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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' X8 s) V' r4 L6 X" ]( Z8 A
    基因组测序模拟; j# C. R$ |2 c+ p0 y
    . Z: ]( B" l+ f9 x
    一、摘要; S' h9 h6 s& c- N( o; G

    3 P' B5 F, [8 A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' B1 I- J; D: ^) d! ~/ [0 C$ L

    6 f& Z/ H% G- o; s6 `5 @二、材料和方法6 Y" @" F7 w0 S( X$ W

    3 ]1 Y/ ^' T- A  }, Q  f1、硬件平台
    , I/ D5 s& J' `: L, I, V6 w% T) e7 V' x1 p5 X* ^6 l- g3 y
    处理器:Intel(R) Core(TM)i7-4710MQ CPU @ 2.50GHz 9 D9 C, I+ d4 J
    安装内存(RAM):16.0GB
    8 @  e  G0 ~8 m5 M# j/ n3 l6 C5 p5 N# u6 Q  c6 o0 x
    2、系统平台
    + }& u. H$ G2 S! ]$ }Windows 8.1,Ubuntu
    ! ]7 U( ]! o. O" d4 y& e% f+ ]) X' P# H- n$ Y2 I0 u( ~5 ]2 G9 O# x
    3、软件平台
    6 ~  K- a7 z* O7 l; D3 B
    ! I0 @6 N7 Y( \  uart_4544 t$ w& c; x3 r! p: n! f
    GenomeABC http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/
    # W3 U* I8 h% P/ U. X8 sPython3.53 Q3 Q" a, o& h3 |, _2 y; ]) v
    Biopython
    2 U1 W2 B% W& X4、数据库资源
    3 m2 h, u, }  [; {- N: Y9 m- K3 e8 i1 C# u
    NCBI数据库:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/
    ( p; o* C4 T9 S* z
    - o7 r5 ]( [* \9 i5、研究对象( p- w* q5 H/ ~3 P2 n3 p4 C2 Y9 n2 I

    ( F6 c+ O, O" v' X  \, x酵母基因组Saccharomyces cerevisiae S288c (assembly R64) / t- p& D9 t5 c% ]
    ftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/all/GCF/000/146/045/GCF_000146045.2_R64/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna.gz7 \& s  _. N8 O# y
    3 g# _& B6 q# w( i
    6、方法0 b7 ~1 g$ i7 G/ \" Y' `

    ; C0 l+ t, F) W3 kart_454的使用 3 r* Q% {, x, {% c& _
    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。
    ' u4 `  q) l- j# [- M# l. MGenomeABC ) r4 M3 [2 L3 y2 b3 e: j+ k
    进入GenomeABC(http://crdd.osdd.net/raghava/genomeabc/),输入参数,获得模拟测序结果。9 h0 _7 B1 W5 ~( `3 I
    编程模拟测序 # L, p# [4 l3 F4 g
    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。  y& w; e" ^! L; }- k/ d
    三、结果$ b  z+ M4 s! _7 q, i5 e

    $ f( c- k% ^$ N1、art_454的运行结果7 {. T$ s2 _. d/ x& ~

    0 B" {( V. _( M& g" ]1 G无参数art_454运行,阅读帮助文档 : I3 q+ e0 F% V1 t( O, |

    8 c2 u6 I1 u( q/ C3 f图表 1无参数art_454运行 4 B2 Z4 k( x2 Z8 r
    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. ; I. j4 x2 W; _$ p5 d# \; t
    下图为模拟单端测序,程序运行过程及结果
    ! p! @+ \# V! z- W3 Z. C: d% |- p, W2 {+ R, Q; {
    图表 2 art454单端测序
    ) z5 v. {% |/ g0 Z9 W/ m
    8 d7 h: a% B4 P. ~/ J6 m1 Z图表 3 art454单端模拟结果 ' k% c0 H8 U/ C4 ?
    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
    / F5 W4 a! F  h- U' n3 S: M下图为模拟双端测序,程序运行过程及结果 3 w4 r3 e# S9 o$ c" }0 O
    4 k+ B; j9 R" v
    图表 4 art454双端测序
    7 s+ _5 @$ A  L5 w3 @
    . a# x$ n$ ^: E# {' R" |! P图表 5 art454双端模拟结果
    # k  B- T1 x8 E2、GenomeABC # N, d3 w9 d: b
    下图为设置参数页面 2 g9 R' e) y' s5 f3 }) n
    ( f9 H5 I7 |4 R
    下图为结果下载页面
    # f: o3 D: R) T
    , |" {' m; u$ m' o% \; k图表 6 结果下载页面
    9 T8 r. Q1 p1 @/ ?4 k9 d3、编程模拟测序结果 + T4 x. g: w: p' S* y+ ~
    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。 7 R. V! u' [( ]: P5 n! z+ v, A: A- _
    单端测序
    . C$ h7 N9 c" J! k8 z" C+ H
    % i5 Y2 o: P$ H1 v* G( J+ J图表 7 程序模拟单端测序 5 H& N- L. P3 |' I# ^1 N
    双端测序
    # D" O* V5 J" ^+ ]2 ~+ s" I5 \9 w' J8 I' z' \
    图表 8 程序模拟双端测序 3 x6 d* {* w: \  r
    测序结果 2 G" V! a/ w: q. Q- e
    9 I, H6 J$ N7 z! F/ L' {: \- q, H
    图表 9 结果文件5 F' t  X0 x/ ?5 ?9 c- i% i
    , v4 w/ _) O! |) \8 ~
    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。 0 ^1 q7 T6 @- P; |4 u0 N! l+ n; I) V
    测序结果统计表
    2 r8 m9 f+ Q  p- ^" u) @; q' o
    % a( q6 J0 x1 G, s+ T2 C5 \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)
    ( V5 \  B6 c# l: G1 {1 M, E4 L- t单端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        107378        50-100        101968        7645.541kb        0.62889        0.53318        0.46682
    & q' V4 V( e( A4 D9 o& ~' R单端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        213722        50-100        202996        15227.882kb        1.25259        0.28576        0.71424  F% O; v; f: A6 N4 Y6 b
    双端        12157kb        200-1000        10        600        0.95        106704        50-100        202770        15212.662kb        1.25134        0.28612        0.713880 A6 H, j3 r/ N9 j8 I  w
    双端        12157kb        200-1000        20        600        0.95        214212        50-100        407186        30534.265kb        2.51164        0.08114        0.91886
    ' Q  e) a  L0 ]) z! R四、讨论和结论$ z* _3 w/ x; ~% g( \( _

    ! j2 W5 g1 v9 d! E  u3 N4 L程序运行方法
    & x( {+ [- t+ P! p0 g* Y( J$ @* Q# Z* n; {: E( s
    在类的构造方法init()中,调整参数。 4 {& ^& S+ X" m* \; Z
    Averagefragmentlength为片段平均的长度; ) W" Z, l) q4 [3 R5 ^6 t
    minfragmentlength和maxfragmentlength是保留片段的范围; , Z8 S; u8 k# \& J: `: b! r
    cloneRetainprobability是克隆的保留率;
    , d* A) C2 H  `: W+ ~minreadslength和maxreadslength是测序reads的长度范围
    ( c; A7 H* B: A/ q$ o" M2 @
    / i# T  R( P( Z. j; G& s" R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。
    - T& T5 |6 z' F: O3 ^" v; }# F, @. q7 R0 N: O/ P/ d: Y/ S
    附录
    4 R5 W' X7 l$ e1 j2 ^/ t9 e, k
    * @+ V. x  e- Z4 y0 Afrom Bio import SeqIO. B2 U$ A4 t; T
    from math import exp$ I  L" }2 [2 ]
    import random
    " a# o% `; |; k/ i2 W+ ]2 E% w/ y, J- q! ~6 e1 i
    class Sequencing:+ |, c) S3 p. r
        # N代表拷贝份数  o$ {% ]! a" R: T& y0 B$ `
        def __init__(self)
      H1 @& A2 o4 Y, c' z        self.fragmentList = []
      `1 `5 b+ d  U9 ?! p. t        self.readsID = 1
    % n8 C( V% j+ U: p3 H        self.readsList = []$ M; p* |1 `9 e. ]: h5 l9 _
            self.averagefragmentlength = 650
    : O8 W- s+ @- l. f        self.minfragmentlength = 500
    0 P. e3 c7 b) `, p) r' P$ C        self.maxfragmentlength = 800: x+ ^5 C: p& \( G8 Q' `, B6 ?( z
            self.cloneRetainprobability = 1% z: T2 j# O0 w$ j3 `  f+ V9 _/ |
            self.minreadslength = 50
    9 C/ T8 p5 X# q8 d% r) A        self.maxreadslength = 150& ^: n  Z1 ~8 g/ s! Q' a' \
            self.N = 103 X) P8 h% e. {
            self.genomeLength = 0
    3 D% g* f3 w& ?+ j        self.allreadslength = 0
    # H, y( @: i# w9 T& y& Z& u
    0 q/ u9 q: B: }9 ]) O  j    # 生成断裂点$ K# X: q& J, ?% C
        def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):, z6 m3 c3 V( D, F: ~( i; w
            # 假设平均每500bp 产生一个断裂点(averageLength = 500),通过随机函数生成seqlen/500个随机断裂点(1到seqlen之间的随机整数)3 C9 p% h8 W  l; B( E  }
            breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]
    8 y. S0 g- ^$ H8 c7 h* x        breakpoint.append(seqlen). l) s6 e1 ?" [* H
            breakpoint.append(0)4 E% a% ]' ~1 P+ Z: A" o) n
            # 把随机断裂点从小到大排序
    : o3 I; ]2 j5 b8 j' p5 k( J, y        breakpoint.sort()
    & ?0 @9 H4 @& m, @& A, ^0 V7 b6 ]        return breakpoint( @5 Z; |% L+ j# j' b: E- \
    ) o# z* ^6 _# O1 S. e8 _0 A
        # 沿断裂点打断基因组,并删除不符合长度要求的序列片段,定义片段范围:200-1000bp
    ! k  _8 X* k7 d) E# m& z    def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):
      Y. d" ?8 H) k! }/ K! n7 M        for i in range(len(breakpoint) - 1):
    ! d# P2 x: ?" u            fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]7 V7 d( u+ l% ^& x7 T7 R9 g
                if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:
    ! `$ w9 Y* }# d/ @                self.fragmentList.append(fragment)
    " i, q8 y' K6 {5 N& J        return self.fragmentList% |3 i' d1 ]% S) a9 A7 P: ^
    . X; ]4 }' l/ f% h8 p& k
        # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率6 _8 C# F9 @4 A8 y2 ]& w
        def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):2 t+ w. g$ n: r9 i9 e8 F6 ]
            clonedfragmentList = []
    , C9 ]! ^! _( e. D        Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]
    " {7 }& v: Y+ e1 C, ?+ ]        for i in range(len(fragmentList)):& ^( k, ^0 {0 M+ y
                if Lossprobability <= cloneRetainprobability:
    . M2 K; \( e6 n. E  p) ~                clonedfragmentList.append(fragmentList)
    ( L' E4 W% B3 D7 y  ]- }* J: o, z        return clonedfragmentList# U( S$ p& z% a
    6 p* E, S0 H% a; K: H. k. S
        # 模拟单端测序,并修改reads的ID号4 I2 X/ o0 R/ R
        def singleread(self, clonedfragmentList):1 h: s; D! n& {- X! p, c8 o+ v. H
            for fragment in clonedfragmentList:
    # N3 l' a- I4 G" P            fragment.id = ""+ |& j# _! E1 ]' s3 f0 o
                fragment.name = ""4 p. F. {& F# X
                fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]5 }$ |* c, g& b- i  r
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description
    4 @3 t3 ?' f7 _            self.readsID += 1" Q" V# T' b2 ?! r, O- ^0 t
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)' x4 Z# O+ h8 L1 L
                self.allreadslength += readslength
    6 }# m" I3 ~/ Z. O  `9 w            self.readsList.append(fragment[:readslength])* a! W' V( f' ?0 @2 Q1 S- S
    4 g6 }+ ?- h; B% ?, N
        def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):! |8 K' V6 y2 _) M7 Q$ m8 U
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):$ p2 `) ~: n* E: w6 A
                seqlen = len(seq_record)6 c' T  I- z& z2 R
                self.genomeLength += seqlen$ {, e  N% z* U' }- H
                for i in range(self.N):4 z3 U! ~5 \3 C$ G. O' h2 H' a* d
                    # 生成断裂点
    ' W; ]& m' S6 P4 Q3 n& H                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)4 a3 Q$ V, k/ Z, z: W
                    # 沿断裂点打断基因组
    : C: E2 c& v; y  q/ T* H                self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)7 V+ _1 S8 L7 m; Z0 `0 \
            # 模拟克隆时的随机丢失情况+ r+ C% |$ S) Z* U- x
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)
    ; P8 x0 Q. d, c, C, F        # 模拟单端测序
    3 B; O6 I9 N0 l3 X% A        self.singleread(clonedfragmentList)
    6 x" d: n; p! J  r        SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")
    8 z; z8 [" M' h& D% s: u7 b
    ( J% G4 `5 h- J) l# [4 i    def pairread(self, clonedfragmentList):5 u& ~' ]. }+ d' V" k' a7 o
            for fragment in clonedfragmentList:
    / _+ s& n" G4 I, Z, G5 W            fragment.id = "": }3 a; T, _- u+ ^3 J( x
                fragment.name = ""4 ]% E7 D  T7 P1 P. C+ k# R
                description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    & K' _& s+ m% _" g0 W            fragment.description = str(self.readsID) + "." + description7 o+ S4 K0 N5 ?; z  ^! X
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)# W! c: a3 c- ^) |
                self.allreadslength += readslength2 D# C( m6 @( j4 _# |1 I
                self.readsList.append(fragment[:readslength])$ p) n# q2 o* K# a7 V2 a: P& P  o5 Y
    , j7 S8 Z% {/ W6 F/ D% ]
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)8 `) Q% N+ j0 S3 N
                self.allreadslength += readslength' }9 D% \& g5 V9 n. t
    , Q& l0 `9 P! ^2 q; B8 t2 z
                fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()
    , @. N# ~  M" M+ A" z3 p/ U- O            fragmentcomplement.id = ""
    % {! _5 n  _! }            fragmentcomplement.name = ""' w/ Z9 f  I, R% K: ~; R" |
                fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description
    0 |7 {' E2 A" g1 J+ b, d7 u4 e) R            self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])4 g* M; D. t8 W4 p6 d- v

    4 }( d& u5 w1 h/ w4 V2 u            self.readsID += 1$ d/ [7 Q- }9 k$ i9 d% h
    ) d+ J  ^9 m6 h$ A" G
        def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):6 M) l3 q3 e% u
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    . T! ?" R* L* o            seqlen = len(seq_record)" m) t+ n) Y) h- }* ?6 d
                self.genomeLength += seqlen, [7 V0 W5 C8 Y
                for i in range(self.N):, U, i8 F4 ?1 j& }" p
                    # 生成断裂点6 \8 T0 T. U, _5 s) R+ x/ X3 C( C8 v
                    breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)/ B0 L# [2 k+ y7 O- w
                    # 沿断裂点打断基因组- Q( u( V) }. c7 i$ K( ?
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength); W9 L; @! ]9 B7 }& k* v
            # 模拟克隆时的随机丢失情况! V. r& U' M+ y) b# `% E9 b
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)
    5 `5 ^9 ]! q+ O5 }) e' j' W        # 模拟双端测序
    6 F/ a+ r  t' u& Q' R        self.pairread(clonedfragmentList)$ z0 v7 i% j( t9 C# m
            readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]
    ' Y: v/ n, x7 }+ C( }        readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]
    + J) u! ~# K+ F/ g2 o, ?0 [( ?        SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")
    / l. r6 A4 T# W' Q- x        SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")
    ! e4 x0 F) a! ]; h$ t: c5 C3 ]% z4 V8 y* A2 Y& i
        def resultsummary(self):- p2 {6 V) Q, l
            print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb")
    1 R# b' d. T0 a! {# ?        print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))+ K1 @* R/ b2 u% I
            print("N值:" + str(self.N))
    $ V0 v; n7 J2 ^3 \        print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))
    * a/ |8 R5 k0 `: I        print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))
    # r# d/ U5 z1 J9 S% L        print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))8 u  |; Q6 y4 a& }
            print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength))
    $ |! Q' f$ m; N5 A6 e7 @5 ?/ d5 D        print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))
    , ?9 D  X8 O* W% g" o        print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")
    : j# |/ q; }, g% `8 I0 S: E        m = self.allreadslength / self.genomeLength+ c' q9 c+ C- H& E/ z
            print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))1 V  A  b8 y; Q- |4 R9 b. |
            print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))
    # @7 ?- q3 g/ i0 D4 m        print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))
    5 F) X) i+ L+ B# e1 e$ y# -------------------------------------------主程序-------------------------------------------
    / A' K  x$ w- L& q% u* \9 K! E0 R# 模拟单端测序
    7 G: C* r9 J0 ~) M, d- JsequencingObj = Sequencing()
    % \7 A$ y$ T+ O4 d# tsequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")9 G$ k& N# _% _" x% q  @
    sequencingObj.resultsummary()
    ( ]' x! e2 K- L! Z, z  ~  S6 }+ U' G# @9 ]
    # 模拟双端测序  E) {$ V! L# c- f& q
    sequencingObj = Sequencing()8 ]' u. \: N7 I( `9 e
    sequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")
    ! f% U# H# s7 K! Q6 b2 }3 a  l9 T  KsequencingObj.resultsummary()
    : _: ]8 _) T: q5 z+ v8 Sfrom Bio import SeqIO: z6 Z* U+ q' d& D! q
    from math import exp; f. {! K  L& N( @* ^
    import random. z* H  s7 \' f! f- p! @% j
    & [- R. @6 F: J3 ?. y5 d% g$ K
    class Sequencing:
    1 _4 L6 y# X: c  ~6 g  M8 B    # N代表拷贝份数# j! e. ^3 F  {& Z5 u0 P! e: R
        def __init__(self):5 |/ P" d# F# K5 Q
            self.fragmentList = []2 V/ @7 E; r5 c* t' s* d
            self.readsID = 18 T+ u% d' U7 z3 C7 M0 Y
            self.readsList = []& ?$ o& c# W. U. o$ ~
            self.averagefragmentlength = 650, q' K! k0 E# q# d8 ?4 g
            self.minfragmentlength = 500: h3 x. s/ a+ O9 P# k$ c7 b
            self.maxfragmentlength = 800, d2 A- d5 s' j3 g
            self.cloneRetainprobability = 1
    ! E) D; k; h0 K$ g        self.minreadslength = 508 v8 I. ^7 @& J  _
            self.maxreadslength = 150
    ; j3 u, q. [4 Z" p+ Z  Q        self.N = 10
    ' Z4 N! r' u% r) P  G        self.genomeLength = 0
    . o0 i( J% v/ m9 l% I+ r3 R        self.allreadslength = 08 h$ J+ O- {) Y9 C5 r; n7 I+ V
    * {; X5 M8 t- e) z
        # 生成断裂点" ?7 I) J' J7 l" C7 s
        def generatebreakpoint(self, seqlen, averageLength):
    % N! M2 {! ~3 K  U: F, i9 [2 ]        # 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)
    ! Z& N( H! {# m" X0 \% S3 P! J- a        breakpoint = [random.randint(0, seqlen) for _ in range(int(seqlen / averageLength))]
    - W/ W9 X: m; ~8 t) k        breakpoint.append(seqlen)2 [2 \$ b9 U3 E, Q
            breakpoint.append(0)1 }6 W( q( @8 T  u. i! W
            # 把随机断裂点从小到大排序
    / L' M; S$ h9 U8 b* q5 P        breakpoint.sort()
    # r& A7 ]( z/ o1 W9 I        return breakpoint
    & K+ w) y: Y. r0 \( b: u' M: A; T5 p- J4 R
        # 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% W& q7 g3 t! e2 Q( i3 I
        def breakgenome(self, seq, breakpoint, minfragmentlength, maxfragmentlength):, r$ r2 b& I! m8 V' S
            for i in range(len(breakpoint) - 1):. I3 _7 H. R$ }
                fragment = seq[breakpoint:breakpoint[i + 1]]
    , F8 ?- X# O: B9 E! R. \            if maxfragmentlength > len(fragment) > minfragmentlength:
    0 Q* ]1 y2 p) x# H4 D                self.fragmentList.append(fragment)
    9 B' F+ Z/ r2 z% j* h1 Z6 Y6 P$ @) V        return self.fragmentList
    $ d) k8 E# ?8 X* t5 _) c4 ?
    ) T( _) O7 t5 L! f; [    # 模拟克隆时的随机丢失情况,random.random()生成0-1的保留概率0 K& `" H. [5 O, @
        def clonefragment(self, fragmentList, cloneRetainprobability):4 b! `3 y0 x6 v  x
            clonedfragmentList = []' i# W: x( R4 G* o; K0 V, U
            Lossprobability = [random.random() for _ in range(len(fragmentList))]
    ) q7 q9 G, U0 M9 L' V- Z8 u! n        for i in range(len(fragmentList)):6 K" k( g: z: i3 Q* q1 @
                if Lossprobability <= cloneRetainprobability:- T* O& j) j6 l; e3 i+ I
                    clonedfragmentList.append(fragmentList)
    - @" _& e* ?/ s4 j        return clonedfragmentList
    . L& P# K# K( i* R3 ~
    2 C% V! P3 T( l+ r! \    # 模拟单端测序,并修改reads的ID号: D& `5 `! g' H5 j/ j0 O
        def singleread(self, clonedfragmentList):
    . j7 W9 g  Q: N. s0 W        for fragment in clonedfragmentList:
    . Y3 d2 L5 S9 t8 h# g            fragment.id = ""
    3 J7 H/ _, n+ X+ [            fragment.name = ""* c6 H4 ^) k( Z: I/ f0 o
                fragment.description = fragment.description[12:].split(",")[0]
    ; G: e8 Q: y8 s. P, |  B  X: V            fragment.description = str(self.readsID) + "." + fragment.description% I6 l3 ]* s. X8 p
                self.readsID += 1
    9 u* j8 Y3 d; [. l& v            readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)0 z2 S/ J5 u: G
                self.allreadslength += readslength
    0 A" Z4 z# X1 {/ o            self.readsList.append(fragment[:readslength])
    ! @- j$ W# A0 j+ K6 h. S
    / P9 ?1 Y. D0 x/ j) g1 Y" ~! ~% W( o    def singlereadsequencing(self, genomedata, sequencingResult):' w- B7 T' s/ |( }9 b# H8 B$ |
            for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):
    ; t! t8 x1 F  `) `% F            seqlen = len(seq_record)
    " W4 D) o+ m# B; w8 x; }            self.genomeLength += seqlen
    1 U1 {+ [( l8 |  @+ J3 X6 w* g& S$ T2 C            for i in range(self.N):# c9 d$ K+ ~) o/ k5 w1 F* p
                    # 生成断裂点
    % I- @" @2 m6 c9 |                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    6 m- \# J9 j8 W, l( b" V                # 沿断裂点打断基因组; @( l; g7 ^5 e( c7 J% w6 p  z
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)
      s" x3 K8 A6 z+ c        # 模拟克隆时的随机丢失情况: H9 X0 S; H/ e& @9 g! X  g- j
            clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)# _. `% H& g  K2 i
            # 模拟单端测序
    7 u9 ?9 b. L1 m2 W. k6 f        self.singleread(clonedfragmentList), ~/ x" Q( n9 H
            SeqIO.write(self.readsList, sequencingResult, "fasta")2 b- c# G# Q0 u* k2 Q
    * K( O& r9 k7 i
        def pairread(self, clonedfragmentList):7 }# B3 x9 i2 ?) y  [4 K
            for fragment in clonedfragmentList:
    . E% N" g3 u8 Z2 Y            fragment.id = ""
    8 c, |+ u* f  u) S            fragment.name = ""
    ( P8 T& f, P0 [% ?            description = fragment.description[12:].split(",")[0]6 v' C- _- D$ M5 o* b" Q
                fragment.description = str(self.readsID) + "." + description$ X6 I3 c- L2 s+ U, p5 M9 L( r
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)1 \% k" y& ]4 I6 u* o, Y
                self.allreadslength += readslength
    - d6 d  U$ R$ }, c            self.readsList.append(fragment[:readslength])& p1 g: N% o0 U! L
    1 Z3 F+ a, O6 H' D1 B( R1 D4 ]
                readslength = random.randint(self.minreadslength, self.maxreadslength)
    / g( n/ A2 O% r; s8 P/ Z! ?' ^            self.allreadslength += readslength
    : s* V) I" f0 c% N0 x, _  I/ T2 O
    + J1 u0 f& D" ?3 R$ |            fragmentcomplement = fragment.reverse_complement()2 Y- s; \0 z2 \7 l  A. y7 h9 n
                fragmentcomplement.id = ""
    1 s1 g: g3 R( b+ |            fragmentcomplement.name = ""/ [' p5 m! s- Y
                fragmentcomplement.description = str(self.readsID) + "." + description0 V6 b1 B' [. K0 r
                self.readsList.append(fragmentcomplement[:readslength])
    1 E5 I4 x; n  R% J! \% C8 }2 o3 E5 E1 v" P1 K
                self.readsID += 1) b$ B9 H+ K8 U! ^, o  U
    / q1 {( g' y7 s$ E9 g
        def pairreadsequencing(self,genomedata, sequencingResult_1, sequencingResult_2):
    1 ~2 ~% |- I0 Q  W4 w        for seq_record in SeqIO.parse(genomedata, "fasta"):, i$ Z8 R7 A+ }1 M5 f: V5 C9 O
                seqlen = len(seq_record)
    & Y, A0 M; E4 d8 S5 s7 [; {            self.genomeLength += seqlen
    # A0 ]3 z& r" X3 l2 p. m3 |6 @            for i in range(self.N):
    7 j6 S4 ]- |8 t6 v- T6 a+ d/ B                # 生成断裂点
    : Y4 D2 b+ y5 c/ D                breakpoint = self.generatebreakpoint(seqlen, self.averagefragmentlength)
    ) T  ?. z, Y) l                # 沿断裂点打断基因组2 T! W! f5 R9 D4 i  g. o* T# l
                    self.breakgenome(seq_record, breakpoint, self.minfragmentlength, self.maxfragmentlength)$ a) Q' m; X1 ?) J2 s/ m0 S
            # 模拟克隆时的随机丢失情况
    : I; O8 n8 Y- Y3 d% a        clonedfragmentList = self.clonefragment(self.fragmentList, self.cloneRetainprobability)) N5 N+ Y$ m* ]% G
            # 模拟双端测序5 k+ B, {. n+ x6 `4 v
            self.pairread(clonedfragmentList)2 C9 \1 t6 q- i) r- U( K8 d
            readsList_1 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 0]0 T8 a- H# f  N, R1 l& i+ ~) S+ Z: V
            readsList_2 = [self.readsList for i in range(len(self.readsList)) if i % 2 == 1]
    ' m; T* F! m& e        SeqIO.write(readsList_1, sequencingResult_1, "fasta")1 m  D" w7 N% V" g
            SeqIO.write(readsList_2, sequencingResult_2, "fasta")
    . K0 Y/ U- m" M$ q# M' Q
      ^$ m- E8 P' w& k    def resultsummary(self):
    $ {7 r, w" a! O! L: b" P8 B1 `        print("基因组长度:" + str(self.genomeLength / 1000) + "kb"); s0 B7 p4 x: x, B7 a& t
            print("片段长度区间:" + str(self.minfragmentlength) + "-" + str(self.maxfragmentlength))
    , D( S- Y5 {7 k: I" ~        print("N值:" + str(self.N))* h: \/ a9 O3 f& o5 v& i& o
            print("期望片段长度:" + str(self.averagefragmentlength))
    ! e+ ^2 j$ ^7 I! v, a        print("克隆保留率:" + str(self.cloneRetainprobability))" h/ Z2 }; o- t
            print("片段数量:" + str(len(self.fragmentList)))
    4 I# a0 `+ G/ _; Z- T        print("reads长度:" + str(self.minreadslength) + "-" + str(self.maxreadslength)), N6 }4 r. }3 x) ~6 y. p! L* H
            print("reads总数量:" + str(len(self.readsList)))( X( v5 }9 C8 T5 Z9 l6 o+ k: N- v
            print("reads总长度:" + str(self.allreadslength / 1000) + "kb")" I' _+ X% `! G. Q8 w0 T* M
            m = self.allreadslength / self.genomeLength: F+ r4 X4 M2 ?! C' [
            print("覆盖度(m值):" + str(round(m, 5)))
    ) _# \/ l( `  E2 w% M        print("理论丢失率(e^-m):" + str(round(exp(-m), 5)))% Z$ B- t/ _: v. V8 [% d) U3 Q9 l
            print("覆盖率(1-e^-m):" + str(round(1 - exp(-m), 5)))2 w6 S! y; D; J3 H. k, v3 }
    # -------------------------------------------主程序-------------------------------------------
    & t( f% ^3 c" o! @' m+ [# 模拟单端测序% B) E( h0 J) b- [. E& Q
    sequencingObj = Sequencing()" V+ @5 h' w6 y& D0 k3 D* P" o
    sequencingObj.singlereadsequencing("data/NC_025452.fasta", "result/virusSingleRead.fa")% E7 c" W: e1 M: k. b0 H
    sequencingObj.resultsummary()& m+ y# e7 y  S8 @/ ]
    : ^$ u8 v1 h0 j4 F" m2 v) N) O
    # 模拟双端测序  n& S/ f" L, |& ^' d; \
    sequencingObj = Sequencing(), I% i! h* B0 s' l% e
    sequencingObj.pairreadsequencing("data/GCF_000146045.2_R64_genomic.fna", "result/yeastPairRead_1.fa", "result/yeastPairRead_2.fa")
    0 ^0 I' P: p( D1 ]! m  e1 ]7 s5 tsequencingObj.resultsummary()2 h2 R; f! ]5 t3 X
    ( G: h1 L* L1 H. |! P+ d4 f
    7 n% p3 I3 x5 M

    1 q9 Y6 v3 e) N  Y , c- G! z" V2 ]& O# D& R3 Y- k8 a

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