source: branches/stable/GDE/MUSCLE/src/fastdistkmer.cpp

Last change on this file was 10390, checked in by aboeckma, 11 years ago

added muscle sourcles amd makefile

File size: 6.4 KB
Line 
1#include "muscle.h"
2#include "msa.h"
3#include "seqvect.h"
4#include "seq.h"
5#include "distfunc.h"
6#include <math.h>
7
8#define TRACE   0
9
10/***
11Some candidate alphabets considered because they
12have high correlations and small table sizes.
13Correlation coefficent is between k-mer distance
14and %id D measured from a CLUSTALW alignment.
15Table size is N^k where N is size of alphabet.
16A is standard (uncompressed) amino alphabet.
17
18                           Correlation
19Alpha   N  k  Table Size   all   25-50%
20-----  --  -  ----------   ----  ------
21A      20  3       8,000  0.943   0.575
22A      20  4     160,000  0.962   0.685 <<
23LiA    14  4      38,416  0.966   0.645
24SEB    14  4      38,416  0.964   0.634
25LiA    13  4      28,561  0.965   0.640
26LiA    12  4      20,736  0.963   0.620
27LiA    10  5     100,000  0.964   0.652
28
29We select A with k=4 because it has the best
30correlations. The only drawback is a large table
31size, but space is readily available and the only
32additional time cost is in resetting the table to
33zero, which can be done quickly with memset or by
34keeping a list of the k-mers that were found (should
35test to see which is faster, and may vary by compiler
36and processor type). It also has the minor advantage
37that we don't need to convert the alphabet.
38
39Fractional identity d is estimated as follows.
40
41        F = fractional k-mer count
42        if F is 0: F = 0.01
43        Y = log(0.02 + F)
44        d = -4.1 + 4.12*Y
45
46The constant 0.02 was chosen to make the relationship
47between Y and D linear. The constants -4.1 and 4.12
48were chosen to fit a straight line to the scatterplot
49of Y vs D.
50***/
51
52#define MIN(x, y)       (((x) < (y)) ? (x) : (y))
53
54const unsigned K = 4;
55const unsigned N = 20;
56const unsigned N_2 = 20*20;
57const unsigned N_3 = 20*20*20;
58const unsigned N_4 = 20*20*20*20;
59
60const unsigned TABLE_SIZE = N_4;
61
62// For debug output
63const char *KmerToStr(unsigned Kmer)
64        {
65        static char s[5];
66
67        unsigned c3 = (Kmer/N_3)%N;
68        unsigned c2 = (Kmer/N_2)%N;
69        unsigned c1 = (Kmer/N)%N;
70        unsigned c0 = Kmer%N;
71
72        s[0] = LetterToChar(c3);
73        s[1] = LetterToChar(c2);
74        s[2] = LetterToChar(c1);
75        s[3] = LetterToChar(c0);
76        return s;
77        }
78
79void CountKmers(const byte s[], unsigned uSeqLength, byte KmerCounts[])
80        {
81#if     TRACE
82        Log("CountKmers\n");
83#endif
84        memset(KmerCounts, 0, TABLE_SIZE*sizeof(byte));
85
86        const byte *ptrKmerStart = s;
87        const byte *ptrKmerEnd = s + 4;
88        const byte *ptrSeqEnd = s + uSeqLength;
89
90        unsigned c3 = s[0]*N_3;
91        unsigned c2 = s[1]*N_2;
92        unsigned c1 = s[2]*N;
93        unsigned c0 = s[3];
94
95        unsigned Kmer = c3 + c2 + c1 + c0;
96
97        for (;;)
98                {
99                assert(Kmer < TABLE_SIZE);
100
101#if     TRACE
102                Log("Kmer=%d=%s\n", Kmer, KmerToStr(Kmer));
103#endif
104                ++(KmerCounts[Kmer]);
105
106                if (ptrKmerEnd == ptrSeqEnd)
107                        break;
108
109        // Compute k-mer as function of previous k-mer:
110        // 1. Subtract first letter from previous k-mer.
111        // 2. Multiply by N.
112        // 3. Add next letter.
113                c3 = (*ptrKmerStart++) * N_3;
114                Kmer = (Kmer - c3)*N;
115                Kmer += *ptrKmerEnd++;
116                }
117        }
118
119unsigned CommonKmerCount(const byte Seq[], unsigned uSeqLength,
120  const byte KmerCounts1[], const byte Seq2[], unsigned uSeqLength2)
121        {
122        byte KmerCounts2[TABLE_SIZE];
123        CountKmers(Seq2, uSeqLength2, KmerCounts2);
124
125        const byte *ptrKmerStart = Seq;
126        const byte *ptrKmerEnd = Seq + 4;
127        const byte *ptrSeqEnd = Seq + uSeqLength;
128
129        unsigned c3 = Seq[0]*N_3;
130        unsigned c2 = Seq[1]*N_2;
131        unsigned c1 = Seq[2]*N;
132        unsigned c0 = Seq[3];
133
134        unsigned Kmer = c3 + c2 + c1 + c0;
135
136        unsigned uCommonCount = 0;
137        for (;;)
138                {
139                assert(Kmer < TABLE_SIZE);
140
141                const byte Count1 = KmerCounts1[Kmer];
142                const byte Count2 = KmerCounts2[Kmer];
143
144                uCommonCount += MIN(Count1, Count2);
145
146        // Hack so we don't double-count
147                KmerCounts2[Kmer] = 0;
148
149                if (ptrKmerEnd == ptrSeqEnd)
150                        break;
151
152        // Compute k-mer as function of previous k-mer:
153        // 1. Subtract first letter from previous k-mer.
154        // 2. Multiply by N.
155        // 3. Add next letter.
156                c3 = (*ptrKmerStart++) * N_3;
157                Kmer = (Kmer - c3)*N;
158                Kmer += *ptrKmerEnd++;
159                }
160        return uCommonCount;
161        }
162
163static void SeqToLetters(const Seq &s, byte Letters[])
164        {
165        const unsigned uSeqLength = s.Length();
166        for (unsigned uCol = 0; uCol < uSeqLength; ++uCol)
167                {
168                char c = s.GetChar(uCol);
169        // Ugly hack. My k-mer counting code isn't wild-card
170        // aware. Arbitrarily replace wildcards by a specific
171        // amino acid.
172                if (IsWildcardChar(c))
173                        c = 'A';
174                *Letters++ = CharToLetter(c);
175                }
176        }
177
178void FastDistKmer(const SeqVect &v, DistFunc &DF)
179        {
180        byte KmerCounts[TABLE_SIZE];
181
182        const unsigned uSeqCount = v.GetSeqCount();
183
184        DF.SetCount(uSeqCount);
185        if (0 == uSeqCount)
186                return;
187
188// Initialize distance matrix to zero
189        for (unsigned uSeq1 = 0; uSeq1 < uSeqCount; ++uSeq1)
190                {
191                DF.SetDist(uSeq1, uSeq1, 0);
192                for (unsigned uSeq2 = 0; uSeq2 < uSeq1; ++uSeq2)
193                        DF.SetDist(uSeq1, uSeq2, 0);
194                }
195
196        unsigned uMaxLength = 0;
197        for (unsigned uSeqIndex = 0; uSeqIndex < uSeqCount; ++uSeqIndex)
198                {
199                const Seq &s = v.GetSeq(uSeqIndex);
200                unsigned uSeqLength = s.Length();
201                if (uSeqLength > uMaxLength)
202                        uMaxLength = uSeqLength;
203                }
204        if (0 == uMaxLength)
205                return;
206
207        byte *Seq1Letters = new byte[uMaxLength];
208        byte *Seq2Letters = new byte[uMaxLength];
209
210        for (unsigned uSeqIndex1 = 0; uSeqIndex1 < uSeqCount - 1; ++uSeqIndex1)
211                {
212                const Seq &s1 = v.GetSeq(uSeqIndex1);
213                const unsigned uSeqLength1 = s1.Length();
214
215                SeqToLetters(s1, Seq1Letters);
216                CountKmers(Seq1Letters, uSeqLength1, KmerCounts);
217
218                for (unsigned uSeqIndex2 = uSeqIndex1 + 1; uSeqIndex2 < uSeqCount;
219                  ++uSeqIndex2)
220                        {
221                        const Seq &s2 = v.GetSeq(uSeqIndex2);
222                        const unsigned uSeqLength2 = s2.Length();
223
224                        SeqToLetters(s2, Seq2Letters);
225
226                        unsigned uCommonKmerCount = CommonKmerCount(Seq1Letters, uSeqLength1,
227                          KmerCounts, Seq2Letters, uSeqLength2);
228
229                        unsigned uMinLength = MIN(uSeqLength1, uSeqLength2);
230                        double F = (double) uCommonKmerCount / (uMinLength - K + 1);
231                        if (0.0 == F)
232                                F = 0.01;
233                        double Y = log(0.02 + F);
234                        double EstimatedPctId = Y/4.12 + 0.995;
235                        double KD = KimuraDist(EstimatedPctId);
236//                      DF.SetDist(uSeqIndex1, uSeqIndex2, (float) KD);
237                        DF.SetDist(uSeqIndex1, uSeqIndex2, (float) (1 - F));
238#if     TRACE
239                        Log("CommonCount=%u, MinLength=%u, F=%6.4f Y=%6.4f, %%id=%6.4f, KimuraDist=%8.4f\n",
240                          uCommonKmerCount, uMinLength, F, Y, EstimatedPctId, KD);
241#endif
242                        }
243                }
244
245        delete[] Seq1Letters;
246        delete[] Seq2Letters;
247        }
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.