, u7 W, u+ Q; y
    3 u5 ~  p+ \3 ~6 @+ j
    图表 2 art454单端测序
    ! I. ]+ G  M4 v, Z
    3 {) f" y  V' ]0 }) k( m图表 3 art454单端模拟结果 5 P$ D& B, r/ t5 S  O, c4 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
    5 G' t' k8 h1 n% H3 B! i1 s1 n# i; M" X下图为模拟双端测序,程序运行过程及结果   ?3 q8 \5 T6 ]1 I' H' b' t

    ; H/ ^. H% T2 h5 z8 z图表 4 art454双端测序
    ) [! ^, ?: k4 R1 ^% w5 q# K5 s) K: ]* L+ F' O# J
    图表 5 art454双端模拟结果 ( B# W; x  B+ o8 J3 J: `
    2、GenomeABC $ ~0 ?5 a4 g( H$ |3 B) D6 D$ l1 O
    下图为设置参数页面 - d& q7 d: m: T! b6 `  P1 J
    1 m3 ?; o7 A3 m4 X( ^
    下图为结果下载页面 3 e9 A1 R0 J! X6 u) V

    5 @3 _" I1 |" \. [图表 6 结果下载页面 ) t3 s# _5 B1 ^4 w2 x- a& s, n
    3、编程模拟测序结果
    / [4 ?2 d$ f/ B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。
    & e1 l, X' M) v! x: C单端测序
    6 @4 k4 w$ j1 S
    & O/ g4 F2 b! i: X2 c7 q0 J图表 7 程序模拟单端测序 # N8 b& N% y, d2 J# ]6 j8 v
    双端测序 * |$ P! \0 Y% t
    ! {! W- @6 a# V& i" q
    图表 8 程序模拟双端测序 * I& A8 B; @3 g4 G7 n; m4 I
    测序结果
    ; u* `; ~, V! o0 N* d& g
    ! l! B+ ]5 |: v# r: U图表 9 结果文件- w) N. O% ^! B  P* j

    & B& K' D$ ?4 x' `% `. d1 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。 ( u& Z' e# c& {
    测序结果统计表
    5 o! f- G' N+ G: p, g3 t0 t, }5 r; k' \* `' w  K
    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)) r/ B! \0 f8 q* i5 D" S/ {
    单端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        107378        50-100        101968        7645.541kb        0.62889        0.53318        0.46682
    ' O* P# K4 {$ T单端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        213722        50-100        202996        15227.882kb        1.25259        0.28576        0.71424
    5 ?$ L) f) a& _2 `$ e8 D双端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        106704        50-100        202770        15212.662kb        1.25134        0.28612        0.71388
      |, A" g  a2 u/ `# Q# M双端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        214212        50-100        407186        30534.265kb        2.51164        0.08114        0.918868 W$ I# t) b2 l  }
    四、讨论和结论
    9 g% V& N. ?+ G
    1 L: W% h3 n6 ^- c6 J' u程序运行方法
    ! \, T8 C3 p, X1 ]) T) N) z) [( n; J3 P
    在类的构造方法init()中,调整参数。 : ~; N3 J) f) h+ c, h
    Averagefragmentlength为片段平均的长度;
    & p3 Y$ D( J& e' e" x1 zminfragmentlength和maxfragmentlength是保留片段的范围;
    ' c8 L/ X' |9 FcloneRetainprobability是克隆的保留率;
    ) T) {+ h& q+ Aminreadslength和maxreadslength是测序reads的长度范围
    , R! _# [; q5 V9 V. O
      Z( ]. O6 H) }" u( R. u$ W1 j0 T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。8 E. m4 |+ r3 D9 M

    ( N  ?. l! b- ?附录
    + ^- g4 J# [& J) O. ^) ]0 ?# l3 G% X
    ' F% a$ a' w. [$ P! H3 ]: Ufrom Bio import SeqIO- D% m& F; A9 C: r4 G$ v8 e
    from math import exp
      e! K# A  d' J' ?7 \$ pimport random
    . X0 z: P8 ~% V: j8 C+ g. R- F1 g+ U; [% I1 l/ A& A9 i
    class Sequencing:3 |5 l. e6 O0 B3 I) l5 v
        # N代表拷贝份数
    0 I( u2 z& H" g0 h; H    def __init__(self)
    0 [  S6 `4 L- @( ]. U        self.fragmentList = []
    & z7 ]. e8 |0 f        self.readsID = 1
    ; J2 f0 T: k5 Z% J; Y/ y        self.readsList = []5 }& w% U" M. e4 z4 B7 _2 C1 f
            self.averagefragmentlength = 650  s! f% O+ v  f; Y6 ?
            self.minfragmentlength = 500  G( ^# b% g; d) G
            self.maxfragmentlength = 800
    * I) O, U1 {8 r        self.cloneRetainprobability = 1' T9 p, P2 O8 n4 H3 l. R
            self.minreadslength = 50
    - L5 g! Q+ l$ P: B9 b5 y        self.maxreadslength = 150* w$ w) ~+ F% u8 f, b$ H5 U
            self.N = 102 d1 e9 x9 H* i/ |
            self.genomeLength = 0# i2 g4 Y$ K+ t
            self.allreadslength = 0
    1 S2 n- k6 R5 Y- I% V) d
    2 @: [- F( M- h/ p    # 生成断裂点
    / F3 H$ ^8 U% D& M    def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):- O1 Z  u2 ~$ {$ H* C
            # 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)3 |+ _9 V1 s0 n3 ~' N  ~/ |
            breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]; q  r, G) D3 ^7 ]
            breakpoint.append(seqlen)# N) x- ~2 D( Z/ s
            breakpoint.append(0)
    ) [5 D3 T9 E. B7 g4 p  |        # 把随机断裂点从小到大排序
    6 V- W1 k' d; I8 l/ f" I6 D        breakpoint.sort()  w  ?( X- }4 |# [
            return breakpoint
    $ R) \+ o5 o- z' Q) q* v
    ) v8 o% H6 R3 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
    ' E' x1 ~2 U% n& n* ^0 o+ M; @    def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):
    . S; ^0 \& a0 Z" s4 I) i$ N& P        for i in range(len(breakpoint) - 1):
    ) P: m9 i# ?: }( l0 L. ?+ y4 L, N            fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]+ m4 `: Y  P( C( U5 \& V
                if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:
    : \: U& {, m( z                self.fragmentList.append(fragment)
    7 Z" r# C) F6 n: \        return self.fragmentList; O# _5 M5 ?8 x( e
    , N+ R  A& M1 @# `, l- g
        # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率
    2 n& I$ `4 e# W0 P/ G: h6 W    def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):/ V4 o' }- E! R0 j
            clonedfragmentList = []- H6 x3 {7 R4 w, m* `
            Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]* e$ Q5 ^0 Z" s5 A! l4 f: Q
            for i in range(len(fragmentList)):
    9 q+ R0 F7 I/ Y, \            if Lossprobability <= cloneRetainprobability:
    + ]' v6 Z4 f; b% r                clonedfragmentList.append(fragmentList)
    8 Z  L, o3 F+ Y& M        return clonedfragmentList" \# h; D" C1 |% ~( w

    / N' }0 u& p* z% |  g5 W    # 模拟单端测序,并修改reads的ID号
    4 c5 p! n/ G4 A1 Q+ [: ?    def singleread(self, clonedfragmentList):9 j1 |4 s4 Q2 j! Q1 h2 r. R
            for fragment in clonedfragmentList:
    ! a+ j% }! Q( M, g# X            fragment.id = "". H6 q1 d" }9 X: ?* H0 W, b4 B
                fragment.name = ""
    0 ?) B6 K$ U$ p2 c; G            fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]7 x) b0 S9 `% E- _  o$ F2 z
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description
    7 s  E5 t5 X0 A            self.readsID += 1
    ; \/ C1 D, P  a6 n( t            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    % i( f6 h; q. L" \            self.allreadslength += readslength
    / n9 D4 U8 ^% j+ Z* M            self.readsList.append(fragment[:readslength])
    4 @3 B( n- {1 z7 ]/ x6 u4 z7 N& \) G# J
        def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):
    * V& |+ W) r0 }. n8 i1 x        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    + h1 T. Q& w. ^' }1 `! l            seqlen = len(seq_record)
    0 |1 K9 o0 Z4 W5 \% y5 ?            self.genomeLength += seqlen
    ; C2 i1 z! n8 b; [1 i            for i in range(self.N):' U0 K1 L  X# L' _4 p+ y
                    # 生成断裂点0 m6 m' u5 @  X# K+ X0 ?9 e' K( X
                    breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    : J+ N- R- a$ j& A3 q, B' D5 i                # 沿断裂点打断基因组) ]. u. K/ l- n
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    / \- j4 `* }6 D' r8 E# ?$ F9 h/ D        # 模拟克隆时的随机丢失情况
    2 G4 m2 N9 N8 E5 s0 B        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)# Y7 B- X/ s; B  N- S
            # 模拟单端测序
    8 Z2 ~4 u: i! f        self.singleread(clonedfragmentList)1 P/ U7 G. f$ i. q9 j- K7 r
            SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")" S. O) J7 \* m% t
    3 C5 Q; r5 E: U# T" @
        def pairread(self, clonedfragmentList):  s8 m* v7 x( |, K/ @
            for fragment in clonedfragmentList:
    9 R: W" _9 {& o$ q" T; I' Z+ Q            fragment.id = ""
    ) V4 @: I4 B" n9 t: I6 {: z% W            fragment.name = ""
    9 L, m  |; c; N. C5 A            description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    . H1 p1 ^$ F0 U0 x( M# l& N            fragment.description = str(self.readsID) + "." + description3 f8 n) f) d( x: F
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    . M7 `' B& o& ?9 n. G            self.allreadslength += readslength  T$ K. m1 c" n% U* U4 Z# \
                self.readsList.append(fragment[:readslength])
    , ^$ t" z0 N9 w, J2 O/ o8 N7 D
    6 o  g, {9 E8 U! F8 K: U            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)* ]- u+ p# C4 x- i: G+ c$ H
                self.allreadslength += readslength% E0 w- x6 A; u) e8 j
    6 k- K- I% E' ~; n, g% q* A& v3 I
                fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()
    7 \) U6 N0 t8 t, X2 C$ u$ m            fragmentcomplement.id = ""
    , `" d% N. n' S2 ~3 w5 i            fragmentcomplement.name = ""
    4 D% [' j- Y# w& B+ n/ w            fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description
    0 r0 Z9 k: r6 k% }& j9 R            self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])) M, i' ~/ V  ]8 Q! ]- D! I
    % T# O- g! N2 ~9 o. z( R4 M
                self.readsID += 1
    # S% ^- v/ h. P- m9 n
    / f1 r/ w# T! r" e  D1 @2 q( V    def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):  @4 R/ @0 F( T- s& c4 h: I9 ~
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
      G( N  `9 `' v            seqlen = len(seq_record)
    6 q5 b! V; c; G  {8 ]# p            self.genomeLength += seqlen
    ' h: W8 J' Q) u7 d/ J6 y# {            for i in range(self.N):
    - o; O8 C; [1 V5 d7 f- y                # 生成断裂点) h+ Z2 M4 F6 F; K& p5 w) t* M9 ^
                    breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)5 v4 V5 O- K- J; K  |/ `+ t! B
                    # 沿断裂点打断基因组* @/ L- `* Z, {! n% C
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    + n! e% o7 M: ]5 _- a4 s2 T* J2 k        # 模拟克隆时的随机丢失情况5 d3 P* y9 V* i# S7 m3 A* J
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)  f. r. A6 }! h6 \
            # 模拟双端测序% d7 t( ^% x& I0 t8 O2 P: f
            self.pairread(clonedfragmentList)/ |, \' E& F' _/ D+ z
            readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]( U* `  {2 |  }$ D
            readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]
    ! J: t! ~/ I; P        SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")# k" e" ^' V9 u1 o0 U
            SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")$ h/ L; p3 t, _$ }2 ?
    . R9 v; \  d- k; R* N( C  E) c
        def resultsummary(self):
      R, s: _9 L4 d( E3 \8 s, j        print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")# q+ e: C8 ]9 }1 D6 |
            print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength)); J6 W; ]3 D) a, s
            print("N值:" + str(self.N))5 N. A! L6 C* E: i
            print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))' M5 X" q1 C$ E3 h5 D9 b
            print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))/ `) S' r' |( {& D
            print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))8 K$ q0 ?4 m1 h, ]2 l, p
            print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))
    * v2 E4 P9 \8 b! m* F        print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))
    8 z7 I/ M) Q' V# q3 n        print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")# R+ c8 ?5 q; E' T: d' f. x4 o$ s
            m = self.allreadslength / self.genomeLength7 k6 a3 `& s6 g
            print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))
    7 ], _$ s8 q7 b0 |3 D7 i" m- C        print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))
    ; y) @% O1 N! I: e        print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))
    ( d; N* D$ P# O/ R( k" Q/ x1 j  T# -------------------------------------------主程序-------------------------------------------( U0 _6 e1 C# J( W/ D+ Q2 K5 l; D; G- E) k
    # 模拟单端测序, D0 i% ~; Q% N# K+ G) `+ ~
    sequencingObj = Sequencing()3 q  n1 h* R9 u# H* V% H
    sequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")" }0 }- F7 n- {1 S* j
    sequencingObj.resultsummary(), }2 F) d7 A  o2 C7 t' e

    & ]+ S2 q0 w" D& }! |# 模拟双端测序5 Z8 n( V" [' O$ y: [' }& a
    sequencingObj = Sequencing()
    $ r, Q7 ]& \/ X5 psequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")& J( b* Z- _9 S) q/ K9 j
    sequencingObj.resultsummary()" C8 H6 o7 r% Q( R& Z
    from Bio import SeqIO% V* T3 ^' N. ?2 `
    from math import exp% z8 ?  ^, j! s1 ]# U2 ~6 h8 ]
    import random4 \3 M5 n; w; s

    ; L- d& T2 z7 Y) g: _% D7 V  Q8 rclass Sequencing:# y" C: j0 _! \) c% y  W  K
        # N代表拷贝份数1 t5 I$ y0 l9 u& `. _% Y, W
        def __init__(self):
    $ w7 N( L$ x. p) z3 n2 e        self.fragmentList = []$ V1 s7 |" Q  C' Z
            self.readsID = 1. \% [; i& K& k) @, G
            self.readsList = []: @/ c- W$ G$ M" v' y! L2 d
            self.averagefragmentlength = 650
    ! l' V6 K9 W: r0 _, }2 H/ P        self.minfragmentlength = 500
    2 y6 A" D: |  L" Y/ F) p0 s        self.maxfragmentlength = 800
    - ~: S, R* A% @        self.cloneRetainprobability = 1
    0 d# Y; L! q9 [+ g2 R5 F4 b        self.minreadslength = 50
    % _* g" U6 ~* N        self.maxreadslength = 150. s8 A! r, ~  p3 [
            self.N = 10& t+ i; C/ X6 I% ?6 |
            self.genomeLength = 07 V9 U/ ?  H' y! l6 w; y
            self.allreadslength = 0/ g$ Q! s: T/ X! h
    & n% u8 H/ u% ]3 B
        # 生成断裂点
    ) a% I6 z$ Y" k+ Y6 Q    def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):
    5 h5 M; E: v8 \9 f* x5 b        # 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 [2 S  W4 z9 u4 B
            breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]
    & q/ J3 G" `8 E( P        breakpoint.append(seqlen)
    3 s- H$ q4 K* ?- y" ?% ~        breakpoint.append(0)2 n. }, B$ c% h. F* \
            # 把随机断裂点从小到大排序
    1 B& J3 W# Z" R/ h        breakpoint.sort(). }2 t0 K" M: h
            return breakpoint
    . }% @+ n! p0 J* X$ A/ ?6 x
    ) Z9 ~* c& G. a    # 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 W' I, Q" y. s+ ?3 {. K    def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):
    4 L3 P9 e1 {7 Z        for i in range(len(breakpoint) - 1):; C3 `4 B, r" i  b: v2 G
                fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]" z) n- B  y3 S* d! Q. U% i. P
                if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:4 [, e( M. n! K7 i3 ~2 B- V7 t5 }  ]( W
                    self.fragmentList.append(fragment)9 k4 G4 L  I4 i; m- g+ Y6 y& A
            return self.fragmentList
    2 S6 A9 e% n( [% t0 C' Y2 l" }# K: l  W* T3 X1 O
        # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率. f. b5 s& R" v* L3 ?7 k4 _
        def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):
    , u- U8 P/ g5 B. c: ]; f        clonedfragmentList = []  c# F: R# O+ D1 [: C
            Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]3 n+ y3 e& C" T8 O4 B& o! w; x# a
            for i in range(len(fragmentList)):: H3 m0 O$ \3 n9 [# S2 O; H7 T/ W- o
                if Lossprobability <= cloneRetainprobability:
    2 d4 H) j0 X7 e3 K3 I& S" \                clonedfragmentList.append(fragmentList)" v( t9 o# {- K$ G# [9 j" `0 Q
            return clonedfragmentList
    5 [3 S1 l. B  \, h8 N' }
    0 t4 ~9 C- m  y+ g; \0 |/ K9 y. C# l    # 模拟单端测序,并修改reads的ID号# W* T! N$ n. y
        def singleread(self, clonedfragmentList):& p: u1 W* R& s& D/ S: _- M6 Z
            for fragment in clonedfragmentList:% q7 g$ b- J* |. y
                fragment.id = ""
    3 c5 |6 S. Q9 ]9 O6 ~4 i            fragment.name = ""  t+ N% I. k4 C4 \- p0 n, A# j+ [4 @
                fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]5 E$ l. B0 j& n. I% I! y5 z% ?
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description/ m- P' W1 B% p! U
                self.readsID += 1+ V" A- g& h& S8 q: g6 f- M& M  S7 y/ p
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    - w. D# R* x7 w5 ~            self.allreadslength += readslength
    ' R# A5 P8 F9 R& ^            self.readsList.append(fragment[:readslength])
    ' p; [! b: h: N: k1 I$ O* z! [" v. ]3 J
        def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):
    / ^! K$ l) k2 W0 U; Y, i        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
      x2 u! H8 e4 O4 X3 d( M  `            seqlen = len(seq_record); g0 h& C. ~6 m8 k
                self.genomeLength += seqlen
    * d+ G9 L) }& ?. n            for i in range(self.N):. t& W' Q( n& ^" A# Q
                    # 生成断裂点
    / ^9 Q; h0 v0 N% q( i$ ?                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)$ c3 k8 C1 D4 v* y3 y, U4 a/ Z1 e
                    # 沿断裂点打断基因组. L7 u% X  ^7 {+ q' \8 y
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)2 l3 d* ~5 e' O8 t9 e: S) ?
            # 模拟克隆时的随机丢失情况
    ! i% D8 `! A' f! B- x0 g3 o2 \  m        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)8 c/ L+ |, {. k. z! n
            # 模拟单端测序( o) k* {& L- p8 [: f
            self.singleread(clonedfragmentList)
    + x' c+ E% O' k" C; A        SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")
    * f# F" y* d! X" h2 b5 i7 N% n  _2 ?
        def pairread(self, clonedfragmentList):
    5 ~: ^; f  w! Q% H' J        for fragment in clonedfragmentList:4 ?( o6 g. K2 k" [1 w4 d1 [( }
                fragment.id = ""3 F5 Z9 R6 C" L  B# E
                fragment.name = ""2 K9 ^: @9 G/ q* N
                description = fragment.description[12:].split(",")[0]. {9 R+ w* g. q& y- l1 @( \& |
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + description3 x: {  q0 v8 ]- S
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    * N( B, c4 D! R& x  O            self.allreadslength += readslength- r" W) {; W" q/ v
                self.readsList.append(fragment[:readslength])& Q" W0 O! W2 \/ |$ E+ T

    - ^" H3 x$ x3 x; o$ K$ \            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    ( M3 r7 z7 v8 Z" h            self.allreadslength += readslength
    6 d: m( M: S4 N$ H8 l4 v7 {; v" w: X$ I" u  w7 X4 Y  X6 O( u& j8 A6 O
                fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()2 T( \" ^( E& r3 I0 \- p
                fragmentcomplement.id = ""0 }! Z' E$ S1 O/ G2 l# l
                fragmentcomplement.name = ""
    + k. w# _8 f6 F            fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description" n# t8 D8 G& ~6 r6 `  t; |4 N* _
                self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])
    ) d' Q$ A- @( R8 J/ S$ f+ m! ?- `5 E# a
                self.readsID += 1' v6 M8 c/ }- T8 o

    / \; Y9 w5 P, Y2 R3 W4 a    def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):
    ( X1 ^( P  F  Y  q8 U  m* B, P        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):2 n; M2 j  t1 C  w
                seqlen = len(seq_record)& @) z5 H( c- b, w" ]+ L
                self.genomeLength += seqlen" a. v& D. r  |8 R4 p' a- @/ B
                for i in range(self.N):) G9 O9 ?: K4 q/ H6 A4 d. v
                    # 生成断裂点
    3 ^1 z8 F; E& z$ j& O: c                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    6 H8 D2 @$ w; k9 f, Z9 M/ A+ P                # 沿断裂点打断基因组
    5 c) x9 X, `8 B2 ?! X8 M                self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    0 [# B& D8 X! s$ A$ H1 `- ]        # 模拟克隆时的随机丢失情况% j+ i6 F) P" |
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)3 w7 }' ~: a) _# ?& @! T; V  Y1 G
            # 模拟双端测序
    " X' }( @$ A* R0 g        self.pairread(clonedfragmentList)) P$ ^! ]: l4 F+ E6 Y
            readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]
    & e+ z! S) W  f1 O* L; r        readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]
    $ u& _# @! B$ t5 v; _        SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")
    5 T6 h: F! P4 ^        SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")( ^* R- h% d! I0 U+ I' ]! Y/ d0 j

    " E5 ?3 K# k% `3 ~" k/ u    def resultsummary(self):
    2 v9 r  O$ W" }! e1 n7 w, U# J        print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")/ v. p, `3 I4 q2 v) Q
            print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))
    ! _# k! @) g7 ]# h        print("N值:" + str(self.N)): a  E  g% ?$ i+ G8 ?
            print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))) {9 q( x  M( |" u% q
            print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))
    , _" K- k, b' Y" g7 `        print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))
    * b! c5 C1 L4 F4 O% s; o# B, i        print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))
    # ]' c# ^# c8 T. Y. f        print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))
    + m+ Z7 s% Y( |: w3 L3 K0 ^        print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")  A9 {4 ^8 D0 \- D% Q' k
            m = self.allreadslength / self.genomeLength
    1 ]/ c. g2 h8 P! s$ E        print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))  \1 @, a) U+ `: e4 w
            print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))
    " V# S8 I8 d! ]& ^  A        print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))* b- M* ?. J; Y! D* d5 ]% P
    # -------------------------------------------主程序-------------------------------------------' [% j0 Q1 e$ {1 g" w( B
    # 模拟单端测序+ \" r& i' P; _* U
    sequencingObj = Sequencing()
    7 D% E) h& U* l0 F/ G3 w. TsequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")0 V' r6 g. B, r& n6 @' D6 Q
    sequencingObj.resultsummary()
    % o$ I  N# Q! I9 e6 k. W
    ; ~7 [8 ?4 ]1 z# 模拟双端测序0 J+ O2 W$ b5 f/ Q2 h6 C. H
    sequencingObj = Sequencing()2 d2 x1 r) ]6 u
    sequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")2 e" w& r8 S! [) m8 O
    sequencingObj.resultsummary()4 P# C. E( s: k& y1 f1 T
    , |, r3 R9 H8 ?' P8 ^
    ' l* n7 y5 X6 a5 M& b5 q

    % q+ q2 ~# h1 t( b& ? + Z: Z+ ]& b' B% D

    数学建模解题思路与方法.pptx

    117.69 KB, 下载次数: 4, 下载积分: 体力 -2 点

    zan
    转播转播0 分享淘帖0 分享分享0 收藏收藏0 支持支持0 反对反对0 微信微信

    0

    主题

    3

    听众

    6

    积分

    升级  1.05%

  • TA的每日心情
    开心
    2019-5-2 10:47
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]初来乍到

    回复

    使用道具 举报

    您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册地址

    qq
    收缩
    • 电话咨询

    • 04714969085
    fastpost

    关于我们| 联系我们| 诚征英才| 对外合作| 产品服务| QQ

    手机版|Archiver| |繁體中文 手机客户端  

    蒙公网安备 15010502000194号

    Powered by Discuz! X2.5   © 2001-2013 数学建模网-数学中国 ( 蒙ICP备14002410号-3 蒙BBS备-0002号 )     论坛法律顾问:王兆丰

    GMT+8, 2026-9-10 10:36 , Processed in 0.460972 second(s), 58 queries .

    回顶部