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基因组测序模拟

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杨利霞        

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    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
    7 ^6 q. a4 M8 s! Q1 I基因组测序模拟7 f6 K( p( M2 j7 U% Q9 i

    9 @, k- q7 c. P5 Y1 R) D) P一、摘要" N2 @6 i* `4 m8 Q5 J, D$ A
    % z; q; n  ?1 m/ |
    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- q8 O. Q$ x1 h* ^3 C
    ( s" ?: _, X5 Y- ?1 }3 E
    二、材料和方法/ `5 J* z" B, X/ O) i/ o( i
    & l  F0 c7 B. X0 a- p( P8 `$ E% H& b
    1、硬件平台: H$ t5 {* G* h
    3 z" E/ X/ I: H) b# j5 Z0 N: ^) ~
    处理器:Intel(R) Core(TM)i7-4710MQ CPU @ 2.50GHz   @. @& p5 j1 {
    安装内存(RAM):16.0GB
    * ~  @* ~8 l& Z- D+ }2 f% j/ J& O- n& W
    2、系统平台
    0 _; p% w) l. ^# O# MWindows 8.1,Ubuntu
    # S( }  J$ \% Y# m5 H
    7 O% B' n# s% v3、软件平台; ?& F8 e% b7 ]
    3 v7 ~% x+ ~: V+ w
    art_4548 C6 p8 l, K, m7 k: e
    GenomeABC http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/; @3 ]& @7 i" n* T$ ]
    Python3.5
    ( c' d. J. [0 A# x' S5 DBiopython
    8 S) \  y! t, w4、数据库资源7 ^1 P, x& s* j
    / A$ B; w4 f: j
    NCBI数据库:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/
    , q/ c" L1 t( s8 S/ a" W# U1 R3 E: n9 F6 V; _) \. \0 W! c" [
    5、研究对象
    * C0 n* I' E& Z6 N: V- ?1 S7 C4 v7 k6 P2 |- v" b* E
    酵母基因组Saccharomyces cerevisiae S288c (assembly R64) 9 O) y, w& w/ V$ S  F2 N
    ftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/all/GCF/000/146/045/GCF_000146045.2_R64/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna.gz
    , x+ s4 o6 ~, P9 ?7 U6 K  {# |$ b5 G0 z1 K' P
    6、方法; x7 ~6 z. b8 n
    8 v/ L, t. a% t. N) |" s' B
    art_454的使用
    - m  N2 |, @% Q: R  w% x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。
      x- ?5 s* f% B, ~' }GenomeABC % \2 D* F( f; b- [2 @3 k
    进入GenomeABC(http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/),输入参数,获得模拟测序结果。
    6 q( J7 Y( m8 m; @! P- g( V编程模拟测序
    6 {9 F% ?8 F3 v. p# F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。; X7 f4 T. t) c" [/ O& L
    三、结果6 }; i" y2 l  f' k* f
    ! c. A0 V8 x' U- I! D/ _% c! V
    1、art_454的运行结果. S7 o; I; B9 A8 o2 f2 `( f1 }
    ) [; U$ K+ u6 d- h
    无参数art_454运行,阅读帮助文档
    5 `3 M, Q' ?2 c) Z6 ]  `" B! S/ X$ u$ {4 f( N. ]) b
    图表 1无参数art_454运行
    0 [2 l6 m) {+ H7 \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. * ~; U7 ^* P# q% ]
    下图为模拟单端测序,程序运行过程及结果   g$ \" c* e9 t/ i- n0 k) ~1 T

    ! E7 o% j" L4 o8 h' r; ]图表 2 art454单端测序 / w9 l+ M' |+ I
    5 J, `$ Q& t5 d# `$ B' @
    图表 3 art454单端模拟结果
    : w' i2 y% i# l; j- J0 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
    : H0 E; ^( p3 ?下图为模拟双端测序,程序运行过程及结果 ) V: T. ^) \, z, H& N$ Z9 I6 x* o# |: _
    ; c& t! Z6 h6 J# h2 f
    图表 4 art454双端测序
    . f1 ?1 }# I3 b/ B
    0 S, z+ ~* t2 t  V3 F图表 5 art454双端模拟结果 8 W: }% }5 D& k. Q' q' ]
    2、GenomeABC " K; h- d& r5 p  O6 @
    下图为设置参数页面 ( c0 [$ i  i; \, ?8 c  ^) p2 t; d
    & X4 ?# l# D" c' ?4 p1 a
    下图为结果下载页面
    - l2 \! P+ U2 ?" B5 P
    1 F8 H+ x2 U$ k1 \* k% R图表 6 结果下载页面 . l  t& p+ s) g! ~3 B/ |* i
    3、编程模拟测序结果 $ X- V% M+ ~7 Z- N
    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 v. a" i: w4 Q8 M& \* ^
    单端测序
    1 v# x# _: c4 r. N1 |3 y3 B* b- Q9 Y
    图表 7 程序模拟单端测序 & A6 q3 a0 `0 p2 S+ u8 d; h8 T
    双端测序
    6 [- a' k; Q5 V5 T) a8 j, R% m& Z
    ) p5 }- K# x9 y# o7 l图表 8 程序模拟双端测序 ; s. ?) }( ?/ Q) ?
    测序结果
    % j2 D- F, Y4 o8 J1 _0 d( E! @3 o( x# ]- `7 w
    图表 9 结果文件
    3 W3 m' j5 [$ Q$ y: P' D9 Y0 k& y4 i3 ^
    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。
    . I3 g  C( @/ l! f! d8 U测序结果统计表3 b+ p5 h% J- f. I
    ; J. m5 _0 M3 `# M
    测序方式        基因组大小(bp)        片段长度区间 (bp)        N值        期望片段长度        克隆保留率        片段数量        Reads长度范围(bp)        Reads总数量        Reads总长度        覆盖度(m值)        理论丢失率(e-m)        覆盖率(1-e-m)
    ( p# S7 y' P1 w单端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        107378        50-100        101968        7645.541kb        0.62889        0.53318        0.46682, _; y9 o$ b& C2 T& g
    单端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        213722        50-100        202996        15227.882kb        1.25259        0.28576        0.71424" y0 n/ ]( z: j0 o
    双端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        106704        50-100        202770        15212.662kb        1.25134        0.28612        0.71388, g$ T& c+ q% R. f( l
    双端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        214212        50-100        407186        30534.265kb        2.51164        0.08114        0.91886, ?) j6 h$ }1 s' ]7 s! ]$ U5 K: X
    四、讨论和结论1 L5 N$ {  o8 p0 q( c* ]3 K

    6 i  g1 j& b1 r0 ]1 J* G! J程序运行方法
    ; p" G! [, ?, j) d. n5 ?3 Y9 _% x' m# p: V3 d
    在类的构造方法init()中,调整参数。 - Q( q8 O1 n+ H; y7 c# i
    Averagefragmentlength为片段平均的长度; 1 E  b' U+ ~$ H6 S! f& W4 E
    minfragmentlength和maxfragmentlength是保留片段的范围;
    . ?- N4 z* k% ^2 L5 f2 P% |5 x$ f) VcloneRetainprobability是克隆的保留率;
    , [0 A, s7 W. `' C. D! K5 p) o& ^minreadslength和maxreadslength是测序reads的长度范围
    ; V+ |+ N6 Q" S" T3 {. O) Q" ?  O$ q! l# D9 a$ f* N
    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 R$ i' `# `1 H5 n6 V

    ' L$ D& p9 i! @% q4 U附录
    4 R3 R' F! t# n2 W  N+ x. ~2 i- R+ y% w! J7 @7 O
    from Bio import SeqIO
    / v# b4 V( f2 s2 Gfrom math import exp
    3 ?# w1 S# q  M( l/ nimport random( d& U5 Q; l/ I, V

    # _  r7 A8 g; F( s. lclass Sequencing:) [, g# l3 E9 Z/ o9 [
        # N代表拷贝份数
    ( N- T; N+ q, ]3 `    def __init__(self)# L" J) P1 M! E7 D8 Y8 p* u
            self.fragmentList = []3 v& G  u3 F/ @& m2 V& v6 ~9 x2 \
            self.readsID = 1
    1 w+ S: [7 K% D( V6 P/ O; p0 y        self.readsList = []
    # E1 ^( a2 p( ^) v% \8 j/ v+ t1 {, b* f0 {        self.averagefragmentlength = 650
    ! L& \, Y2 r3 A. ~2 l2 z        self.minfragmentlength = 500+ t5 x- c. z5 d; G; p" h' T
            self.maxfragmentlength = 800
    6 T4 Z8 _" x- L! s        self.cloneRetainprobability = 1
    3 c$ v2 K$ U: ?  R) c) S+ f8 H        self.minreadslength = 50  y3 u0 N" \7 T3 D& O2 k
            self.maxreadslength = 150
    0 e9 }6 x# D0 T$ V! H        self.N = 10
    ; K/ w: u$ L3 W: a/ s; h        self.genomeLength = 0" R0 G! f) X5 M
            self.allreadslength = 0  E8 V& F5 a# I+ f" r$ {
    & a! i1 F5 f" A9 I# a+ p
        # 生成断裂点
    - U  j' E! a$ ?$ ~: D! p5 f4 `6 x    def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):
    3 Y2 v, `6 w5 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)# c! c$ v6 r5 Q& B9 t
            breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]  r1 q0 ?8 A$ K9 A2 R- C
            breakpoint.append(seqlen)# w' k" d& g$ Y) u- Q6 I4 v
            breakpoint.append(0)' S/ \" p) S' V: Z
            # 把随机断裂点从小到大排序
    . [" R3 c( l6 z7 L: A        breakpoint.sort()
    2 Q9 ?" Y/ A* \' R% l/ m% O        return breakpoint
    8 ~" W! d2 R1 ^8 W1 s3 @! |3 ]2 @+ Z  c# b; B1 [6 X
        # 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+ U' f* ^9 y8 y7 m4 s& O7 o
        def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):
    6 k$ J7 z& M( `/ }0 h6 a1 \        for i in range(len(breakpoint) - 1):
    % Y1 Q. ^' ]& A  E, K            fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]9 {! K. b2 E0 R' Y& @
                if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:4 D, P2 d7 U5 y$ B; v
                    self.fragmentList.append(fragment)
    ! I6 H# a" n( ?        return self.fragmentList" h0 N9 e3 @$ W5 Y
    % ]. ]' E8 p" A) C& a7 d$ ?
        # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率) ?& q) y2 m$ Z4 e: F  y
        def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):; s7 o5 h8 [% q. _* n/ b$ U# l
            clonedfragmentList = []/ o: E* E" O2 F$ j3 A/ R
            Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]
    0 W4 ^' D: `% g/ r& O" {3 K        for i in range(len(fragmentList)):+ O+ J! H" P' p1 [. q4 L  k: \. ^
                if Lossprobability <= cloneRetainprobability:
    9 N# }) t1 a& j                clonedfragmentList.append(fragmentList)" J, o2 I4 G: s$ H# ~
            return clonedfragmentList
    ) g6 i& m9 q9 u; A$ |3 \. l0 O- R# e% o6 ^. q& T
        # 模拟单端测序,并修改reads的ID号& m5 c: |* _. U8 o
        def singleread(self, clonedfragmentList):. `. o) }" `. B4 Q2 i
            for fragment in clonedfragmentList:
    6 B9 R  x- W: r) y' m) @' [            fragment.id = ""
    8 _$ |8 E" l- p3 a& o" u) T            fragment.name = ""* _9 ~- v1 ]) ]
                fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    : P# X: }* a9 N. t) T5 T, i            fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description/ r9 @. P% J( {# O# ^
                self.readsID += 1
    2 K$ \* q5 D& [# {1 G5 |  B            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
      d7 W+ T8 O8 F9 i+ q2 n0 C: ], C            self.allreadslength += readslength
    ; Y( a# S  O, @+ j+ z2 {# `: X' u$ S            self.readsList.append(fragment[:readslength])# ?8 ]$ n4 e+ c

    5 d/ w7 s0 I% y, `5 ?    def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):
    $ T3 Y! b1 [. }( x5 b        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    * G. j' Q! |, [& J5 M* M* ^( Z            seqlen = len(seq_record), f1 l, u6 _2 l9 d( V
                self.genomeLength += seqlen
    + a0 m7 K% h- ~1 v  K1 E  I% [0 e            for i in range(self.N):2 [5 Y# Y- c! S/ d
                    # 生成断裂点3 ?" ~7 P( i2 O$ Y( R
                    breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    " s- o( W& p0 Q  ^, e                # 沿断裂点打断基因组
    ( \9 W: L/ v  @' Z0 z: ^                self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    2 k) k0 R7 ]" Y2 V" z* i" s( ]+ d        # 模拟克隆时的随机丢失情况; h" I& ^2 D! h1 R
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)& G2 I9 Y7 ]. D0 ], _8 y5 P
            # 模拟单端测序0 m7 H  M, r" O$ Q' R
            self.singleread(clonedfragmentList)( p, d. x3 R0 E/ u/ M, K
            SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")8 p0 o# M; T6 |) `

    ! w, V  f- Y: h$ B6 {) s, r    def pairread(self, clonedfragmentList):
    % D6 T$ j9 P' X6 P) S" u; T' }2 Y        for fragment in clonedfragmentList:
    4 q1 K9 L& P7 ~* K% {1 K! w6 C            fragment.id = ""
    " h( B% a- }  z; G0 D            fragment.name = ""5 R% T8 z" Z5 S4 D! l* o) Z. G) d3 j
                description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    9 R( O2 B9 O& T& I9 ?            fragment.description = str(self.readsID) + "." + description
      A* X  A* C. R2 w            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    1 x, o3 ~( H! x- S            self.allreadslength += readslength7 G+ d8 V6 X4 Q$ V8 ]  l
                self.readsList.append(fragment[:readslength])" T' {, p% A. J9 O  x8 g* h. t, u

    3 k7 ]$ _6 {: J2 Z& [4 P            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    + C7 x/ i: V% n( j            self.allreadslength += readslength
    3 l5 Y. d+ [+ J+ y- O/ j
    + ~: _: V( s$ C1 m+ c            fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()) n0 H, A) [* X$ E6 N' Y
                fragmentcomplement.id = ""
    9 W$ _0 y* I( `& t: W- o# F            fragmentcomplement.name = ""$ n( w+ }7 O2 X: L
                fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description
    % A) s# M4 ^5 _8 ?; d5 V$ ~            self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength]): F/ o- ]# z) i4 B6 |3 o, p5 S

    , o, I# G4 Y  ~4 `: L& U! Z" o            self.readsID += 1
    ' j1 \) o# R1 R( U. l& l  f) g
    ! O( p# ], d2 b1 ~: D8 l    def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):, {: G& m0 b( n- ]/ \
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    , M, \( k& z1 Y. a3 ~2 t5 ]2 ~9 k/ X            seqlen = len(seq_record)5 l  x9 ?, S) ~# r; j
                self.genomeLength += seqlen
    ( R* Y! O' C$ y4 O. x" \! M            for i in range(self.N):
    ; ^, ^5 M2 b' e( ~2 Y                # 生成断裂点3 h  ^9 ~0 t3 }* [0 n! C% a3 \
                    breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)) B, T7 n3 ]" z+ d0 j5 K
                    # 沿断裂点打断基因组& q+ w3 k$ ^# A( N" U) q- e5 F
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)0 i) a) v4 E" ]4 u
            # 模拟克隆时的随机丢失情况9 Q: n3 e6 A2 C" }" o+ |2 k5 ]* Z
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)& X& }% m) ^; Q7 t
            # 模拟双端测序9 N, J3 O3 g5 `& c$ R4 {0 S
            self.pairread(clonedfragmentList)7 B2 y: I* m$ f8 K: l9 g
            readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]4 V; E- a6 `* c
            readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]; @. l4 L7 O6 M# i7 R
            SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")
      t8 O+ L% A( F; G4 P( u        SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")* F# M* ~  ~3 T! R

    : G- C% F: g3 r# G+ q6 H    def resultsummary(self):
    / X' A- [' n5 m- Q        print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")
    7 A: |9 L( u) B" _! f: n        print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))
    # _# K2 e$ X. o$ S        print("N值:" + str(self.N))
    ! M) K" K8 r9 m4 ?5 T8 h* |        print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))/ c7 R4 L6 A* a
            print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))5 [- ?% p: v$ S( F! b; G$ Q4 Z
            print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))
      z& Y& E4 _! p7 J3 T; Y        print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))6 L5 ~# B3 u( T- m3 g7 p3 B7 t
            print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))  ~6 w0 W: G# k1 \4 N  M( j  i
            print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")
    7 o* t' h3 |$ M0 ^6 s        m = self.allreadslength / self.genomeLength! @. d% H$ f4 r4 D( u1 d: @" U
            print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))
    , d" m+ p; @) X" I6 H" \1 `        print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))  w! }) i/ p% d% D4 o6 r( {' a
            print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))
    3 ]9 Y% \1 J; _5 N1 ~# -------------------------------------------主程序-------------------------------------------
    8 i# a7 X7 o" S2 ~) h% g# 模拟单端测序' w* H3 W/ z* j5 O" \& d
    sequencingObj = Sequencing()
    2 o: |- l' m* y! i  A! e& ]sequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")
    # v/ O; K' d% ~3 Q+ DsequencingObj.resultsummary()' u2 Z; F( p6 M: X

    ; d5 W5 Q; n0 {# 模拟双端测序! b9 @5 Y- O' \9 z1 ]# o
    sequencingObj = Sequencing(); w- b; i' c) x8 X" O
    sequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")+ A. M9 T4 n& T- h: _9 h; m
    sequencingObj.resultsummary()( S6 B# z9 i5 R% l4 O( `
    from Bio import SeqIO
    ; X6 l5 _/ Q* n9 n9 U" afrom math import exp8 h5 k! q: H6 B1 Z- F9 }. x6 q4 M
    import random
    : x4 o# k$ ^" e/ \: E& K- r  a" ~1 t" _7 E# \  p
    class Sequencing:
    . u6 _. Z: D! g1 l" r9 H    # N代表拷贝份数
    " K# x' ]6 K) [* C! W    def __init__(self):
    6 F. W" q+ o; C/ |$ d        self.fragmentList = []
    6 J+ U% Q# C! s; l$ A: p        self.readsID = 1
    ) z6 F$ u2 l& z4 O, Y2 u        self.readsList = []5 [+ a5 c6 h6 G  w; \" x* m- P
            self.averagefragmentlength = 6500 J7 W2 j; f9 Q6 V8 l6 {( I8 V
            self.minfragmentlength = 500
    , z- @/ w/ w8 u1 }; |! r4 q2 g        self.maxfragmentlength = 800
    9 Z8 e& h& F& f+ N8 e, R        self.cloneRetainprobability = 1
    " O" j7 u1 E7 p2 |* C: H- {. _  ]# c        self.minreadslength = 50( A6 q1 b4 a( k* ]
            self.maxreadslength = 150- C* i! R; P8 A0 I1 n
            self.N = 10; H7 d/ S8 T- C3 G1 Y, ?2 z1 _
            self.genomeLength = 0
    9 u1 k' [% ]# u/ s2 x        self.allreadslength = 05 _" j; Y3 \, g1 O% C1 P. k6 f

    ' `0 u+ v4 P1 V; L    # 生成断裂点
    . ]. H# U, u0 \    def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):
    ; b8 y( ]! e  r7 Z        # 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)5 y1 \% z2 v6 f
            breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]8 u0 f. i9 F+ U. K9 X
            breakpoint.append(seqlen)
      I; K' _. N# F2 s& A8 ?/ O* e& C; Q        breakpoint.append(0)
    0 g3 s0 w9 e) q9 Y* l0 ?* M        # 把随机断裂点从小到大排序; _* g1 F/ |0 V! [! K
            breakpoint.sort(), S& N: Q( t2 t& k( a
            return breakpoint
    ' m& o2 p  x7 T' \% |  O( Z) B2 W5 }0 |! R: t% O9 k0 n
        # 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  q' M4 q, V: u8 r
        def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):
    1 Z: k5 @4 @. _5 V- G: u! y# }        for i in range(len(breakpoint) - 1):
    4 K- `) t; _: q1 z4 i6 k6 f            fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]; F/ ?& t. [" q, y3 ]& |
                if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:
    ! J+ p2 v2 M! Y% p% p2 G                self.fragmentList.append(fragment)
    8 W3 K* f( S2 }: D! X1 l+ {        return self.fragmentList
    , Q/ e) f, S( {. x& E* X
    6 N* `# B8 s& V    # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率5 r1 q/ |; F; e
        def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):
    $ B/ ?. F& A2 R- \        clonedfragmentList = []/ S) K: o9 T( H9 \5 O
            Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]6 V6 ?+ N0 I1 ~7 @8 X4 p
            for i in range(len(fragmentList)):
    7 G9 }1 b! C+ s: U0 s! e            if Lossprobability <= cloneRetainprobability:
    . H# v8 Z# Y6 K# b# J; P                clonedfragmentList.append(fragmentList)2 H6 |1 [( B5 n( a3 `- F% b1 L
            return clonedfragmentList4 w* ?* W( S% R
    2 N0 B- L; }& \' y
        # 模拟单端测序,并修改reads的ID号
      p" |4 S; M  F) C6 w* R    def singleread(self, clonedfragmentList):
    6 p9 w( j% ?" [        for fragment in clonedfragmentList:
    5 d  Z9 w# K% H& x& o/ g            fragment.id = ""4 J* U/ Q5 j% {( }
                fragment.name = ""% k/ a: Q- J9 U' [( e
                fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    . _0 D- M. C7 f/ i2 B            fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description9 o3 v; D/ W- d# @# C! N$ I
                self.readsID += 19 _; f+ i+ V7 H/ y/ ]
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)* r; A7 E( q" J  k( ^. V+ ^
                self.allreadslength += readslength; l( W" I% Z+ n+ Y$ m+ i. _5 L2 x
                self.readsList.append(fragment[:readslength])
    . ~- V, v/ n) x( J/ @- x, E' K8 u+ R( r. z& z- P' v6 S
        def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):  H! s3 y* `' m# O
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):0 Q; ^% L* q: Y# @, ]
                seqlen = len(seq_record)0 J( r7 R0 b( @9 g1 W
                self.genomeLength += seqlen
    " O6 [- o, a: o& I+ `            for i in range(self.N):2 {) B% _# T% l. a% B
                    # 生成断裂点2 x1 z: q7 k/ p5 a1 ~+ B+ S2 q
                    breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    ' u3 F: z8 s; F5 Q4 l. T$ l$ Y2 m% d                # 沿断裂点打断基因组
    7 J. o& y; t4 K5 `; Z                self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    & A2 x* ]9 {1 D  m/ S7 q$ L" P        # 模拟克隆时的随机丢失情况
    ; x4 U% N9 B2 H- C# W        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)6 h/ f9 z/ d0 ~9 @
            # 模拟单端测序
      {2 `* o7 k. ?        self.singleread(clonedfragmentList)- ~7 \# r5 M' P% S$ d% v+ P
            SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")
    ( w: ^3 A5 f( p# b
    : y) f& I" K- K) u    def pairread(self, clonedfragmentList):" _2 p* I; J8 c! t' m: R
            for fragment in clonedfragmentList:6 C0 q+ P& u' g, f. ~8 z7 \
                fragment.id = ""
    5 c# m/ k9 c7 A% _; e            fragment.name = ""6 L+ B% [  G' D, q) V/ U* i$ h
                description = fragment.description[12:].split(",")[0]# y3 f4 h6 ^8 L: B" p2 S; E$ t
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + description
    $ b/ X. S8 T( z7 F' _            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)% q! y( D* t5 j5 r
                self.allreadslength += readslength% j7 y' W& H- `& o" N6 v. o) ~  t
                self.readsList.append(fragment[:readslength])) s/ E6 ]7 T/ @; T  X
    , O" h! q! E0 G% p; F- r
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    6 a5 @- }3 B! t- X( a: a2 ~: \            self.allreadslength += readslength
    4 J- B3 @$ o. x; p9 B# h
    + E. K+ [" U1 i( y            fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()' d. ]; P) |: k! @- t- e/ S
                fragmentcomplement.id = ""8 D3 M. r- v/ o
                fragmentcomplement.name = "", W; M! D$ J' g& }- K
                fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description% C7 f, |$ `' p3 ~
                self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])
    0 y* [1 S! V6 Q- d8 X7 n# K2 y
    . n- q/ m. h/ g3 t            self.readsID += 1( C" J7 f7 m: c' S) h* E
    : Y0 O% [4 d$ q! B* a8 n4 w% a
        def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):
    8 |6 \* {; y% [. [! x        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):! v: S+ P' m6 A+ v+ ~* ~  x
                seqlen = len(seq_record)
    % V0 w- D  |& @6 I            self.genomeLength += seqlen; w- C* x9 k. n) _# ?6 N
                for i in range(self.N):
    ( j9 c# C3 [+ b9 B, g                # 生成断裂点
    . o3 V3 j1 i4 K2 _                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength); g. \% B9 k% f. ^! Z$ R1 G
                    # 沿断裂点打断基因组% ^4 z% }2 C1 B5 [( u2 c
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    - c, D9 T2 u' ^        # 模拟克隆时的随机丢失情况
    $ @- h0 H& g( N& S0 ^* W        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)- f9 @( l& a3 t5 t6 D" Z, v3 E3 E& Z
            # 模拟双端测序
    3 |2 x' ~. \2 y% _  `        self.pairread(clonedfragmentList)
    ( n* K8 X7 d1 K5 J        readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]
    $ T* b. n* j3 \, s4 Z0 t' |        readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]6 }2 \) _7 ?' b" y
            SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")
    / G* N. @6 o1 f( l        SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")
    ! X2 L8 \) G# P% D; N. c4 e' B% Z& M* l1 b# U" N6 Q! r
        def resultsummary(self):
    4 T7 N% ?* r- R( p8 m* r        print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")0 [1 v% W; h: F
            print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))
    % Q' E6 Z6 _0 ^' M  i        print("N值:" + str(self.N))
      N% S# X5 w' l) d        print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))
    " [4 ?3 G5 v% t/ X. z, n        print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))
    * B% j( X9 Q$ |  K        print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))
    5 L* L* T, C7 q* J1 H2 J7 P        print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))
    " `- G. I- h) ~9 i# v        print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))
    8 j9 y- }, [1 s+ Q& j1 P        print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")
    6 I8 Q4 a. l9 \% s% L        m = self.allreadslength / self.genomeLength
    ! r, j6 [  c4 y4 h& \3 Y( T        print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))8 N' q" K  M. l  Z& H" M
            print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))
    " i$ z. u$ i& H$ S! i5 H+ J1 s        print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))' k: r: h; l9 a1 E) r( H0 ^7 x) F. J
    # -------------------------------------------主程序-------------------------------------------/ t) a9 W: D/ S2 @3 \' f
    # 模拟单端测序9 M& e; t3 A( n
    sequencingObj = Sequencing()
    3 v& ?7 R8 E2 @" gsequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")
    ! `8 s8 M- K; B* O0 rsequencingObj.resultsummary()
    + f, L+ F+ y% Q+ S1 M% w5 u
    2 e' a5 e+ |( l2 B! k/ M: L) B# 模拟双端测序4 k$ j# i/ c: q* Z' i' o
    sequencingObj = Sequencing()& y& _8 L9 Z" H' x4 W7 ^+ D3 n
    sequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")
    ) n8 v  g2 H# }3 O% P% B6 ssequencingObj.resultsummary()
    0 j5 ]0 g, m0 e% T' n
    # w- P% Q' n  X) ]( S/ S0 j0 z' e' L& N8 w9 S9 N. [

    % P. i/ [9 L" f9 c0 i3 N" t 1 @1 [+ W. F4 |4 v+ y: P

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