source: trunk/GDE/CLUSTAL/trees.c

Last change on this file was 19480, checked in by westram, 2 years ago
  • Property svn:eol-style set to native
  • Property svn:keywords set to Author Date Id Revision
File size: 16.8 KB
Line 
1        /* Phyle of filogenetic tree calculating functions for CLUSTAL V */
2#include <stdio.h>
3#include <string.h>
4#include <stdlib.h>
5#include <math.h>
6#include "clustalv.h"
7
8/*
9 *   Prototypes
10 */
11
12extern void *ckalloc(size_t);
13extern int getint(const char *, int, int, int);
14extern void get_path(char *, char *);
15extern FILE * open_output_file(const char *, const char *, char *, const char *);
16
17
18void init_trees(void);
19void phylogenetic_tree(void);
20void bootstrap_tree(void);
21void compare_tree(char **, char **, int *, int);
22void tree_gap_delete(void); /*flag all positions in alignment that have a gap */
23void dna_distance_matrix(FILE *);
24void prot_distance_matrix(FILE *);
25void nj_tree(char **, FILE *);
26void print_tree(char **, FILE *, int *);
27void root_tree(char **, int);
28
29Boolean transition(int,int);
30
31/*
32 *   Global variables
33 */
34
35
36extern double **tmat;     /* general nxn array of reals; allocated from main */
37                          /* this is used as a distance matrix */
38extern double **smat;
39extern Boolean dnaflag;   /* TRUE for DNA seqs; FALSE for proteins */
40extern Boolean tossgaps;  /* Ignore places in align. where ANY seq. has a gap*/
41extern Boolean kimura;    /* Use correction for multiple substitutions */
42extern Boolean empty;     /* any sequences in memory? */
43extern Boolean usemenu;   /* interactive (TRUE) or command line (FALSE) */
44extern void error(const char *,...); /* error reporting */
45extern int nseqs;         /* total no. of seqs. */
46extern int *seqlen_array; /* the lengths of the sequences */
47extern char **seq_array;   /* the sequences */
48extern char **names;       /* the seq. names */
49extern char seqname[];          /* name of input file */
50
51static double *av;
52static int *kill;
53static int ran_factor;
54int boot_ntrials;                       /* number of bootstrap trials */
55unsigned int boot_ran_seed;             /* random number generator seed */
56static int *boot_positions;
57static int *boot_totals;
58static char **standard_tree;
59static char **sample_tree;
60static FILE *phy_tree_file;
61static char phy_tree_name[FILENAMELEN+1];
62static Boolean verbose;
63static char *tree_gaps;    /* array of weights; 1 for use this posn.; 0 don't */
64
65
66void init_trees()
67{
68        register int i;
69       
70        tree_gaps = (char *)ckalloc( (MAXLEN+1) * sizeof (char) );
71       
72        boot_positions = (int *)ckalloc( (MAXLEN+1) * sizeof (int) );
73        boot_totals    = (int *)ckalloc( (MAXN+1) * sizeof (int) );
74
75        kill = (int *) ckalloc( (MAXN+1) * sizeof (int) );
76        av   = (double *) ckalloc( (MAXN+1) * sizeof (double)   );
77
78        standard_tree = (char **) ckalloc( (MAXN+1) * sizeof (char *) );
79        for(i=0; i<MAXN+1; i++) 
80                standard_tree[i] = (char *) ckalloc( (MAXN+1) * sizeof(char) );
81
82        sample_tree   = (char **) ckalloc( (MAXN+1) * sizeof (char *) );
83        for(i=0; i<MAXN+1; i++) 
84                sample_tree[i]   = (char *) ckalloc( (MAXN+1) * sizeof(char) );
85
86        boot_ntrials  = 1000;
87        boot_ran_seed = 111;
88        kimura   = FALSE;
89        tossgaps = FALSE;       
90}
91
92
93
94void phylogenetic_tree()
95{       char path[FILENAMELEN+1];
96        int j;
97
98        if(empty) {
99                error("You must load an alignment first");
100                return;
101        }
102
103        get_path(seqname,path);
104       
105        if((phy_tree_file = open_output_file(
106                "\nEnter name for tree output file  ",path,
107                phy_tree_name,"nj")) == NULL) return;
108
109        for(j=1; j<=seqlen_array[1]; ++j) 
110                boot_positions[j] = j;         
111
112        verbose = TRUE;                  /* Turn on screen output */
113        if(dnaflag)
114                dna_distance_matrix(phy_tree_file);
115        else 
116                prot_distance_matrix(phy_tree_file);
117
118        verbose = TRUE;                   /* Turn on output */
119        nj_tree(standard_tree,phy_tree_file);
120        fclose(phy_tree_file); 
121/*
122        print_tree(standard_tree,phy_tree_file);
123*/
124        fprintf(stdout,"\nPhylogenetic tree file created:   [%s]",phy_tree_name);
125}
126
127
128
129
130
131Boolean transition(int base1, int base2) /* TRUE if transition; else FALSE */
132/*
133
134   assumes that the bases of DNA sequences have been translated as
135   a,A = 1;   c,C = 2;   g,G = 3;   t,T,u,U = 4;  X or N = 0;  "-" < 0;
136
137   A <--> G  and  T <--> C  are transitions;  all others are transversions.
138
139*/
140{
141        if( ((base1 == 1) && (base2 == 3)) || ((base1 == 3) && (base2 == 1)) )
142                return TRUE;                                     /* A <--> G */
143        if( ((base1 == 4) && (base2 == 2)) || ((base1 == 2) && (base2 == 4)) )
144                return TRUE;                                     /* T <--> C */
145    return FALSE;
146}
147
148
149void tree_gap_delete()   /* flag all positions in alignment that have a gap */
150{                         /* in ANY sequence */
151        int seqn, posn;
152
153        for(posn=1; posn<=seqlen_array[1]; ++posn) {
154                tree_gaps[posn] = 0;
155        for(seqn=1; seqn<=nseqs; ++seqn)  {
156                        if(seq_array[seqn][posn] <= 0) {
157                           tree_gaps[posn] = 1;
158                                break;
159                        }
160                }
161        }
162}
163
164
165
166void nj_tree(char **tree_description, FILE *tree)
167{
168        register int i;
169        int l[4],nude,k;
170        int nc,mini,minj,j,ii,jj;
171        double fnseqs,fnseqs2,sumd;
172        double diq,djq,dij,d2r,dr,dio,djo,da;
173        double tmin,total,dmin;
174        double bi,bj,b1,b2,b3,branch[4];
175        int typei,typej;             /* 0 = node; 1 = OTU */
176       
177        fnseqs = (double)nseqs;
178
179/*********************** First initialisation ***************************/
180       
181        if(verbose)  {
182                fprintf(tree,"\n\n\t\t\tNeighbor-joining Method\n");
183                fprintf(tree,"\n Saitou, N. and Nei, M. (1987)");
184                fprintf(tree," The Neighbor-joining Method:");
185                fprintf(tree,"\n A New Method for Reconstructing Phylogenetic Trees.");
186                fprintf(tree,"\n Mol. Biol. Evol., 4(4), 406-425\n");
187                fprintf(tree,"\n\n This is an UNROOTED tree\n");
188                fprintf(tree,"\n Numbers in parentheses are branch lengths\n\n");
189        }       
190
191        mini = minj = 0;
192
193        for(i=1;i<=nseqs;++i) 
194                {
195                tmat[i][i] = av[i] = 0.0;
196                kill[i] = 0;
197                }
198
199/*********************** Enter The Main Cycle ***************************/
200
201 /*     for(nc=1; nc<=(nseqs-3); ++nc) {  */                    /**start main cycle**/
202        for(nc=1; nc<=(nseqs-3); ++nc) {
203                sumd = 0.0;
204                for(j=2; j<=nseqs; ++j)
205                        for(i=1; i<j; ++i) {
206                                tmat[j][i] = tmat[i][j];
207                                sumd = sumd + tmat[i][j];
208                                smat[i][j] = smat[j][i] = 0.0;
209                        }
210
211                tmin = 99999.0;
212
213/*.................compute SMATij values and find the smallest one ........*/
214
215                for(jj=2; jj<=nseqs; ++jj) 
216                        if(kill[jj] != 1) 
217                                for(ii=1; ii<jj; ++ii)
218                                        if(kill[ii] != 1) {
219                                                diq = djq = 0.0;
220
221                                                for(i=1; i<=nseqs; ++i) {
222                                                        diq = diq + tmat[i][ii];
223                                                        djq = djq + tmat[i][jj];
224                                                }
225
226                                                dij = tmat[ii][jj];
227                                                d2r = diq + djq - (2.0*dij);
228                                                dr  = sumd - dij -d2r;
229                                                fnseqs2 = fnseqs - 2.0;
230                                                total= d2r+ fnseqs2*dij +dr*2.0;
231                                                total= total / (2.0*fnseqs2);
232                                                smat[ii][jj] = total;
233
234                                                if(total < tmin) {
235                                                        tmin = total;
236                                                        mini = ii;
237                                                        minj = jj;
238                                                }
239                                        }
240               
241
242/*.................compute branch lengths and print the results ........*/
243
244
245                dio = djo = 0.0;
246                for(i=1; i<=nseqs; ++i) {
247                        dio = dio + tmat[i][mini];
248                        djo = djo + tmat[i][minj];
249                }
250
251                dmin = tmat[mini][minj];
252                dio = (dio - dmin) / fnseqs2;
253                djo = (djo - dmin) / fnseqs2;
254                bi = (dmin + dio - djo) * 0.5;
255                bj = dmin - bi;
256                bi = bi - av[mini];
257                bj = bj - av[minj];
258
259                if( av[mini] > 0.0 )
260                        typei = 0;
261                else
262                        typei = 1;
263                if( av[minj] > 0.0 )
264                        typej = 0;
265                else
266                        typej = 1;
267
268                if(verbose) {
269                    fprintf(tree,"\n Cycle%4d     = ",nc);
270                    if(typei == 0)
271                        fprintf(tree,"Node:%4d (%9.5f) joins ",mini,bi);
272                    else
273                        fprintf(tree," SEQ:%4d (%9.5f) joins ",mini,bi);
274                    if(typej == 0) 
275                        fprintf(tree,"Node:%4d (%9.5f)",minj,bj);
276                    else
277                        fprintf(tree," SEQ:%4d (%9.5f)",minj,bj);
278                        fprintf(tree,"\n");
279                }
280
281                for(i=1; i<=nseqs; i++)
282                        tree_description[nc][i] = 0;
283
284                if(typei == 0) { 
285                        for(i=nc-1; i>=1; i--)
286                                if(tree_description[i][mini] == 1) {
287                                        for(j=1; j<=nseqs; j++) 
288                                             if(tree_description[i][j] == 1)
289                                                    tree_description[nc][j] = 1;
290                                        break;
291                                }
292                }
293                else
294                        tree_description[nc][mini] = 1;
295
296                if(typej == 0) {
297                        for(i=nc-1; i>=1; i--) 
298                                if(tree_description[i][minj] == 1) {
299                                        for(j=1; j<=nseqs; j++) 
300                                             if(tree_description[i][j] == 1)
301                                                    tree_description[nc][j] = 1;
302                                        break;
303                                }
304                }
305                else
306                        tree_description[nc][minj] = 1;
307                       
308                if(dmin <= 0.0) dmin = 0.0001;
309                av[mini] = dmin * 0.5;
310
311/*........................Re-initialisation................................*/
312
313                fnseqs = fnseqs - 1.0;
314                kill[minj] = 1;
315
316                for(j=1; j<=nseqs; ++j) 
317                        if( kill[j] != 1 ) {
318                                da = ( tmat[mini][j] + tmat[minj][j] ) * 0.5;
319                                if( (mini - j) < 0 ) 
320                                        tmat[mini][j] = da;
321                                if( (mini - j) > 0)
322                                        tmat[j][mini] = da;
323                        }
324
325                for(j=1; j<=nseqs; ++j)
326                        tmat[minj][j] = tmat[j][minj] = 0.0;
327
328
329/****/  }                                               /**end main cycle**/
330
331/******************************Last Cycle (3 Seqs. left)********************/
332
333        nude = 1;
334
335        for(i=1; i<=nseqs; ++i)
336                if( kill[i] != 1 ) {
337                        l[nude] = i;
338                        nude = nude + 1;
339                }
340
341        b1 = (tmat[l[1]][l[2]] + tmat[l[1]][l[3]] - tmat[l[2]][l[3]]) * 0.5;
342        b2 =  tmat[l[1]][l[2]] - b1;
343        b3 =  tmat[l[1]][l[3]] - b1;
344        branch[1] = b1 - av[l[1]];
345        branch[2] = b2 - av[l[2]];
346        branch[3] = b3 - av[l[3]];
347
348
349        for(i=1; i<=nseqs; i++)
350                tree_description[nseqs-2][i] = 0;
351
352        if(verbose)
353                fprintf(tree,"\n Cycle%4d (Last cycle, trichotomy):\n",nc);
354
355        for(i=1; i<=3; ++i) {
356           if( av[l[i]] > 0.0) {
357                if(verbose)
358                    fprintf(tree,"\n\t\t Node:%4d (%9.5f) ",l[i],branch[i]);
359                for(k=nseqs-3; k>=1; k--)
360                        if(tree_description[k][l[i]] == 1) {
361                                for(j=1; j<=nseqs; j++)
362                                        if(tree_description[k][j] == 1)
363                                            tree_description[nseqs-2][j] = i;
364                                break;
365                        }
366           }
367           else  {
368                if(verbose)
369                    fprintf(tree,"\n\t\t  SEQ:%4d (%9.5f) ",l[i],branch[i]);
370                tree_description[nseqs-2][l[i]] = i;
371           }
372           if(i < 3) {
373                if(verbose)
374                    fprintf(tree,"joins");
375           }
376        }
377
378        if(verbose)
379                fprintf(tree,"\n");
380
381}
382
383
384
385
386void bootstrap_tree()
387{
388        int i,j,ranno;
389        char path[MAXLINE+1];
390
391        if(empty) {
392                error("You must load an alignment first");
393                return;
394        }
395
396        get_path(seqname, path);
397       
398        if((phy_tree_file = open_output_file(
399                "\nEnter name for bootstrap output file  ",path,
400                phy_tree_name,"njb")) == NULL) return;
401
402        for(i=0;i<MAXN+1;i++)
403                boot_totals[i]=0;
404               
405        for(j=1; j<=seqlen_array[1]; ++j)  /* First select all positions for */
406                boot_positions[j] = j;     /* the "standard" tree */
407
408        verbose = TRUE;                    /* Turn on screen output */
409        if(dnaflag)
410                dna_distance_matrix(phy_tree_file);
411        else 
412                prot_distance_matrix(phy_tree_file);
413
414        verbose = TRUE;                         /* Turn on screen output */
415        nj_tree(standard_tree, phy_tree_file);  /* compute the standard tree */
416
417        fprintf(phy_tree_file,"\n\n\t\t\tBootstrap Confidence Limits\n\n");
418
419        ran_factor = RAND_MAX / seqlen_array[1];
420
421        if(usemenu) 
422                boot_ran_seed = 
423getint("\n\nEnter seed no. for random number generator ",1,1000,boot_ran_seed);
424
425        srand(boot_ran_seed);
426        fprintf(phy_tree_file,"\n Random number generator seed = %7u\n",
427        boot_ran_seed);
428
429        if(usemenu) 
430                boot_ntrials = 
431getint("\n\nEnter number of bootstrap trials ",1,10000,boot_ntrials);
432
433        fprintf(phy_tree_file,"\n Number of bootstrap trials   = %7d\n",
434        boot_ntrials);
435
436        fprintf(phy_tree_file,
437        "\n\n Diagrammatic representation of the above tree: \n");
438        fprintf(phy_tree_file,"\n Each row represents 1 tree cycle;");
439        fprintf(phy_tree_file," defining 2 groups.\n");
440        fprintf(phy_tree_file,"\n Each column is 1 sequence; ");
441        fprintf(phy_tree_file,"the stars in each line show 1 group; ");
442        fprintf(phy_tree_file,"\n the dots show the other\n");
443        fprintf(phy_tree_file,"\n Numbers show occurrences in bootstrap samples.");
444/*
445        print_tree(standard_tree, phy_tree_file, boot_totals);
446*/
447        verbose = FALSE;                   /* Turn OFF screen output */
448
449        fprintf(stdout,"\n\nEach dot represents 10 trials\n\n");
450        for(i=1; i<=boot_ntrials; ++i) {
451                for(j=1; j<=seqlen_array[1]; ++j) {       /* select alignment */
452                        ranno = ( rand() / ran_factor ) + 1; /* positions for */
453                        boot_positions[j] = ranno;        /* bootstrap sample */
454                }
455                if(dnaflag)
456                        dna_distance_matrix(phy_tree_file);
457                else
458                        prot_distance_matrix(phy_tree_file);
459                nj_tree(sample_tree, phy_tree_file); /* compute 1 sample tree */
460                compare_tree(standard_tree, sample_tree, boot_totals, nseqs);
461                if(i % 10  == 0) fprintf(stdout,".");
462                if(i % 100 == 0) fprintf(stdout,"\n");
463        }
464
465/*
466        fprintf(phy_tree_file,"\n\n Bootstrap totals for each group\n");
467*/
468        print_tree(standard_tree, phy_tree_file, boot_totals);
469
470        fclose(phy_tree_file);
471
472        fprintf(stdout,"\n\nBootstrap output file completed       [%s]"
473                ,phy_tree_name);
474}
475
476
477void compare_tree(char **tree1, char **tree2, int *hits, int n)
478{       
479        int i,j,k;
480        int nhits1, nhits2;
481
482        for(i=1; i<=n-3; i++)  {
483                for(j=1; j<=n-3; j++)  {
484                        nhits1 = 0;
485                        nhits2 = 0;
486                        for(k=1; k<=n; k++) {
487                                if(tree1[i][k] == tree2[j][k]) nhits1++;
488                                if(tree1[i][k] != tree2[j][k]) nhits2++;
489                        }
490                        if((nhits1 == nseqs) || (nhits2 == nseqs)) hits[i]++;
491                }
492        }
493}
494
495
496
497
498void print_tree(char **tree_description, FILE *tree, int *totals)
499{
500        int row,col;
501
502        fprintf(tree,"\n");
503
504        for(row=1; row<=nseqs-3; row++)  {
505                fprintf(tree," \n");
506                for(col=1; col<=nseqs; col++) { 
507                        if(tree_description[row][col] == 0)
508                                fprintf(tree,"*");
509                        else
510                                fprintf(tree,".");
511                }
512                if(totals[row] > 0)
513                        fprintf(tree,"%7d",totals[row]);
514        }
515        fprintf(tree," \n");
516        for(col=1; col<=nseqs; col++) 
517                fprintf(tree,"%1d",tree_description[nseqs-2][col]);
518        fprintf(tree,"\n");
519}
520
521
522
523void dna_distance_matrix(FILE *tree)
524{   
525        int m,n,j,i;
526        int res1, res2;
527        double p,q,e,a,b,k;     
528
529        tree_gap_delete();  /* flag positions with gaps (tree_gaps[i] = 1 ) */
530       
531        if(verbose) {
532                fprintf(tree,"\n");
533                fprintf(tree,"\n DIST   = percentage divergence (/100)");
534                fprintf(tree,"\n p      = rate of transition (A <-> G; C <-> T)");
535                fprintf(tree,"\n q      = rate of transversion");
536                fprintf(tree,"\n Length = number of sites used in comparison");
537                fprintf(tree,"\n");
538            if(tossgaps) {
539                fprintf(tree,"\n All sites with gaps (in any sequence) deleted!");
540                fprintf(tree,"\n");
541            }
542            if(kimura) {
543                fprintf(tree,"\n Distances corrected by Kimura's 2 parameter model:");
544                fprintf(tree,"\n\n Kimura, M. (1980)");
545                fprintf(tree," A simple method for estimating evolutionary ");
546                fprintf(tree,"rates of base");
547                fprintf(tree,"\n substitutions through comparative studies of ");
548                fprintf(tree,"nucleotide sequences.");
549                fprintf(tree,"\n J. Mol. Evol., 16, 111-120.");
550                fprintf(tree,"\n\n");
551            }
552        }
553
554        for(m=1;   m<nseqs;  ++m)     /* for every pair of sequence */
555        for(n=m+1; n<=nseqs; ++n) {
556                p = q = e = 0.0;
557                tmat[m][n] = tmat[n][m] = 0.0;
558                for(i=1; i<=seqlen_array[1]; ++i) {
559                        j = boot_positions[i];
560                        if(tossgaps && (tree_gaps[j] > 0) ) 
561                                goto skip;          /* gap position */
562                        res1 = seq_array[m][j];
563                        res2 = seq_array[n][j];
564                        if( (res1 < 1) || (res2 < 1) ) 
565                                goto skip;          /* gap in a seq*/
566                        e = e + 1.0;
567                        if(res1 != res2) {
568                                if(transition(res1,res2))
569                                        p = p + 1.0;
570                                else
571                                        q = q + 1.0;
572                        }
573                        skip:;
574                }
575
576
577        /* Kimura's 2 parameter correction for multiple substitutions */
578
579                if(!kimura) {
580                        k = (p+q)/e;
581                        if(p > 0.0)
582                                p = p/e;
583                        else
584                                p = 0.0;
585                        if(q > 0.0)
586                                q = q/e;
587                        else
588                                q = 0.0;
589                        tmat[m][n] = tmat[n][m] = k;
590                        if(verbose)                    /* if screen output */
591                                fprintf(tree,       
592             "%4d vs.%4d:  DIST = %7.4f; p = %6.4f; q = %6.4f; length = %6.0f\n"
593                                 ,m,n,k,p,q,e);
594                }
595                else {
596                        if(p > 0.0)
597                                p = p/e;
598                        else
599                                p = 0.0;
600                        if(q > 0.0)
601                                q = q/e;
602                        else
603                                q = 0.0;
604                        a = 1.0/(1.0-2.0*p-q);
605                        b = 1.0/(1.0-2.0*q);
606                        k = 0.5*log(a) + 0.25*log(b);
607                        tmat[m][n] = tmat[n][m] = k;
608                        if(verbose)                      /* if screen output */
609                                fprintf(tree,
610             "%4d vs.%4d:  DIST = %7.4f; p = %6.4f; q = %6.4f; length = %6.0f\n"
611                                ,m,n,k,p,q,e);
612
613                }
614        }
615}
616
617
618
619void prot_distance_matrix(FILE *tree)
620{
621        int m,n,j,i;
622        int res1, res2;
623        double p,e,k;
624
625        tree_gap_delete();  /* flag positions with gaps (tree_gaps[i] = 1 ) */
626       
627        if(verbose) {
628                fprintf(tree,"\n");
629                fprintf(tree,"\n DIST   = percentage divergence (/100)");
630                fprintf(tree,"\n Length = number of sites used in comparison");
631                fprintf(tree,"\n\n");
632                if(tossgaps) {
633                        fprintf(tree,"\n All sites with gaps (in any sequence) deleted");
634                        fprintf(tree,"\n");
635                }
636                if(kimura) {
637                        fprintf(tree,"\n Distances corrected by Kimura's empirical method:");
638                        fprintf(tree,"\n\n Kimura, M. (1983)");
639                        fprintf(tree," The Neutral Theory of Molecular Evolution.");
640                        fprintf(tree,"\n Cambridge University Press, Cambridge, England.");
641                        fprintf(tree,"\n\n");
642                }
643        }
644
645        for(m=1;   m<nseqs;  ++m)     /* for every pair of sequence */
646        for(n=m+1; n<=nseqs; ++n) {
647                p = e = 0.0;
648                tmat[m][n] = tmat[n][m] = 0.0;
649                for(i=1; i<=seqlen_array[1]; ++i) {
650                        j = boot_positions[i];
651                        if(tossgaps && (tree_gaps[j] > 0) ) goto skip; /* gap position */
652                        res1 = seq_array[m][j];
653                        res2 = seq_array[n][j];
654                        if( (res1 < 1) || (res2 < 1) )  goto skip;   /* gap in a seq*/
655                        e = e + 1.0;
656                        if(res1 != res2) p = p + 1.0;
657                        skip:;
658                }
659
660                if(p <= 0.0) 
661                        k = 0.0;
662                else
663                        k = p/e;
664
665                if(kimura) 
666                        if(k > 0.0) k = - log(1.0 - k - (k * k/5.0) );
667
668                tmat[m][n] = tmat[n][m] = k;
669                    if(verbose)                    /* if screen output */
670                        fprintf(tree,       
671                         "%4d vs.%4d  DIST = %6.4f;  length = %6.0f\n",m,n,k,e);
672        }
673}
674
675
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.