DNA序列对齐问题
一、问题描述
该问题在算法导论中引申自求解两个DNA序列相似度的问题。
可以从很多角度定义两个DNA序列的相似度,其中有一种定义方法就是通过序列对齐的方式来定义其相似度。
给定两个DNA序列A和B,对齐的方式是将空格分别插入到A和B序列中,得到具有相同长度的对齐后的序列C和D;空格可以插入到任意的位置(包括两端),但是相同位置不能同时为空格,也即是不存在C[i]和D[i]同时为空格的情况。然后为对齐后的序列的每个位置打分,总分为每个位置得分之和,具体的打分规则如下:
a、如果C[i] == D[i]且都不是空格,得3分;
b、如果C[i] != D[j]且都不是空格,得1分;
c、如果C[i] 或者D[i]是空格,得0分。
求给定原序列A和B的一个对齐方案,使得该对齐方案的总分最高。
例如,序列原序列A和B如下:
String strA = "GATC";
String strB = "ATCG";
则其中一个对齐方案如下:
GATC*
*ATCG
该方案总得分score=2*0+3*3 = 9分。
实际上这是最优的对齐方案,在所有的对齐方案中总得分最高为9分。
二、问题分析
为了用更加简单的方式来表示对齐的方案,我们尝试用一些特定的字符记号来表示对齐方案,对此,首先做一个约定,对于打分规则:
1、情况a用“=”字符标记;
2、情况b用“~”字符标记;
3、情况c用“*”字符标记,但是情况c实际上可以细分为两种情况:C[i]为空格时用“+”标记,D[i]为空格时用“-”号标记。这样用“+”和“-”细分的表示相比于统一用“*”来表示,本质的区别在于让对齐方案具有所谓的“方向性”,后面会看到这样的细分对于算法的实现有一定的好处。
有了这样的约定,可以将一个对齐方案用这些字符表示出来,该字符串称之为一个对齐规则字符串R。
例如上面的例子中,对齐规则就可以用字符串“-===+”来表示。
可以推断,任何两个原序列的对齐规则字符串R的长度必然满足:

只要能够求得最优对齐方案的对齐规则字符串,就可以计算出最高分数,还可以还原出各自的对齐序列。
考察该问题的最优子结构性质,与最长公共子序列思考的角度比较类似,
用C(i,j)表示序列A[0]...A[i]和序列B[0]...B[j]的最优对齐方案的得分,不难得出其初始条件和递推求解式:

用R(i,j)表示序列A[0]...A[i]和序列B[0]...B[j]的最优对齐方案的对齐规则字符串,结合上面的递推求解式,不难推出对齐规则字符串的运算规则:

三、算法实现
package agdp;
public class Alignment {
//根据对齐骨规则生成相应的对齐后的字符串
private static String[] generate(String base,String ...origin){
int num = origin.length;
String[] align = new String[num];
for (int i = 0; i < num; i++) {
if (origin[i].length() == base.length()) {
align[i] = origin[i];
}else {//base.length()只能是等于或者大于两个原字符串的长度
String tmp = "";
for (int j = 0,k = 0; j < base.length(); j++) {
if (base.charAt(j) == '+') {
if (i == 0) {tmp = tmp+"*";}
else{tmp = tmp+origin[i].charAt(k++);}
}else if(base.charAt(j) == '-'){
if (i == 0) {tmp = tmp+origin[i].charAt(k++);}
else{tmp = tmp+"*";}
}
else {
tmp = tmp+origin[i].charAt(k++);
}
}
align[i] = tmp;
}
}
return align;
}
public static String align(String strA,String strB){
int m = strA.length(),n = strB.length(),tmp;
//aux数组记录子问题的最有对齐方案的分数,也即子问题的最高分数。
int[][] aux = new int[m+1][n+1];
//rule数组记录对齐方案,分别用"+"、"-"、"="和"~"记录四种情况。
String[][] rule = new String[m+1][n+1];
//rule初始化
rule [0][0] = "";
for (int i = 1; i < m+1; i++) {
rule[i][0] = rule[i-1][0]+"-";
}
for (int i = 1; i < n+1; i++) {
rule[0][i] = rule[0][i-1]+"+";
}
for (int i = 1; i <= m; i++) {
for (int j = 1; j <= n; j++) {
if (strA.charAt(i-1) == strB.charAt(j-1)) {
aux[i][j] = aux[i-1][j-1]+3;
rule[i][j] = rule[i-1][j-1] + "=";//A[i]==B[j]:->"="
}else {
tmp = Math.max(Math.max(aux[i-1][j], aux[i][j-1]), aux[i-1][j-1]+1);
aux[i][j] = tmp;
if (tmp == aux[i-1][j-1]-1) {//A[i]!=B[j]且A[i]和 B[j]不为空字符:->"~"
rule[i][j] = rule[i-1][j-1]+"~";
}else if(tmp == aux[i-1][j]-2){//B[i]为空字符:->"-"
rule[i][j] = rule[i-1][j]+"-";
}else{
rule[i][j] = rule[i][j-1]+"+";//A[i]为空字符:->"+"
}
}
}
}
//格式化输出aux数组
for (int i = 0; i < m+1; i++) {
for (int j = 0; j < n+1; j++) {
System.out.format("%3d",aux[i][j]);
}
System.out.println();
}
//格式化输出rule数组
for (int i = 0; i < m+1; i++) {
for (int j = 0; j < n+1; j++) {
System.out.format("%-15s",rule[i][j]);
}
System.out.println();
}
//返回最优的对齐方法对应的规则
return rule[m][n];
}
//根据规则字符串计算分数
public static int getScore(String ruleStr){
int score = 0;
for (int i = 0; i < ruleStr.length(); i++) {
if (ruleStr.charAt(i) == '=') {
score += 3;
}else if (ruleStr.charAt(i) == '~') {
score += 1;
}
}
return score;
}
public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
int[] scoreAry = {3,1,0,0};
// String strA = "GATCGGCAT";
// String strB = "CAATGTGAATC";
String strA = "GATC";
String strB = "ATCG";
// String strA = "GAC";
// String strB = "ATCG";
String ruleStr = align(strA, strB);
System.out.println(ruleStr);
int score = getScore(ruleStr);
System.out.println(score);
String[] alignStr = generate(ruleStr, strA,strB);
for(String str:alignStr){
System.out.println(str);
}
}
}
还是以原始序列“GATC”和“ATCG”为例:
其子问题的得分的计算如下:

子问题的对齐规则字符串的计算如下:

需要特别注意的是,用“+”和“-”号来区分打分情况c后,对齐规则字符串是具有“方向性”的,也就是说对齐规则“-===+”是指从A->B方向的对齐规则。那如果需要B->A的对齐规则,只需要将对齐规则的字符串中+“和”-”相互替换即可。
实际上,从DNA序列对齐问题过渡到编辑距离问题是很比较自然的。本文也有意识的将这两个问题联系在一起,编辑距离问题见下一篇博文。
参考资料:
算法导论.第十五章 习题15-5
转载请注明原文出处:
http://www.cnblogs.com/qcblog/p/7820140.html
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