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基因组测序模拟

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杨利霞        

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  • TA的每日心情
    开心
    2021-8-11 17:59
  • 签到天数: 17 天

    [LV.4]偶尔看看III

    网络挑战赛参赛者

    网络挑战赛参赛者

    自我介绍
    本人女,毕业于内蒙古科技大学,担任文职专业,毕业专业英语。

    群组2018美赛大象算法课程

    群组2018美赛护航培训课程

    群组2019年 数学中国站长建

    群组2019年数据分析师课程

    群组2018年大象老师国赛优

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    1#
    发表于 2019-4-21 14:56 |只看该作者 |倒序浏览
    |招呼Ta 关注Ta
    基因组测序模拟
    3 z- g$ ?5 z, d) \基因组测序模拟  V- d% O5 k+ Q  a: u( n$ s

    + `' N. V" q( G& [1 \: t, l1 A% p2 y一、摘要; H4 a3 j4 m& _. l. e% w' u

    0 A* G" O+ P  E$ Q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
    / U6 w5 }5 A+ v; [- P5 a2 j$ k+ m. x2 B1 T" Y- N0 ^/ w
    二、材料和方法2 J0 p+ k9 L$ D) ]  w) F% O9 i5 Y

    " w3 |' }% j+ @8 A9 m1、硬件平台/ L' z3 A, C3 N  x3 O
    ; r0 J3 z6 Q: y! }2 I/ f! P
    处理器:Intel(R) Core(TM)i7-4710MQ CPU @ 2.50GHz % W0 Z* z; B, w4 G4 V- c
    安装内存(RAM):16.0GB; R$ O9 S$ ]* o
    . {( y& e8 Q- v! c
    2、系统平台
    * F( {. B& ?; K- E2 \( L1 ?- |- t& S: LWindows 8.1,Ubuntu. X* {# t8 S0 J  T) o6 A9 m
    4 C! Y, o* r3 W7 q* c6 a
    3、软件平台/ ^. P; r8 q% r* N7 {$ ]7 x5 O

    : }# t9 x' |. k2 O# ^2 R3 yart_4540 d0 x7 J/ |9 k, {4 u5 t
    GenomeABC http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/
    # f# i; r! B, D+ Y, [# Q$ I# NPython3.5, M( E5 G, m( }; p+ m. B1 E* f
    Biopython3 Q  K1 F$ V: z+ v" Y
    4、数据库资源
    % y" Z6 k; h( s# E' U
    - U( E& R1 C3 g8 b5 `7 l' ENCBI数据库:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/% N6 u1 a( _$ S2 ^0 \

    - Z8 \4 C) C; \; {2 [+ Z  p5、研究对象/ _  Z# L! S/ W, _$ {: ~

    5 Q7 R. @: ?% [1 ~酵母基因组Saccharomyces cerevisiae S288c (assembly R64) * n2 j/ r" p, o( j- k
    ftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/all/GCF/000/146/045/GCF_000146045.2_R64/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna.gz
    9 ]) x  y5 Q2 |! j; F3 K  h0 e+ S
    0 I" X. i/ D3 h6、方法
      f3 m" r4 Z# z" q7 \! L* |1 Z
    / s) z& p# G0 r  t+ w0 Dart_454的使用 ' ^. l: f* T4 O, }+ B' V% X2 @+ K
    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。
    # m. o. S. N1 J6 X9 T' K1 Q  yGenomeABC - q' p& _8 g6 N* f+ c6 |& K! R% X
    进入GenomeABC(http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/),输入参数,获得模拟测序结果。
    / N+ _0 g2 @) u/ s: F3 v编程模拟测序 & \' }. R9 E! ?5 q! j, n% e
    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。/ x& W3 y* Q7 t" b# i
    三、结果
    5 |4 b+ a8 J' T$ f* y0 n9 Q! P& O
    & g' V# ]* K5 v1 `9 {! t$ z% ^1、art_454的运行结果
    ' p: F6 q; u: K5 L! _0 F  M/ P0 F/ C/ T
    无参数art_454运行,阅读帮助文档
    4 l) S8 \# P9 P: P
    ; }" u* v2 Y5 n2 K+ q- V# e: P图表 1无参数art_454运行
    2 L# f; @! ?( _- \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.
    : K! h' D  O- A  Y# y0 Q2 R. c下图为模拟单端测序,程序运行过程及结果
    ' U1 p- E- L: B* F" J% B4 e% m
    - k" i+ M* l$ R; u3 Z图表 2 art454单端测序
    6 G% l/ l6 p. v( j
    0 c( {2 j( `# Z* r: c图表 3 art454单端模拟结果
    % B( j8 P5 d5 e9 i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 ; ]3 r! e9 q0 h8 R& w2 r
    下图为模拟双端测序,程序运行过程及结果 ! R1 a# |/ u/ R! ~( k# n

    . P) S, A% z% t/ S9 R! W/ Q& y图表 4 art454双端测序 7 D3 B5 N4 k) W8 m& H" L8 C

    2 t5 b9 A( s8 _9 r图表 5 art454双端模拟结果 " t+ Z0 h& k- f/ E8 {
    2、GenomeABC
    6 h! [. B# T: D: ]下图为设置参数页面   w/ |# l7 U+ P+ L# ]

    / z  U! |  G' z0 }下图为结果下载页面 " J& H: T9 |1 `8 r0 M: O, I: q( y
    % F/ [' f4 b5 }& {  N
    图表 6 结果下载页面
    0 u) r+ z" f/ _! F9 ?+ v4 C% p/ P% N3、编程模拟测序结果 5 r" ?  P" j5 g: _2 T
    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。
    9 ]! Y. x: [+ i. c4 d单端测序 2 r* d& t* k, a) v- S+ l3 I4 u
    9 n+ O8 Q7 i" e
    图表 7 程序模拟单端测序
    % M0 d1 |; a' u6 T; C- {! q; t双端测序 % c* N, O. K9 W) f! }
    7 D: n2 c+ D0 f' s* W
    图表 8 程序模拟双端测序
    : w3 |8 `# m1 ]测序结果 ! P1 }6 M7 F/ n& _
    : Y5 F$ @5 S4 Y/ u( J
    图表 9 结果文件
      m5 _: z  q+ \6 ^& W0 U- z9 C8 O- t0 K9 Y) H" f
    因为期望片段长度是600bp,在片段长度区间200-1000bp内,所以大部分的片段都没有删除。 * L. z: I7 E! I- ?  G) d; B; ?
    测序结果统计表
    " W) ]) a; B+ y" V) b  Z/ x+ E+ J9 o- Z9 W0 \- F4 `# v) l5 |: ^! c# S
    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)4 r5 S4 S0 r5 F) k# g& `1 H
    单端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        107378        50-100        101968        7645.541kb        0.62889        0.53318        0.46682" f4 r. w! |! }5 V8 f, U) z
    单端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        213722        50-100        202996        15227.882kb        1.25259        0.28576        0.71424$ q; a: B* t% u, G+ N" T7 J
    双端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        106704        50-100        202770        15212.662kb        1.25134        0.28612        0.71388
    # U( @, K, L; s. |+ v7 D, m双端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        214212        50-100        407186        30534.265kb        2.51164        0.08114        0.91886
    $ J' ~. x; k+ ]  ?四、讨论和结论
    ' z+ M/ \. A* z5 e# n# K' b% T6 [9 E, f
    程序运行方法; ~: \0 g% V" n% w/ a0 d; v. {

    ! h+ |/ Z# g; h9 F6 j在类的构造方法init()中,调整参数。 $ ~$ ]( b1 |4 k6 F- l" D& i
    Averagefragmentlength为片段平均的长度; 2 r" ^4 c2 \1 m4 ?! g5 ^+ ?
    minfragmentlength和maxfragmentlength是保留片段的范围; $ T+ q( J! D! j' Y7 N' g8 g4 S8 n
    cloneRetainprobability是克隆的保留率;
    0 B5 v5 d8 G! d7 e# Iminreadslength和maxreadslength是测序reads的长度范围
    ' u* L1 ^) Y  N
    8 A& B6 E/ i! {6 W* l, 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。
      n4 m+ g2 W  K. G% \7 @; N) t# y+ P, [$ L
    附录7 z7 T# y/ i1 r
    ( G- H& U+ ^$ a* k
    from Bio import SeqIO
    $ s1 S* F) L. ^from math import exp; U% `2 j1 X/ w7 f
    import random$ |7 a) i9 P' b0 t; \9 Z7 ?; |0 k
    $ ~! l( N' o- a# o2 M( g7 O- _, z
    class Sequencing:
    + }+ t3 D5 r) w$ B9 H$ Y0 R    # N代表拷贝份数* M5 F, v% L8 p3 }2 Z. u; x# q
        def __init__(self)/ Y! o8 p+ s) t$ M' G0 g7 L
            self.fragmentList = []2 y6 I' d6 K. `: D  u) I. C( y- f/ k" Y
            self.readsID = 1
    0 a7 K& J3 l/ x  o& p$ t        self.readsList = []) s/ g7 f$ L3 d9 d* u  G
            self.averagefragmentlength = 650
    - Q$ A3 {" H! w$ n  ]        self.minfragmentlength = 500
      e: ?! [& n" T4 |7 k        self.maxfragmentlength = 800
    7 N/ [! t# m& Z7 n) K        self.cloneRetainprobability = 1
    9 x: q. t. j2 @$ R        self.minreadslength = 50; d8 {% Y' `7 r: ^5 w
            self.maxreadslength = 150, `* ?: e$ K) p% J
            self.N = 10
    2 H& `3 }& m, C4 I( N3 A3 h        self.genomeLength = 0
    $ h- |; ?& i$ Y# {9 ?6 N        self.allreadslength = 0
    ) M" `8 G) `# l) i+ W& d6 M: g1 K0 C6 c8 x' F0 S  }
        # 生成断裂点- k: d* P( j) _8 O1 o3 C5 N6 C
        def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):6 ^  p; M8 q6 f% v1 z: P
            # 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)% R* q7 E) C2 A; n. b
            breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]/ f3 \* {: g: _; |! z9 H+ v
            breakpoint.append(seqlen)
    9 j9 _9 S* D$ @# r$ A1 v. G/ Y; r6 J        breakpoint.append(0)( i" M* A7 I. _  \
            # 把随机断裂点从小到大排序  q/ d1 k5 A+ V/ r5 \6 M
            breakpoint.sort()' k. b6 G  n- E
            return breakpoint8 h+ P5 U3 ^4 V  i( K: }4 f4 t6 S
    % N; e4 d& A& D3 w* r* c" 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
    5 B' X' h/ n- P    def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):
    " B& a$ H/ w! ]1 J1 t2 |: ~* ^- n        for i in range(len(breakpoint) - 1):. i9 n6 T; C+ S' x3 z
                fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]
    / |2 C1 I* z" l$ G/ ?8 g            if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:
    % o; \% A4 ~) I$ S7 X  W                self.fragmentList.append(fragment)
    4 Z7 B, M  p3 M& h% X% V        return self.fragmentList
    2 ^& {  q& A. ]% n  G0 g  M! j2 O9 U' A! }4 k: j& z
        # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率5 a: C- [4 `1 U2 ^6 P6 J- J
        def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):! \9 P3 {. `& e6 D( N
            clonedfragmentList = []+ d" U/ P2 Q# X- v% ~9 w* J
            Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]
    . n: @0 F- {5 j/ [( a% M        for i in range(len(fragmentList)):
    + S8 o& X0 F1 [% U            if Lossprobability <= cloneRetainprobability:
    ' Y) z8 ~7 e; d% i: R3 N                clonedfragmentList.append(fragmentList); |0 b: Q3 i1 w1 l2 `* ]) X; V
            return clonedfragmentList
    9 e$ ^1 I; i6 X9 s5 S9 S
    + W& P: W2 j9 f1 G    # 模拟单端测序,并修改reads的ID号! P1 ?8 E  j- X& m
        def singleread(self, clonedfragmentList):
    : U" ?. U" {8 f/ Z6 S        for fragment in clonedfragmentList:
    # A  j, s" ^2 F7 Y- H/ [7 w/ T            fragment.id = ""
    + e. D4 F1 \: z0 b            fragment.name = ""; a9 b3 b/ f9 E" C  ?6 B) I: o
                fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]6 j* P# U: e4 G8 a" ^2 E
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description
      O1 K: r- g# E3 t) ^0 k) q- r  o            self.readsID += 16 |" A; D& z: g, X/ H1 r. \  t
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)' Z: m  P! {9 Z
                self.allreadslength += readslength8 E4 K0 v3 v3 j* f
                self.readsList.append(fragment[:readslength])
    0 C5 p. b% H! h: ^* U
    , i3 O" M3 _/ R) i& S' ~1 m1 M) D6 A2 B    def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):
    - {, B& |; Q4 H# t        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    5 f& W; P! `$ L$ G            seqlen = len(seq_record)6 G' N$ M/ B5 }( o6 P$ e
                self.genomeLength += seqlen
    6 P/ j6 r, H' G6 i2 o! M            for i in range(self.N):
    + b( f( f! V0 I4 i4 m                # 生成断裂点9 o, x$ n) J7 ~, |) W: p
                    breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    : S7 f  ?- j( z$ k3 _- r                # 沿断裂点打断基因组
    . Q2 O' Y3 t1 w* i1 `2 @                self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    ( w, X" K8 \+ {; w. \' A2 J        # 模拟克隆时的随机丢失情况2 w. z5 ~% k5 G5 h4 S  ^/ y
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)
    % J% j" R! c' C9 {        # 模拟单端测序
    6 U- A3 W3 J# ~+ `! f- m' i        self.singleread(clonedfragmentList)
    7 N9 m' ^% G; n, e3 \        SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta"), F9 z% ~* [' I
    , B6 q6 j  p5 v# D% l8 C; X
        def pairread(self, clonedfragmentList):
    % V# e' U2 L+ {6 O        for fragment in clonedfragmentList:
    ' p. z5 K4 X+ z2 D7 g            fragment.id = ""3 m; o8 D  x! J9 e/ V1 r
                fragment.name = """ C4 R& a+ V: M$ G2 L
                description = fragment.description[12:].split(",")[0]4 ]7 [# Y: w: M5 d" R
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + description
    4 A; ^! a2 t& y( J- n            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)/ k/ v! U- P7 O2 h* A' l& X
                self.allreadslength += readslength
    . a- S. v. g% f4 [, s            self.readsList.append(fragment[:readslength])* q8 u1 K# |( y" s' t

    + `- F( L8 h* P) k7 D' M6 U! W2 [            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    3 B1 y0 M7 P9 {; V# G, g; C( K2 o            self.allreadslength += readslength  O8 d' a( y3 ^  W0 ?
    0 {' Y+ w) t6 A# P& H- s" Z8 |
                fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()5 c: S# n! A( {+ a' O3 b
                fragmentcomplement.id = ""
    6 [7 x  Q/ A# h1 u. w1 J+ V            fragmentcomplement.name = ""
    2 x. y( k, \2 Q2 P. V: z7 e            fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description) N  L1 V$ p) Z
                self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])
    % x7 g  q8 o" W2 L' q
    + F: E& f/ O' }( N- k1 ]+ d7 w$ K6 v            self.readsID += 16 _; B. A* I3 S0 Y

    % ]8 {8 r3 D  l# k# a    def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):. I/ V1 w& x( G  P
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):1 v( K+ _2 q4 z* O( `
                seqlen = len(seq_record)2 G1 Q( w7 v# _9 U: J0 V3 }2 v& c
                self.genomeLength += seqlen
    $ {9 c" i6 s- P$ B+ N            for i in range(self.N):  z: q7 d9 e) s/ {8 p: c8 j9 }/ j4 _, i
                    # 生成断裂点
    6 C7 a& d7 C) Q                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)5 H4 D: B. n6 L& [. U
                    # 沿断裂点打断基因组
    - K" Q: s6 s. K                self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    5 s) \  I, {( i7 d7 U( l) A! w        # 模拟克隆时的随机丢失情况& E0 f2 I0 m: u
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)
    % |: ]8 }% t8 N7 f$ d6 V        # 模拟双端测序
    " p" k0 A+ k8 O  c        self.pairread(clonedfragmentList)& E4 w( \- f; y9 ^, p" R
            readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]
    " A4 b/ W' M* [8 T$ N        readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]' H9 d  E7 [" Y9 Z
            SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")4 e9 M6 b" o) Q
            SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")
    ; L5 H7 F8 b4 P  l0 Y, Z
    ( G: t1 \0 B! @* z; a# v    def resultsummary(self):1 n; W: O2 W% @
            print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")
    3 v3 ^' p' X' Y" n8 o        print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))( K* I. }+ Q" m1 q- ?0 A
            print("N值:" + str(self.N))
    6 b% E) D4 f3 g% @3 ^7 g        print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))
    ! l( Q# H9 ^) y; w. ]        print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))
    , j9 G- P8 Z* Z9 h& l        print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))
    % G5 x& o( R( j# ?1 ^0 P  x" m" {        print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))8 Y1 y' h. b5 d9 ^( E; e
            print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))4 G5 E$ P; \6 @
            print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb"): x1 s. B9 K4 D4 k' [
            m = self.allreadslength / self.genomeLength7 x6 R9 Y$ {9 S) c' a
            print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))& a) o6 G$ `3 m, s; ?) _
            print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))% p) B* x% t. H' f& V5 n  w
            print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))' P8 C$ T  `4 D. K
    # -------------------------------------------主程序-------------------------------------------& I6 q$ e% C1 Z! J2 B! K# u! b
    # 模拟单端测序
    , C4 X' p7 L! c1 K+ h- b3 k7 msequencingObj = Sequencing()
    2 r7 {# l  _% NsequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")
    4 A" [' y% \0 `; m9 A; TsequencingObj.resultsummary()! E' Z* ^: L! k: l* Z
    ( [4 f! u% }# n" B: a
    # 模拟双端测序3 ]+ E, S: G4 \8 b1 d
    sequencingObj = Sequencing()
    ; W+ Z! k: h+ esequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")
    . p) y  B" @. G" L5 `4 CsequencingObj.resultsummary()
    : u) d& w5 u' gfrom Bio import SeqIO
    / s: @. h0 P' E4 ]: Nfrom math import exp9 B* e+ o: l; ^1 H) v$ C
    import random
    - g, z8 M5 a3 W+ s4 p  r% a; T6 m" L+ ~
    class Sequencing:$ I  k6 O" R* r
        # N代表拷贝份数+ E8 U1 E7 l) T+ o' b* \; [
        def __init__(self):  @1 a5 U5 m" @% \
            self.fragmentList = []
    + ^0 f5 v1 j, N7 T8 H        self.readsID = 1
    . d+ y# p; C9 u* J  f        self.readsList = []
    8 R8 k& \% ~4 @3 a        self.averagefragmentlength = 650
    * ?# y! P; H- A6 e+ x' z        self.minfragmentlength = 500/ ?) `) ?: b1 K! `8 N
            self.maxfragmentlength = 800
    7 g+ v$ ~+ o% J# A0 r        self.cloneRetainprobability = 1
    6 Q! A2 Q$ m6 n* J6 T3 z        self.minreadslength = 50% O0 [* {$ u! x- n. {$ m( g' n
            self.maxreadslength = 150; B2 S0 e5 y! [1 m+ z" C
            self.N = 10
    2 o# S2 ~0 I; d# }) v        self.genomeLength = 08 Q9 r4 _- `0 L! g
            self.allreadslength = 0& o, z/ X" [9 Y, [) r$ ?. w( V

    ! K7 r/ p2 N- }    # 生成断裂点9 s1 ?" X6 |$ j- z
        def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):
    " ?+ O; d  P: e  u# @        # 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)* o$ t" u2 a7 e2 H  Z" R
            breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]! k4 e- ~, c, G
            breakpoint.append(seqlen)& C. Q) Y9 ^% y6 x2 l
            breakpoint.append(0); B8 {2 n8 i$ I+ o
            # 把随机断裂点从小到大排序
    ; z6 o+ q2 V3 P& ^$ L# }4 q        breakpoint.sort()/ j6 s4 }3 Y1 n
            return breakpoint
    : s& S  ?! i7 w% J" f3 S
    3 e( l- O4 W8 |0 K( C8 H! V5 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. s1 Y! {7 W& O3 n
        def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):
    - G9 T( A1 r5 b# F) @; M        for i in range(len(breakpoint) - 1):" j. L; S( \- C6 J
                fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]
    7 }# R/ k6 Y! X7 K- V2 ^            if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:
    8 h, P1 p' r  q$ T                self.fragmentList.append(fragment)
    - p; Y) j/ t. \; e% D" X3 x        return self.fragmentList
    0 @/ o* j8 A' C2 H: L2 X1 }; n' M7 o" x( D" j9 o( l
        # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率
    * q2 _7 u: ?8 A. `( N4 T    def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):' C) h& q4 T. C" Q, W
            clonedfragmentList = []
    ' m7 N9 E4 u+ e1 ?2 u, n& }        Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]
    ! B" ?+ T! `7 q. g3 ?& o        for i in range(len(fragmentList)):
    ' I; o$ B3 T, j4 A: v# F1 F0 S. A, w/ F/ k: z            if Lossprobability <= cloneRetainprobability:
    + R. X- u, X6 b5 P+ }8 p                clonedfragmentList.append(fragmentList)
    9 i% z" A) t/ @1 K3 r0 S* ~        return clonedfragmentList
    & \/ p; a7 w( N" ~" j3 m# o
    5 o% {5 u9 [5 K7 T" P0 A    # 模拟单端测序,并修改reads的ID号6 B( V: Q; y7 {1 {! r$ H( V0 X
        def singleread(self, clonedfragmentList):: o9 q8 {; `" i8 h4 p& f
            for fragment in clonedfragmentList:
    % B% d5 X/ r3 ?            fragment.id = ""
    ' C! j& Z: b  v! k; }' h            fragment.name = ""
    . A3 W4 X* U8 d6 a/ B/ R0 [4 ~8 N; @            fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]$ a; T( a4 B; l# k; F2 d& g
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description
    0 u( \% A; \: z; N3 Q            self.readsID += 1$ ^( T1 h8 \% E( Z" ?! T6 ^0 z
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    ' M; M8 P' j# I8 B            self.allreadslength += readslength
    , w7 y; w; h: v  A            self.readsList.append(fragment[:readslength])8 o; A# K, |6 }
    ! O0 @7 }$ i; t! e* g% C
        def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):2 k4 u9 y4 _9 V8 @8 m; L0 [
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):2 k- g# z+ \2 q: z
                seqlen = len(seq_record)+ c: q7 h- G6 o" R7 v; G) {3 y, N
                self.genomeLength += seqlen6 i2 g6 Y! B9 R! b
                for i in range(self.N):' V& t; m2 j3 f
                    # 生成断裂点
    , o9 X! b4 m  X7 p( z' y% m9 b                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    # v' {$ _9 w- E                # 沿断裂点打断基因组
    + O  l5 j' Z$ q  z+ Y                self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
    0 r! M  r& M8 A+ t8 X        # 模拟克隆时的随机丢失情况
    / |- \0 A( J/ A4 U# v7 y        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)' A" E9 ]2 C' G( j6 O
            # 模拟单端测序
    + [, e; C  S8 {$ L4 n3 K        self.singleread(clonedfragmentList)
    8 l9 z8 W4 ^7 f" q4 _        SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")8 |, c' J5 |: n8 d! ?6 N& D

    , I2 L6 s! q; d    def pairread(self, clonedfragmentList):
    : w4 _, z. K- q  Y/ }        for fragment in clonedfragmentList:* v$ a2 ?2 z. ~# r7 D
                fragment.id = ""
    0 z) c9 f1 q* C+ x! p7 m2 H            fragment.name = ""
    0 g4 B! _+ Q& P            description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    7 q& ]9 A, X9 G            fragment.description = str(self.readsID) + "." + description
    ! ^& J# s. Y8 T7 p3 R+ c4 ]            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)- o) k9 p$ m: w( B9 c
                self.allreadslength += readslength
    $ }( |3 _5 h$ f6 @            self.readsList.append(fragment[:readslength])
    ; @; ]7 l! z1 a. c4 c& T9 L' ?/ Q& z: u
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    " i4 m- K1 {/ \+ g% `+ {& Q$ p0 S" |' e            self.allreadslength += readslength
    % ~6 o1 f: E; X( K9 e4 U' a- f: C- D8 q9 x6 {) {8 w, U
                fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()
    ! A5 d* \3 ?7 B6 G& k  F+ }9 f            fragmentcomplement.id = ""
    5 ?3 h3 X7 M' T/ o( q            fragmentcomplement.name = ""
    9 A# o/ M' \: g' K0 T0 R            fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description# j+ r+ Z! |& k% V+ H* O; E$ r- y/ V
                self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])" o! o) u' C& Z, y/ Y* R( W7 M) V

    ; z% u* a% g! X7 n0 g9 z" P) D            self.readsID += 1- `" v% l7 |, y0 e; C' D8 d' i
    1 |, k0 F/ Q: o  b8 B" h
        def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):% `: a* L2 m% Y' J  X
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    ( _  G1 v+ k/ \0 r4 g            seqlen = len(seq_record)$ y3 J! m8 P% S3 o1 U3 j! g1 a! L
                self.genomeLength += seqlen/ k& }* N, G" L. r/ a6 y7 P
                for i in range(self.N):
    - f9 H9 e$ t  q4 _8 I" o                # 生成断裂点
    % p. @$ R% C5 L1 ^- n' _: h& S                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)! {' Z8 J, [6 {7 F9 A0 H4 X
                    # 沿断裂点打断基因组9 X% P% i' M7 F* Q% F+ A
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)( i  I* ?) V( Z+ Z
            # 模拟克隆时的随机丢失情况" n' L. S9 a: B5 z& N; }1 [+ z
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)
    $ C" c/ _" _( I' D+ |        # 模拟双端测序
    9 K, F* b: s6 R0 r* {        self.pairread(clonedfragmentList)6 J: b5 ^' C; T; a# q" I% b5 ?
            readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]0 M3 C9 E* F2 C) ^4 D/ B, y% w
            readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]
    $ L9 r, z' |3 P        SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")
    : }2 y" ~3 H( ?% ~        SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")
    % t2 b( p1 Y  N3 y* d2 U, N
    , W9 \/ ?+ M- _# w8 Z) R# e/ d1 S) Y    def resultsummary(self):
    5 j* H/ _! @! A( j6 s5 _        print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")
    . w$ `1 \& J& K3 [        print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))/ ^/ H( C6 h. G0 L
            print("N值:" + str(self.N))
    . v$ i. L6 o6 G' s! w$ }$ B( T, ?        print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))# m; F" ]/ Z9 m+ F6 i! _$ d9 j1 V
            print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))
    . V$ u+ K  W* w+ q( B% A        print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))
    9 g& J! d( [7 C        print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))  f/ k7 g6 W4 D" \" H8 f+ K
            print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))
    + [& g# E% L  L5 W) m        print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")7 |4 c/ s7 z1 ~7 y: r8 w# H8 t
            m = self.allreadslength / self.genomeLength
    ( c6 X4 Y: t4 b" b3 V4 N% d        print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))
    / `% w/ I! P8 u2 g        print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))
    $ Y9 `. g9 x$ w5 V        print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))
    ) n: e- l9 t$ Y! u# -------------------------------------------主程序-------------------------------------------9 }" w" \, g) `( v
    # 模拟单端测序
    6 i- k. w8 {2 vsequencingObj = Sequencing()+ j( e2 P7 u8 u) ~
    sequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")
    3 c7 t: x# {3 g" hsequencingObj.resultsummary()
    . h4 J' r+ z0 e; K6 O4 A+ c, p  ?' [4 F6 ^2 B  Q
    # 模拟双端测序
    ( O( X+ R1 C! j8 osequencingObj = Sequencing()
    - }: I& C# K" o! {. I6 ^# HsequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")! K: n: P( V" M) L  ^0 I3 Q" k
    sequencingObj.resultsummary()
    & {  Z9 b* k$ c* y( k7 U3 V! @5 k0 M) @9 [2 f, ?0 v

    - k3 g* M1 `# [9 X3 q, x* G: J5 R  C5 w* y3 ]

    1 U! ]7 ^$ e3 [8 e9 L9 Y

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