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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& n( U/ P. e  k7 z! f, t$ f5 @$ S基因组测序模拟$ `6 c$ N) S/ c& X+ A( Q& G) i

    , g4 k" N# m9 j" h一、摘要* r7 C$ ~7 n; ^8 _, f
    * G( F6 N1 V+ j3 F
    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. q3 y* {# J5 t, J) F
    # a$ }: q) }3 w! M4 n" E' c# L
    二、材料和方法
    ! v- A9 V: }, d# M, U) B2 P3 s8 |* ]; t+ ]8 I& \
    1、硬件平台( |$ \( y  {0 `/ Z# y
    4 w+ H6 H& ]; m) {3 x
    处理器:Intel(R) Core(TM)i7-4710MQ CPU @ 2.50GHz
    0 \/ Q/ `: \) n9 }* R$ P安装内存(RAM):16.0GB
    / O, N, |" t( `2 l7 i% t7 f1 g5 e5 W% K8 T
    2、系统平台$ s/ B( r- {' g- Y4 y
    Windows 8.1,Ubuntu
    " N2 w# H: P' y) {
    5 H2 @4 {& X3 V/ c* O+ _3、软件平台
      U8 p# c1 G# [" L( L
      A1 `5 k( q. Zart_454
    3 z0 V* n3 c) k7 P7 d& X% P9 CGenomeABC http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/
    3 a; w# X( h" t" ~2 d! @# kPython3.5
    3 k& r3 \* \' v$ h3 ]+ IBiopython5 r2 J0 z8 m/ E, s9 Y9 s2 }+ K
    4、数据库资源* v" w! o7 c! k: t, x
    / J/ A: k6 y9 |0 [
    NCBI数据库:https://www.ncbi.nlm.nih.gov// |6 i6 D. \( ^- ]' U6 {

    2 A  K; \) k2 m2 P/ [& C* u* q5 m5、研究对象
    & k7 y8 ]# l8 Q- u4 T0 d- n7 ^8 ?2 @; [  \2 \! }! I: l
    酵母基因组Saccharomyces cerevisiae S288c (assembly R64)
    ) f4 |+ {" s) C/ N9 Oftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/all/GCF/000/146/045/GCF_000146045.2_R64/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna.gz
    ; d% d: |; W. b4 n0 z2 T- e: j9 }2 C1 a
    6、方法& u0 P( @5 u: q9 h! z0 Q3 R" h6 I
    ) i! K  C. @( f3 W
    art_454的使用
    : P4 v% _- q" ?$ 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。, ^4 K1 v* P( z% J0 M8 E
    GenomeABC
    . B* e" a, [1 {& j% |进入GenomeABC(http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/),输入参数,获得模拟测序结果。
    1 J" ^* s, I) ?) P编程模拟测序
    6 @5 X( f" D% F: N  L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。
    2 L, f, K8 y' k! y3 s三、结果
    ( g4 q9 @7 Z2 C( o! x  ?7 P1 b
    4 y* }% m$ ^3 X0 X( D3 ?- B0 F1 g1、art_454的运行结果
    : R3 M; d# y2 z# d: H& G3 e$ `+ \7 X# c  \5 P, o" z
    无参数art_454运行,阅读帮助文档
    ! Z& p& ^/ |5 I9 ?  x8 S/ m  E
    # z& }% [3 S: _- f3 \; B图表 1无参数art_454运行
    ' A1 ^2 z8 T2 p' T8 E5 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.
      s, d1 t, N: S6 p下图为模拟单端测序,程序运行过程及结果 7 c. k7 l+ w% H. I( B5 P" S

    ) Z! n$ @/ i) B" L# t图表 2 art454单端测序 ' L" i8 k( F3 W7 [5 g9 G
    5 ^, d( \. J/ w2 g% ~' r
    图表 3 art454单端模拟结果
    5 c' g  e6 j' @4 P* M5 e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 k0 E$ n7 `- {2 Z5 |
    下图为模拟双端测序,程序运行过程及结果 2 ?# C' M7 q  D+ @
    . L1 e9 t5 S3 |& ?/ c# O
    图表 4 art454双端测序
    # o- y$ y; N; h# e
    4 a2 B( w4 o) F( ^图表 5 art454双端模拟结果 # g9 m/ y  ]5 J  [& }
    2、GenomeABC
    : q+ O# x3 k3 M# W: S! a. ]0 h6 o6 m下图为设置参数页面 2 X3 D5 J& \; u1 l8 B# o
    3 s* ]) \$ H3 o: w3 a8 j
    下图为结果下载页面
    : ?- |+ |  H% u/ W8 c' K' P
    & [" ~9 i9 t4 n& M+ Z图表 6 结果下载页面 $ [9 ?8 d" K: Q) R! s
    3、编程模拟测序结果 + V& @6 y8 q9 A" p4 A9 r+ g
    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。
    8 F" q$ m3 N6 T; x单端测序 . N+ n) X2 H; ?

    . y! x* y8 v4 r0 K图表 7 程序模拟单端测序 $ n! J; U6 a1 ~+ J
    双端测序 5 \' z! |$ {$ j3 J% S* O" n" u

    : p$ F7 t6 v  y% d图表 8 程序模拟双端测序
    ; ~7 o' M7 K6 y, U& i测序结果 + m0 M% t% Y+ g* v
    4 \. h' b% r1 j9 F+ R
    图表 9 结果文件
    2 a; Y: w# a* {, v! K$ l
    & L6 P! t/ t* q; X) ?3 \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。 . y( P3 k9 r. Q
    测序结果统计表* _$ c! R) L& r: `' L
    8 s) f7 D" Q3 u$ 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)
    : `; X, f) X5 I, r) G! E) b单端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        107378        50-100        101968        7645.541kb        0.62889        0.53318        0.46682
    5 v" z' a2 o, b- ?. M: I! _单端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        213722        50-100        202996        15227.882kb        1.25259        0.28576        0.71424# l. C6 i" Y& k
    双端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        106704        50-100        202770        15212.662kb        1.25134        0.28612        0.713888 O3 c( D, d( B+ U! V
    双端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        214212        50-100        407186        30534.265kb        2.51164        0.08114        0.91886- b, m$ [5 J- Y3 j2 A
    四、讨论和结论' ~- q) ^8 k8 L! j

    ! g* N0 x$ U7 K. V程序运行方法
    / _+ U" z% a- [# s& S* I) E7 T* l. {+ V  _' O" y
    在类的构造方法init()中,调整参数。 & y* P9 W6 M3 j$ o0 E! o3 k
    Averagefragmentlength为片段平均的长度;
      B" p/ m8 z) X5 S, C$ \' K4 x1 Ominfragmentlength和maxfragmentlength是保留片段的范围;
      D( B! ?. f3 S$ m1 P8 s! NcloneRetainprobability是克隆的保留率; ! I0 _+ }/ ?1 ]2 W
    minreadslength和maxreadslength是测序reads的长度范围
    8 y& e$ _" Q- Y  B. a6 `  g
    4 e* X# Y7 G6 c9 v) T! N& f- y) G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。. i1 k  W0 j' Y5 o! v5 W

    , w+ {& H( w8 Y" a+ g附录
    7 A* y, D& [# c  r! a( m# z# X- O1 {9 {1 [
    from Bio import SeqIO8 Z5 L5 E" h9 |1 a2 I, s, J% m
    from math import exp
    4 W7 C9 M' A  p# I7 ]: j# j: ]. d# }1 Ximport random
    % }* I, Y. L& c5 ]8 A, Z9 T; Q  I" u2 x* H5 [
    class Sequencing:: r$ W* |) h7 \( }' d2 x1 G% h
        # N代表拷贝份数) B5 J7 H1 h. v6 C
        def __init__(self)- p2 q8 p1 N  \* ]1 [8 z
            self.fragmentList = []
    4 ?4 p) `6 c) H4 K. V8 d- Q4 b        self.readsID = 1- C: P5 a6 l7 D1 y$ K
            self.readsList = []
    " Q* l, o/ V: E: c2 ]        self.averagefragmentlength = 6507 b8 x/ j& O7 l4 M! A; Z5 O. [
            self.minfragmentlength = 500
    7 P2 Z& z% {2 r6 [- i        self.maxfragmentlength = 800
    $ O9 T$ q9 {9 x) _6 M+ X        self.cloneRetainprobability = 1" P4 v/ u) {( Q/ Y5 i% M1 A
            self.minreadslength = 50
    : C5 ]0 Z6 J: V: q( s        self.maxreadslength = 150
    9 M4 i3 e- ?% C        self.N = 10
    / y& _+ p" p% k! V        self.genomeLength = 0
    3 _* B2 k" V. |1 X/ ?        self.allreadslength = 0+ t: I  a4 K  i( T# r( {; ?

    & L6 {, V6 S6 N: D    # 生成断裂点
    ! O% y- @9 A8 ^  v* B( k    def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):/ W: Y/ {* K& _" O: 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): ~9 X+ ^! j* H& C0 r
            breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]
    . U* \* d. Q% g7 c        breakpoint.append(seqlen)( m' g/ w! L. ^. }6 q: p
            breakpoint.append(0)
    : y% S  l' O6 E2 j' ]- y, F        # 把随机断裂点从小到大排序
    ! `- K- `* q6 f2 X( I7 @        breakpoint.sort()
    * A) u3 i8 U. E- H0 p% O        return breakpoint
    & N% l) t, d3 N$ t- u* i' V" Y2 I$ q+ 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
    $ F& S, y, ^! t" x" q    def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):" P  X0 D% [6 |( b7 i3 G
            for i in range(len(breakpoint) - 1):
    ! A. ]  k- s$ l) m/ K/ b            fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]
    ; r7 F1 |+ |* G4 O            if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:. w) F" L5 K: b' j5 D6 i7 v. C; \
                    self.fragmentList.append(fragment)
    " S) r4 H" t4 H# \3 x, ?) d1 i8 m/ P        return self.fragmentList+ h" B% D' U& ^, A: z4 ]* W% H

    5 A  n& b+ N) O+ h    # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率$ \" I* F" z* P# u5 d+ |. p0 @. {
        def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):+ h/ S7 v4 B7 R+ A
            clonedfragmentList = []! ^/ ]. l. F" v, b& n# ~; z
            Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]1 r  o) d/ O& v, P' |
            for i in range(len(fragmentList)):- Z) W6 H- E! F! ^: V5 }+ V5 S
                if Lossprobability <= cloneRetainprobability:
    : j. d3 `! T* z2 |: m0 w                clonedfragmentList.append(fragmentList)7 p6 u3 f+ C* d+ n
            return clonedfragmentList9 Y7 r! r5 p% |. c1 @& y# E$ P

      i0 V* U( T. ]( e    # 模拟单端测序,并修改reads的ID号$ ]. h) r2 x1 ~$ K5 z
        def singleread(self, clonedfragmentList):. @" L! K" n) d, J9 n( }; F4 ~
            for fragment in clonedfragmentList:( p) C( U: Z5 ?0 e
                fragment.id = ""
    6 @, O3 M7 k& X7 P; J( n' T. y            fragment.name = ""
    3 a1 H! W) M- T4 I) [1 M            fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]$ Y+ @0 \4 d# @8 d4 b
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description
    ! n$ e5 q: A6 w- W' |            self.readsID += 1
    9 c( e( k: a8 B& _7 B            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    + T8 }# ]% K5 O6 C* L            self.allreadslength += readslength6 g8 M" m, X# K+ M, R
                self.readsList.append(fragment[:readslength])
    5 }* X# L# ^( E/ V) s( G1 K. u3 q! s2 x" \
        def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):! B4 c( Z/ H+ }5 A. [/ w
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):. Q; y0 r- e8 T% M) h* p
                seqlen = len(seq_record)0 b8 B; b2 p! [2 B7 w( x
                self.genomeLength += seqlen; j- J. `' C+ e$ P
                for i in range(self.N):1 ~$ o* m" E6 r& l. X# E5 Z
                    # 生成断裂点
    " Y/ p$ _! u; V5 d- f                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    & q& |3 v+ L' X3 H2 w, k% ]                # 沿断裂点打断基因组& d# a! J; d" ~2 E5 D0 O3 G. D
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)+ s( |& [5 ?$ Y% n! g5 i/ W& e6 g
            # 模拟克隆时的随机丢失情况
    # I! `& o. w( t" L: y' l2 |$ U        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)% R9 v- \/ i; Z3 Q5 B
            # 模拟单端测序  ]- `: g$ m: L) _
            self.singleread(clonedfragmentList)
    9 u; ]6 w8 ]3 H7 R3 G4 ?        SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")/ G; Y$ o! t* m: h4 b. h$ q
    1 V# X; _$ f! N& q' Z' l2 Z
        def pairread(self, clonedfragmentList):
    + [/ f$ K, w1 c( v  \4 N. h        for fragment in clonedfragmentList:
      S5 X# L4 a- E8 Z3 Y# `            fragment.id = ""
    $ T/ I: y9 o% H( u; ^1 H            fragment.name = ""
    ! V* _  L0 V* X0 y& u% u: ]1 E            description = fragment.description[12:].split(",")[0]  b* C+ p1 V  N# `4 r" Q7 `+ Z
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + description# V9 i7 h  ]% ]( r  _
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    . a+ f7 T6 X+ V' H0 ?            self.allreadslength += readslength+ O9 p  ^' ?) P. r5 q6 r& j( D
                self.readsList.append(fragment[:readslength])) \$ E) ^8 I! }% B5 J" K+ S4 R
    0 M! l2 m6 V, F* K+ d8 u
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)0 ?1 S+ f8 [: G1 f8 _. p8 n
                self.allreadslength += readslength( z" Z3 ?! s8 h4 t- S5 O8 S" p* O

    0 u1 z) c  d: q. f            fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()$ o$ I8 j8 A! M+ L
                fragmentcomplement.id = ""( u2 E& w$ H7 u# d9 v
                fragmentcomplement.name = ""$ [# i/ A6 I' Y9 ]5 Q( @+ I, \5 U6 V
                fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description
    4 g5 ?; z8 F0 [- N1 w            self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength]), b# H9 k* O+ o/ D. G5 M% s

    4 S1 Q# B9 n* |6 V4 i' M6 k            self.readsID += 17 b5 g/ C+ H, Q0 S) k

    ) Q7 q0 t9 P# H6 [5 S    def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):) K+ ^/ R3 K' L- O
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):0 v7 \$ B0 k5 D& `! S
                seqlen = len(seq_record)# n4 ~$ z9 I# C. B
                self.genomeLength += seqlen
    % x9 A6 M8 P- G& P% L. ?  H0 N            for i in range(self.N):+ B( |& w) F7 w( y' d; S  X) }9 t
                    # 生成断裂点
    # @9 E$ {7 g& X% n. S# W                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)- F  L+ r6 Y# T9 t: y
                    # 沿断裂点打断基因组6 g5 ]8 b- B7 Q# S4 j
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
      }! ~; o$ Z: X. b, ^        # 模拟克隆时的随机丢失情况& I0 g; D' u9 K
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability), |. `' k4 N3 ?$ M
            # 模拟双端测序
    ; r! L- f6 ^) e% r        self.pairread(clonedfragmentList)6 W$ {% v) K1 Q+ s) n
            readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]
    / @, e3 k( ^8 m4 o        readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]  B0 t9 ]8 ]" r# ]3 [
            SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")
    . @3 s" I$ O" {: ]6 l+ ^  }        SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")
    5 g8 g/ V; V. I1 p1 b! E5 V- w
    3 N1 N8 R* Q3 J+ n7 h; \* [" F    def resultsummary(self):
    & T, _  T/ w: ?8 l/ e6 h; ?        print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")9 u9 a4 y$ R) C$ S% I2 y& h3 i5 _
            print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))# ~1 |) Q% |! f; ~' }5 r
            print("N值:" + str(self.N))
    5 n4 L, V& L" E$ G        print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))
    + N4 {- H: ?. ~5 J7 Z1 |1 j# z5 K        print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))
    & m, r7 Y. s9 L        print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))& u- o$ F2 g  k% O2 S
            print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))4 g& `" L0 p0 z* e. F
            print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))
    4 r- u1 J% g6 Y5 o  o. n        print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")
    3 ]% U# v6 r7 `        m = self.allreadslength / self.genomeLength% R  Z( {$ u% K+ _% f
            print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))
    ; D2 c. t- i7 M6 @' c: n        print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))
    % p( Z/ C! W1 O& d3 a        print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))% d  K% E2 \# F( Y9 p
    # -------------------------------------------主程序-------------------------------------------
      W- P6 a! W+ I7 A/ A& A( o# 模拟单端测序
    1 e* s5 ?% F  H' k' }sequencingObj = Sequencing()5 E6 K0 _, \" x2 @2 s9 v
    sequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")# I% q5 h2 N9 X' f. p
    sequencingObj.resultsummary()
    * d2 d7 R  r: A2 ~$ Z) d& k# R2 Q6 S- h2 P' Q7 t- q
    # 模拟双端测序
    ! N' M4 F! `: usequencingObj = Sequencing()
    ' g! a( b- l: A% W" SsequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")- t2 X/ m: J6 {8 J- n
    sequencingObj.resultsummary()
    ( c9 s# C1 Q9 W2 M3 g# Qfrom Bio import SeqIO5 j9 j, U* R, J# [" c- l' D, f; o( e
    from math import exp8 \! J9 o0 e8 D0 o
    import random) R& s1 f( l( m
    2 s& C8 b' K. i8 \5 O- K
    class Sequencing:
    ; P% t) E6 J3 L% E" k    # N代表拷贝份数% Q4 G/ K: @6 `% l8 J* ~
        def __init__(self):2 o( S8 a6 l  P" Y- ?
            self.fragmentList = []5 d! |3 Z' X; R( b  M0 w7 Q7 G
            self.readsID = 1
    9 Y2 F3 S* o) A$ M        self.readsList = []
    8 q  u) x* F0 B1 ~; s6 D/ Z' C; O        self.averagefragmentlength = 6508 W; b/ l1 P9 A8 S3 Q4 `
            self.minfragmentlength = 500
    : u! N) D- w: i* b        self.maxfragmentlength = 8006 a/ d' I0 Q2 ^8 L/ [' d& h0 Y! _, R
            self.cloneRetainprobability = 13 R( ?! ^6 J8 F8 \( ~
            self.minreadslength = 50
    9 m9 u# q8 @+ x7 _( X! v+ Z0 J        self.maxreadslength = 150
    7 C  A7 z1 y3 @; Z8 u- {        self.N = 10# R+ R; X) x$ {3 K* M
            self.genomeLength = 04 e* c3 Z- @' x
            self.allreadslength = 0
    6 P6 ~  [0 e$ E7 I; L  W- B. e- j/ m8 {' s
        # 生成断裂点; m* g- O3 }6 p; I8 q  v" O' ]
        def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):
    ! F: G. \* f! k, \        # 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)
    # U/ f3 z2 G6 I& V, o/ ^: p' f8 X        breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]5 o. r' y3 X7 ]. Y# p7 t
            breakpoint.append(seqlen)+ _" \, E9 t' b0 |" C
            breakpoint.append(0)" u" ?2 h  [3 I9 `9 ]- K
            # 把随机断裂点从小到大排序
      y. r% u/ T4 d/ u: \3 K        breakpoint.sort()
    - v2 D. r. X$ X. X0 |. ^* H4 ?4 T        return breakpoint
    % Q- K# A! p# V  n/ K* D* j  f' H- z/ {7 o3 }) q0 m3 `
        # 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:200-1000bp2 P+ @. M4 l) r$ Z  e
        def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):
    8 ]# ]. ~& I) ~        for i in range(len(breakpoint) - 1):# e' D: P# Z1 j8 v* P5 x
                fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]# o" ]; h( M6 S+ c- \' A$ `2 y
                if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:
    6 h) \0 [7 b9 m; r  ~+ h                self.fragmentList.append(fragment)
    3 H) l' c2 m# }4 j; W$ y( Y  w9 }        return self.fragmentList
    # q; w: q5 a+ Y5 Y; e8 K
    * E0 J% g3 d, k9 i    # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率
    2 K' v5 b; [  d. d0 I$ l) \9 _! H- _    def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):
    , b9 w; C) Z0 r8 u4 U0 z1 ?" o2 p2 H+ C        clonedfragmentList = []% z; K0 [( x1 O* a4 |) U
            Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]
    ! p0 p6 B, D$ V, `9 T        for i in range(len(fragmentList)):, |$ }7 h5 n( t' H* _+ z
                if Lossprobability <= cloneRetainprobability:3 Y6 C  ?/ T' n$ v# P! W% N
                    clonedfragmentList.append(fragmentList)
    - Q: t  c8 h: L+ c" R/ `+ |        return clonedfragmentList
    . y( O$ L4 L" P# H9 V: J& J7 k. \4 t8 q* U4 l! t, @) g7 Q, ?6 P) s2 H: G
        # 模拟单端测序,并修改reads的ID号% C, }+ z! v( M5 O5 r
        def singleread(self, clonedfragmentList):- [, e& G; t2 R9 u+ @( ~. w
            for fragment in clonedfragmentList:
      u+ u, e/ u$ b0 L$ w8 |6 w            fragment.id = ""
      W9 @5 A+ u! U9 q- o5 A            fragment.name = ""
    + c7 O* j# J! n3 [9 X            fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]1 j5 p6 q+ d7 x$ @# |5 P  k0 A1 g. P
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description9 ]# v9 G. Z5 W* a' y
                self.readsID += 1" q; Z' b- `5 ?" g
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)/ Q+ q+ F4 o) Q" |
                self.allreadslength += readslength
    1 g9 X# I% x! S4 s9 n2 b* T            self.readsList.append(fragment[:readslength]): l2 g/ i& }& {3 z* B3 k& ?7 V
    & |, v' {1 C; Q; |6 e
        def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):
    - U2 N8 v4 }& m+ M        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):3 N  n+ x* S4 g5 K* @. k2 o- h3 p
                seqlen = len(seq_record)) S1 B! \' D; F; Z  K' A
                self.genomeLength += seqlen' K* R& x. G; A' z* v+ G, W- I  z
                for i in range(self.N):# _/ P8 O3 H' [+ r8 Q5 u( a! F
                    # 生成断裂点
    3 {$ m; e) ^+ ]9 `! a/ W6 Y# H                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    1 q4 m; o. Y/ g8 v- a; x                # 沿断裂点打断基因组
    , A4 _; _4 r7 ]. G! I7 O8 p                self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)( I1 ?; b) p' n
            # 模拟克隆时的随机丢失情况
    8 V$ P! _3 W3 d9 C, l3 `7 S- l, q        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)
    * y* J+ q  k& g. z/ l        # 模拟单端测序
    * o/ D: O$ m. V/ d4 j1 j7 {        self.singleread(clonedfragmentList)
    3 t+ L, f, M" y. [        SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")  s0 ~, m( v9 @  r% A3 v
    2 h" i6 o  I1 h0 ^) q
        def pairread(self, clonedfragmentList):. h5 M* h. B; ?$ m2 ?4 ~' D
            for fragment in clonedfragmentList:) g. Y5 ]6 B( i
                fragment.id = ""
    & r. r6 D1 a# G) |: @  }. w+ }            fragment.name = ""2 {1 m1 W* J4 D7 m; l3 G1 s
                description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    * b/ B* g2 [+ }0 c            fragment.description = str(self.readsID) + "." + description
    - J; |0 q* q8 G* |# X- A: K            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    2 R0 _# [, |3 N7 E0 S+ C* @            self.allreadslength += readslength6 ?8 G( [1 C, n: D, S9 J
                self.readsList.append(fragment[:readslength])* X4 V/ x0 @1 X+ T% p/ c
    ) O3 ^0 v9 C" R+ f  a
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    8 E; S/ Q  M1 d5 n" R5 Z            self.allreadslength += readslength
    7 C1 }% D3 U7 }, h3 c4 Z0 c
    / c$ D* N* u6 j5 T* ^            fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()
    $ U+ o$ o3 [8 u7 Z            fragmentcomplement.id = ""
    , M; h: @3 f& J0 ~# S6 T4 e; j$ `            fragmentcomplement.name = ""
    8 L/ R1 ?: R+ h( D            fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description) B! y- T3 o( k5 S
                self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])
    ) z  H) y8 E3 A1 \. i% x1 H$ b; Z# R) D& d, V
                self.readsID += 1; Y5 m8 [3 Y" d" o" O1 W: N
    2 E- o- ?' W; p) I
        def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):) t9 J5 F8 k! V; D" Q6 I7 M
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    ) {3 a  X' r0 M2 w            seqlen = len(seq_record)
    : M2 M, x% F3 V6 |' l! J6 s% u            self.genomeLength += seqlen
      z% T# y, i! z; s8 _            for i in range(self.N):2 \0 R( }7 {; I0 I# {
                    # 生成断裂点
    " P  `) c- Q5 J. H" j8 ]                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength). x- L" e0 `  r$ Z: A1 L- ?  B& h
                    # 沿断裂点打断基因组8 V1 Z! v0 s: E. \0 m* ^: |
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    - ^4 u/ `/ D6 u( u& u: Y+ h) [1 R        # 模拟克隆时的随机丢失情况- M/ D- H( ?( \, I  A
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)0 S. C" C" l9 h7 h! I
            # 模拟双端测序
    . G  d! ^3 ^! j# t6 r' v  {0 c4 {5 V        self.pairread(clonedfragmentList)
    ! Y+ @/ x( u4 o3 u0 E2 ^5 B        readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]
    : [: ]  U  g( ?* R( j. x5 [        readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]$ T; |  y; P( w9 [, d! O( O# q
            SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")
    7 N$ l; v+ x6 d+ V        SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")
    7 f! a& K" Q* V2 R  c2 M* U  r" n3 a! B& R! C# L
        def resultsummary(self):
    ; ~* Z7 ~% U1 b* p+ d% ?! b        print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")
    ( g! f& C- `8 C        print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))" I" x; ?7 `" Z& k8 H) x' b
            print("N值:" + str(self.N))* u% i4 I, i5 u8 c6 a/ Y
            print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))% V3 ], E6 ^- @1 a" e4 }/ S- \# a) j5 H
            print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))
    ' p1 X) E* j, e2 d  n. R        print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))# l" J, e  c5 @
            print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))
    - `+ \4 u+ Q  ~        print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))
    . ^( X( `4 O: y* t0 K        print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")+ |9 g6 C/ p; b3 y0 U. I
            m = self.allreadslength / self.genomeLength4 {' v  W0 c5 O! Z
            print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))
    7 B3 ]  {5 H) |        print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))* ]( x' Z0 Q" T5 \& @3 V$ k
            print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))
    2 D' G. D  J8 l# -------------------------------------------主程序-------------------------------------------
    2 h' u1 c2 B: B% S# 模拟单端测序
    1 l, c, l. K" D" _( b( [1 w" hsequencingObj = Sequencing()* [; ?0 v( t3 ~4 L; B: L# q. R
    sequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")" G/ t" _7 c8 Y
    sequencingObj.resultsummary()
    ' r% B3 s- \7 I4 p0 M3 G
    ) X' }' Z6 i, z; P8 B- p# 模拟双端测序
    , C- t% F; o% ?) \: gsequencingObj = Sequencing()) q. M% {, w4 z
    sequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")
    , i! J; w; ]+ m8 p- |5 @sequencingObj.resultsummary()
    2 j* @7 N. n/ M0 R6 z4 o
    * P  @" }+ M, B  @: i4 \& l, k
    5 w. j4 l6 Q: I+ ?, u5 S7 T0 Q6 d
    ! K/ ^3 o, y1 f! T3 N2 h( R6 O7 L 8 v4 u" C: O/ I9 @$ d: A, G) M

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