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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 |倒序浏览
    |招呼Ta 关注Ta
    基因组测序模拟
    & k( o; `0 I. G: Z0 ?% G& q! D" p基因组测序模拟# H: R9 m  e8 l

    / d, S# t% k) m' D5 N0 `一、摘要
    % w: F5 d; K4 o2 ^, m
    4 W* k& e1 G: U( 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% B" Z% B5 |- Q: L$ I

    ( t( p+ y, g  _4 g二、材料和方法
    8 g0 V( I9 f+ I% \% \8 E2 J) e; m* M8 c. T
    1、硬件平台5 @  P7 m# L) r6 t0 n( _  E9 T4 l
    7 x0 U% j1 e3 V% d( l3 E9 ?
    处理器:Intel(R) Core(TM)i7-4710MQ CPU @ 2.50GHz $ \8 Z6 S, T; e  E# `) G4 W
    安装内存(RAM):16.0GB
    # q# f! f  V9 Q% @$ E, i+ ]; g4 q  ^  [
    2、系统平台$ T0 K# g( @& w3 u
    Windows 8.1,Ubuntu1 p) t4 f9 K+ ?' W( v( Z
    $ O$ I! Y7 C, |- J4 L+ V
    3、软件平台  K1 m- ~7 e- X
    2 W* H- p2 V8 x* O0 l
    art_4540 t  I) t0 p1 r+ c4 t& k" x* I
    GenomeABC http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/; a+ I2 R( t/ T, o  F& M
    Python3.5
    5 C1 K/ h: k7 ~! G0 P+ ?* x. lBiopython
    . ?9 R& j: h: r: t" O" y  y4、数据库资源
    5 v0 Q- e( ^: A) Q* S
    : \/ f/ i7 p% S& N# f) x) ]NCBI数据库:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/( ?! Y- [6 g& F% U5 P

    6 X: ^, \2 O8 l' @7 p& v5、研究对象
    ' a) X5 r9 t$ _0 t/ P1 M
    . z1 F% J9 Z! u/ E* ?* v酵母基因组Saccharomyces cerevisiae S288c (assembly R64)
    & s" V* Z& }- a3 ^4 [ftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/all/GCF/000/146/045/GCF_000146045.2_R64/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna.gz+ r# ~  W. u( b: ?2 Z4 `! v+ K% k

    0 H$ V- g* F3 S0 E9 p4 V: ]6、方法9 e: f- P( W" s# \
    ; ~; }- u' w, g( W9 t% a
    art_454的使用
    0 B% J! k- x$ X6 A' p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。
    ( U5 D3 q* X# J( LGenomeABC
    3 ]/ B0 g* a6 R5 h4 B% q进入GenomeABC(http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/),输入参数,获得模拟测序结果。
      i3 V7 M6 k2 G编程模拟测序 ; j5 o5 L* O7 W( S2 k
    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。
    ; z7 N$ Y" I+ a! P) t三、结果
    8 D. |: V" G: B5 y0 m. h6 e* p
    + K7 Q; |' @: g& U+ L  a# d9 z1、art_454的运行结果
    & J, u% w0 k3 O2 C# Y4 W
    ) g2 Z. o1 y8 e2 e% ?+ C7 {) |无参数art_454运行,阅读帮助文档
    & O' F6 M# k8 g: h' ~" t* V5 s/ ~- I. I% M1 }9 }9 l$ i& G
    图表 1无参数art_454运行
    * Y) m8 u& U" H5 F4 b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.
    & O( g/ @8 _  I" P6 V下图为模拟单端测序,程序运行过程及结果
    $ d  }8 y: n( o( l0 T$ u- z
    $ a  `* U' e5 z图表 2 art454单端测序
    ) }# ?$ ?3 q9 g8 Z) e, F
    ! Z+ A' l$ j) h1 z. u图表 3 art454单端模拟结果 - v; S" Q# R1 A4 L8 g! s  W
    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 , I4 p  X2 }) N& i
    下图为模拟双端测序,程序运行过程及结果
    5 P; l# q! i  `& U1 }2 z, Q( o* i
    6 d2 Q  }! ?. z. K1 i' `& k& R- Y0 A图表 4 art454双端测序
    1 T+ i5 e& I& ?
    ! e5 D; {/ u  w) l2 J. y图表 5 art454双端模拟结果 5 K- |$ z  ]" J1 V8 l# M$ I+ M
    2、GenomeABC
    - q) ?- i% A; L下图为设置参数页面 6 x  @3 m8 }) U, d, i
    " i% |$ z5 |+ q7 [1 a
    下图为结果下载页面
    - r* T" f5 l6 X- S- x; t2 e% v/ z) t6 ^* _
    图表 6 结果下载页面
      N5 I& c; w# j2 y+ l/ S3、编程模拟测序结果
    ) ]# i2 K& \. l, E- _4 H# @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。
    ! x& S: }2 S+ Y# l单端测序
    " w& x3 p0 E, `4 d2 C
    & a, K- l6 N2 Q) n+ Q3 r* k- l图表 7 程序模拟单端测序 6 f9 O7 u+ k4 w% Y. O
    双端测序
    * i/ x  F# P/ g+ n
    1 r; L3 ]! H! y) ]$ \4 b8 F图表 8 程序模拟双端测序
    0 F+ U2 V& M8 ^1 z( ~* _测序结果
    7 T* P/ M2 P, S8 E  r" r* ~! z, B$ v8 X' j6 `7 A# v0 `
    图表 9 结果文件
    ' d% p1 b! L  q4 l. @
    : O" m& A8 n/ G) \& J6 r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。
    4 t: e3 J. M9 q. u  u测序结果统计表; D7 D3 q) _& G: M3 M- S2 y) C+ ^
      P9 `( z% z' j, k% ^6 l" T
    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)9 Q8 d) \# r. e. n8 `- s8 @. U
    单端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        107378        50-100        101968        7645.541kb        0.62889        0.53318        0.46682" N3 g; [: U& q, P8 N% H
    单端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        213722        50-100        202996        15227.882kb        1.25259        0.28576        0.71424
    ( I5 Z/ f9 G6 a( K双端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        106704        50-100        202770        15212.662kb        1.25134        0.28612        0.71388
    : K/ N- e" Y5 G$ q9 c. K% B双端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        214212        50-100        407186        30534.265kb        2.51164        0.08114        0.91886
    $ ]5 d$ D* d9 @2 Y1 P四、讨论和结论
    % {' B6 r, z# `+ y3 D+ Q- m  E
    * k# {/ ]2 v, ^3 B  _* z程序运行方法* c: e& k$ Q: j' p4 ^- f9 `; x
    1 D! X5 G. v% f7 _5 X& K1 n8 w
    在类的构造方法init()中,调整参数。
    6 O, {) p! V1 c: y0 t8 P' i3 EAveragefragmentlength为片段平均的长度;
    1 u1 ^6 H( ^% X4 h- tminfragmentlength和maxfragmentlength是保留片段的范围; 1 c, {0 K+ ~1 K" V4 S9 m8 E( A! U6 S
    cloneRetainprobability是克隆的保留率; 1 }$ C( h4 i# p( E+ h  Q, m( H( k
    minreadslength和maxreadslength是测序reads的长度范围+ f* P, G4 u+ b
    % d$ @2 O  @5 W0 Y" i
    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。3 ?# j/ m3 t! P& n1 m
    0 ]% s+ ?* e5 X$ U* v
    附录: I* t6 Q3 \! R; a+ o8 R/ ~
      P( {6 o! [: t# W4 D2 F
    from Bio import SeqIO2 u7 B7 @8 c8 W0 ]: c" n0 h# u
    from math import exp
    % E: [5 X  W6 w) e3 d; }import random
    . i0 W) T  b, {" I9 C: J; J% x3 @8 m# J! b$ t
    class Sequencing:
    # a6 U  g6 _' u    # N代表拷贝份数
    * v) i6 a  d" s: X% V& k# S5 F$ U    def __init__(self)
    " [. c* h* Z  G        self.fragmentList = []1 x& `# K2 L9 ~+ b
            self.readsID = 19 G5 ^2 s; c  l* w7 X/ F, _
            self.readsList = []" a, x6 M, ~  _* O7 Q3 X. l8 h
            self.averagefragmentlength = 6508 e. ]1 y  B' [; S; ~1 w, g
            self.minfragmentlength = 500, }1 h+ _# }. B! U' Q5 a
            self.maxfragmentlength = 800
    : R( g# n/ U+ l; L, H! v9 Y        self.cloneRetainprobability = 1& Y9 H/ Z: f5 I( `
            self.minreadslength = 50/ D/ i$ z0 l* h: u, ^
            self.maxreadslength = 150
    - I  n  P8 i# s  k7 @% A        self.N = 10" G7 {7 [8 x: J* p7 \
            self.genomeLength = 0" ]% `/ z! C& J% ~
            self.allreadslength = 0, v% \8 g( m  q8 l

    & {8 X! b' \( R) {6 _7 u    # 生成断裂点
    " L' `% }) r: {" x" \5 s8 {# h    def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):
    : A; T, Z5 G( q! r4 y8 r        # 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 X, c& {& b$ X: F        breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]7 K# o+ @& o2 ?5 D$ H
            breakpoint.append(seqlen)
    ; }( Z$ E0 P! m1 u3 W. j& o        breakpoint.append(0)! g1 F2 ]+ s3 s1 c9 d
            # 把随机断裂点从小到大排序
    , u  e3 c& Z; ]# n2 y! `        breakpoint.sort()
    0 E* B% |# @) G* ?% s: m; N$ F        return breakpoint
    : z. O% x* v4 t/ r' s/ \  x) S$ w
    ) G$ Q+ j; t. Q  M% l6 `' g    # 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
    9 J7 K6 v5 M6 ?) b+ f    def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):; U) W2 M1 l& A  m
            for i in range(len(breakpoint) - 1):. d0 N  @1 D9 n0 w! [! t
                fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]
    8 v8 r# d' g. m  c, V! Y            if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:
    8 t( ]& z/ m; X9 ~" H                self.fragmentList.append(fragment)9 w/ P# `4 ^- d  b1 p
            return self.fragmentList1 ~5 B9 R% N* T' J, m: h& V

    2 J: `0 n# {; r7 ^& J# F' q( X6 d    # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率
      i. ]  V! r0 q. T    def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):; o4 a9 r( Q; f" y7 y: z3 K, z
            clonedfragmentList = []
    0 Q, y) \- O9 e( w- n; y        Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]
    5 y; N6 S/ t0 [0 _  h7 o        for i in range(len(fragmentList)):
    : F  B0 [: \6 o) _            if Lossprobability <= cloneRetainprobability:
    $ T# j. v/ I8 e6 v' }9 o                clonedfragmentList.append(fragmentList)
    ' x$ Y" j5 p+ [1 Q: y        return clonedfragmentList
    ' b% T- @0 o4 {4 N: t8 Q  O+ |. l: m) H. \  H6 @+ l3 s/ G( S* p
        # 模拟单端测序,并修改reads的ID号% v6 O, @- ]% c  |9 k+ r, ?! |
        def singleread(self, clonedfragmentList):
    3 P0 n( S  O- b. R# A9 G4 T        for fragment in clonedfragmentList:
    0 b. K8 Y7 B. g1 T4 ]. [            fragment.id = "", j6 B) Y; b7 f) v
                fragment.name = ""
    $ H9 `" a2 n0 {9 M: o4 m            fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]& x2 _& n. V$ O6 s. x9 r
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description+ s8 ]) `2 v" d( [4 U  B4 p1 l- ]
                self.readsID += 1' o1 ?( p- ~% x* U. u) q( R0 i
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    , N/ D7 z1 l4 m5 J            self.allreadslength += readslength
    6 D, q* G6 q0 g0 w            self.readsList.append(fragment[:readslength])8 a0 K9 N" Y" X4 z

    * R; u* e6 A9 W) n: w/ M    def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):: I' I& X3 e7 n+ w& R4 Y" S
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    3 H7 B- R" S' ]4 Q. n- x9 n            seqlen = len(seq_record)
    ! [  w: V# c: R) m+ z* F            self.genomeLength += seqlen
    ' B. g% e6 p" }1 X& ^; s            for i in range(self.N):' f( ?4 E8 q9 ~  i8 F
                    # 生成断裂点" u  m0 K/ `0 m, q4 l5 E
                    breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    $ c: S- W, m! f3 t& O                # 沿断裂点打断基因组
    8 y# N, i! Q# }$ F' d                self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength). a# C' ^# b' y# ^. ^9 ~  s4 o
            # 模拟克隆时的随机丢失情况) U' o% v$ X  A# a
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)! t( y* R' [4 A( M% f
            # 模拟单端测序
    & T: t, U  c- y+ Y' w! @        self.singleread(clonedfragmentList)& x& Y) o; l' U
            SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")7 I+ F0 T2 ~( h9 f) {& E

    " l$ d% M5 c% w9 m+ g# ^    def pairread(self, clonedfragmentList):$ |, v/ z1 a) ]3 r
            for fragment in clonedfragmentList:( y3 V+ W2 z! _/ O5 m% X, R
                fragment.id = ""/ `0 U0 r2 g  q2 S' u
                fragment.name = ""- m- n$ ?+ n8 e$ f4 t
                description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    , e/ [% U  L+ p( Y2 h9 L+ O            fragment.description = str(self.readsID) + "." + description
    + F! Q9 n/ ?4 c            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)5 l; y1 d& Q9 E; B
                self.allreadslength += readslength& b' F$ j8 |# \
                self.readsList.append(fragment[:readslength])% j3 l" A* u6 A
    / x' k7 S! ~, F) H  A: u
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    ' x9 k0 [# ?1 ^$ T) {: i3 {- ?. s; ]6 }/ Y            self.allreadslength += readslength
    * B$ v" H! V$ X- n2 K$ ^% e
    1 [' S2 r" Y# }: ^            fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()
    6 o3 \' d' w: L9 x' E$ s2 Z            fragmentcomplement.id = ""
    0 m+ R: _$ f! {" b# R) t, i; O; a            fragmentcomplement.name = ""$ Z  f7 b' M6 v' C
                fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description
    ' C3 \- N$ o. S! p4 k7 l            self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])
    & S0 j' _4 i4 @  u& l6 A( J1 K4 r
    0 ]& @) ?# E' q6 J$ B            self.readsID += 1
    ( }( k9 `. v, W) \8 D7 v& }# D5 b
    & m5 p# t+ V2 h. i    def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):/ R, s' K8 v, v4 Z  k6 Z& S
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    . K4 H4 z- H2 X; i  h% E: O            seqlen = len(seq_record)
    1 y$ Q  \5 Z5 K+ z- L            self.genomeLength += seqlen
    1 L. |2 D# v# Y) ~4 g$ G7 [9 U" c            for i in range(self.N):+ [* V; \& A6 l& H
                    # 生成断裂点
    7 ^" ?+ O) g4 c9 E' S, E                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)" n* v7 a! c; _0 @  f0 K, ~
                    # 沿断裂点打断基因组: G* s. D& ~2 k* x: `- Q$ ]* c
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    , R/ a# D% W1 f( y        # 模拟克隆时的随机丢失情况
    ! G5 L2 W2 ?* u1 I  n        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)
    8 \; Y: m; w2 x        # 模拟双端测序# s" G2 r  Y; K1 g; @2 Y
            self.pairread(clonedfragmentList)
    2 p! B7 o0 h  Z3 Z        readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]; N) H% u8 @: K4 @0 ?. N" e
            readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]
    % y1 p: O4 n( l# d$ q        SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")# n2 Z) D( V5 Q& ?+ w
            SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")
    " ]/ N8 s8 v  g7 n8 J
    6 x6 u5 J9 x2 p/ C" q" u( Q" |    def resultsummary(self):
    ) X. K) B6 U7 ~6 o1 {5 W) n        print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb"): S4 M: D3 z2 \& Y- J
            print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))1 Y" x" B& m0 N) a2 Q4 [* P
            print("N值:" + str(self.N))
    / }- E' v9 Z# J9 x8 p2 b        print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))
    8 k$ U3 g( Z( Z5 G        print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))0 o" H. c! y. t9 ~7 Z
            print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList))), Y2 z2 K; P' @$ `" y" s
            print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength)), J; Q. P* _5 Z- [9 @0 E
            print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))+ o  g. }/ u: w# f9 y
            print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb"); l& a, d3 j* a  }  u
            m = self.allreadslength / self.genomeLength
    + d7 P/ b" L6 e$ \9 p0 `        print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))4 F* j7 E3 h% O0 N9 ?2 {; o0 K
            print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))) a1 b  O+ H1 h
            print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))( _# |! `2 x; o' F* }
    # -------------------------------------------主程序-------------------------------------------+ O0 ?1 r: Y; c( ?! g+ Z
    # 模拟单端测序
    . R2 {1 G. |6 `sequencingObj = Sequencing()
    / S) I$ E- h7 Y7 O; h: v; n1 asequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")7 s0 _  R2 S( X7 z: |4 h8 i
    sequencingObj.resultsummary()2 o6 F* k" ^/ l$ ^7 F
    ! R& m. j; \* p1 I4 S# ?
    # 模拟双端测序+ j8 A) V2 P8 ]$ x
    sequencingObj = Sequencing()! x7 i. v# ?9 r( j' M( X! ?
    sequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")- h: c  q: J0 Q: C1 W' E
    sequencingObj.resultsummary()
      q" j1 t4 m9 c- e- P5 R, Bfrom Bio import SeqIO7 b  p1 a' I7 j8 Z7 q: S
    from math import exp
    + b( J' c6 B) v" S$ |% `7 Y; Z6 Mimport random, T" h0 {$ K  ?5 h
    , `! e2 B) h+ {9 x& v5 e/ K
    class Sequencing:; l  u/ P7 R2 A, w  V) J
        # N代表拷贝份数
    ! j$ X& V! X! h& d2 i* y( f* m. i7 Q    def __init__(self):, ?% z* }3 ~& Z6 {( _$ Y# D
            self.fragmentList = []
    - D* y' O# @2 @$ X3 n        self.readsID = 1
    ) C# C3 H' A# F' Z        self.readsList = []) R5 [2 W: u, [+ m% j
            self.averagefragmentlength = 650
    8 Q8 H) L- A! z4 g7 h        self.minfragmentlength = 500+ `: @2 v# \& Y; [# J
            self.maxfragmentlength = 800
    * k5 a; l" y4 n+ {# @        self.cloneRetainprobability = 1
    ; ?& I) b) g" Y1 d4 u% j; v' N6 r        self.minreadslength = 50! f' p3 p9 g! F. u' K/ g
            self.maxreadslength = 1509 d; ?2 D. h1 u  c  {; q& h
            self.N = 10
    3 P+ ?& Z! j' x% t  N7 n/ B3 ^) o        self.genomeLength = 0- R4 P( u3 P9 a' ~% M+ g
            self.allreadslength = 0
    * U) ]% F  x) e  K( F- y  g( @& j7 ]. |" F
        # 生成断裂点
    9 N/ n6 u! S/ |3 |" @2 e    def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):
    ' J5 Z# F( e! [. r- y; w4 @5 V        # 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)( R5 M/ S2 b7 V: b4 j( m
            breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]7 h3 W* `0 m3 K0 }  B9 y9 J
            breakpoint.append(seqlen)
    - v: L3 y1 P( C. O, {; e$ _        breakpoint.append(0)4 y/ @# }# ^. ]/ x1 G
            # 把随机断裂点从小到大排序
    1 C3 s( m9 ^% [. a8 i6 J        breakpoint.sort()9 `& ~% d3 v" o8 ~; @8 j% a
            return breakpoint
    ) P; }6 }1 X* \2 t% p9 p4 P5 u) L& B2 E' `
        # 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
    % T' p4 k" k" _1 w6 F+ v) F$ B    def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):7 l- j- o, o4 M" w* K
            for i in range(len(breakpoint) - 1):: I8 D" }9 a0 L7 E" x! ]% K( I9 ^" K
                fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]
    + V( ^& P  n5 c3 E! i            if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:- R  p5 s. v& _
                    self.fragmentList.append(fragment)
    7 Y0 s9 \: Z3 ]9 z% h/ r. Y# M        return self.fragmentList
    / {9 e: ^1 C' {% J* K- e
    6 _1 \! ~" |" w    # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率$ c# a. |2 f  k$ D
        def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):
    ; a2 B& M' P6 }2 \6 n        clonedfragmentList = []
    ; p% e8 \+ |5 D3 W3 R- B        Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))], @, d3 v3 F  l- b6 B- ]
            for i in range(len(fragmentList)):
    + S; h( V2 V# {! W            if Lossprobability <= cloneRetainprobability:
    4 W# ~$ e8 E& V6 K! X3 l                clonedfragmentList.append(fragmentList)8 x  b# I( O5 @& R9 O
            return clonedfragmentList- T# L: A* ^, y6 N# Y3 \: `

    ' n4 s3 ]3 _) t& F# |! S1 p0 C    # 模拟单端测序,并修改reads的ID号
    8 c5 s* ?1 K! [  W/ ^6 P1 }    def singleread(self, clonedfragmentList):
    2 o- W+ C2 h1 H8 Z# k, u        for fragment in clonedfragmentList:
    0 w7 L; m6 G2 `3 v7 [* _% }            fragment.id = ""& ~5 x6 P. b% M& H% Q5 I) F- l
                fragment.name = """ P! U  \; S8 D, g5 x
                fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    4 e$ a+ E- {, q( q! w3 ]' j8 R            fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description% Q$ D' {; \6 L8 P  f8 b
                self.readsID += 1
    $ k% A( y) ^* l* A            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)5 U) ?! y1 U; l8 p  H" X
                self.allreadslength += readslength4 |8 b, ^* B! w8 u3 J* i  v
                self.readsList.append(fragment[:readslength])
    : J% Q/ }. b5 ~8 h& K  v. D; G6 H7 P1 l( a0 ]0 {* ~  T- V
        def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):
    . G  w6 P- [4 O+ p6 z/ r+ e1 v- o; F        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    0 t  ?4 O: R9 |7 K( h+ r4 _            seqlen = len(seq_record)
    % L& N: t- R" l+ V3 v            self.genomeLength += seqlen! }2 b7 C0 k) @3 H% ^4 ^5 K/ v
                for i in range(self.N):
    2 ~$ m9 E8 B* x8 I* |* ~5 z                # 生成断裂点- q* J6 g3 k7 F  N- @
                    breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)+ e/ g1 I3 b9 ^1 `. A# o2 h
                    # 沿断裂点打断基因组+ o9 G0 a* t, T* s1 F
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    7 [5 Y6 d! q+ |4 W0 X        # 模拟克隆时的随机丢失情况' y0 X; ?7 U" O4 T1 \% c; o9 C' o
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)* }$ K( R6 |8 o! ^
            # 模拟单端测序
    + }4 U" k- D, W        self.singleread(clonedfragmentList)
    5 N- D8 m% ^+ E        SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")# |' o- y( y9 {- U" T4 f4 z. o

    * m0 b1 C, m. K+ p5 Z- b6 h3 S    def pairread(self, clonedfragmentList):6 l! v2 b. n- O- R3 D
            for fragment in clonedfragmentList:0 J. d; e0 ^& G; x
                fragment.id = ""
    * b# u9 g9 S) {7 \. @; P            fragment.name = ""' J; F. y0 K* s- P- @1 P
                description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    / w( t- l0 K( @4 m            fragment.description = str(self.readsID) + "." + description" Q7 Y' |3 m9 e3 _7 p/ D" h
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)! j/ O$ Y5 r- _4 l. `5 R
                self.allreadslength += readslength/ V( `  @3 w" c7 n
                self.readsList.append(fragment[:readslength])
    # N, |  H/ ]# n9 E9 N) W+ i
    : [- X6 B* ~0 f5 R  i& m            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    $ i; R- i& J/ q/ ]3 G$ j            self.allreadslength += readslength
    0 Z, \5 o1 I1 l  {
    / [) d- v" B2 Y) j            fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()2 w3 D( Z, ?0 s& y" o2 c" L; B
                fragmentcomplement.id = ""
      ^" K9 w$ ~* H/ m2 `7 \4 C! S: A            fragmentcomplement.name = ""
    8 J( M) f) H& M7 P; I! b) O: [5 U            fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description
    7 \! A5 W* K2 Z" g            self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])! I' m4 P9 P- w9 {

    & s! R0 j: _. w2 B+ i. y            self.readsID += 1' g/ J4 J: `& [' W$ C$ V. F% ~
    2 T# L" ?5 v: }- m" P
        def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):
    0 \) E7 s8 }2 y+ ?        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    % v% W) |. w4 f* a# v1 z            seqlen = len(seq_record), E" H, K2 O1 J. v3 |: X5 Y
                self.genomeLength += seqlen
    ) k% n& ?2 x, ]% [. ]7 ~4 {            for i in range(self.N):
    * j5 o+ Q/ t9 n) [2 |* ?7 G8 d1 x+ L                # 生成断裂点
    4 U% G  b0 C. T8 V$ Q2 n6 w                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)# _5 A1 d4 [6 n8 N7 s
                    # 沿断裂点打断基因组) q! y  l5 O& d' d+ F0 i, E
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    3 s6 s6 l8 u" n. N" E4 p        # 模拟克隆时的随机丢失情况
    5 w$ s2 v1 x1 r! u$ T! g7 {        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)6 {0 n+ x* j; @$ I) j7 c  S
            # 模拟双端测序* j6 x" p/ i! v6 H0 J% f+ Q
            self.pairread(clonedfragmentList)
    1 p. k; o1 ~7 Z* k! F% q' Q2 ]        readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]
    + j1 L1 U; m& Y8 h# i: x! i        readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]3 G- ~$ c6 L) E9 l6 K
            SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta"). w9 @" g* `/ [3 }% ?: }/ ~
            SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")
    3 }% s7 V6 p2 C0 I  E6 }. z, C; J( _! u. N/ M; {1 h7 {3 ^& w2 A0 }/ |
        def resultsummary(self):
    & T. _  o8 X6 M9 c# U4 r. u        print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")
    $ Z7 Y) F) m; V6 M+ ]        print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))
    7 }& M" x$ Z# K        print("N值:" + str(self.N))
    # [* l3 T- z" T        print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength)). |- h2 b" J1 b( U
            print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability)). R- I: `  p/ X1 T  w
            print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))4 ], _4 |) g$ ^& _9 a; f# {" o9 {
            print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))/ g& H. v! s) Q& o# W/ J
            print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))
    ) `% D3 D6 ^2 n0 Z0 ?+ a. t        print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")0 a" w  C5 S7 J0 x% u9 Z9 z- j
            m = self.allreadslength / self.genomeLength
    ( @5 s" v$ x! v! J4 J        print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))2 w* U/ M# W- \% G2 J
            print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))6 v5 c9 Y2 y% |8 ]! V6 D
            print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))
    # Q1 G. X4 W, Y2 e* c# -------------------------------------------主程序-------------------------------------------* C7 _; m# C# L9 W( C: [
    # 模拟单端测序- G  ~2 I' j. f  I7 E5 G; x* W
    sequencingObj = Sequencing()$ @  [- M+ o, r0 C
    sequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")9 B: E& j7 k$ A  Z" [
    sequencingObj.resultsummary()
    & W4 o6 f, z5 Q/ o/ P& ?2 B% T, X" Z( A: Y+ X3 z4 f- X
    # 模拟双端测序
    - F$ f5 g3 {5 hsequencingObj = Sequencing()5 @  u) g3 D% @/ _
    sequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")
    0 I) D% e4 o# H- @! ysequencingObj.resultsummary()
    0 c9 u2 m$ ^5 `$ i+ G
    & P2 c1 W% X6 a' Q9 W
    / @+ n, f; i# P+ [7 i: q+ ]* W( b$ n8 p% i; x

    % t3 N& U3 u, k( O* x) }8 [6 K6 x# q

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