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[人工智能]python实现两个DNA序列(sequences)对齐并绘图

1. DNA sequences alignment

两个DNA序列如下:

sequence_A = "AGGCTATCACCTGACCTCCAGGCCGATGCCC"
sequence_B = "TAGCTATCACGACCGCGGTCGATTTGCCCGAC"

2. 对齐代码

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib import rcParams
from collections import namedtuple
rcParams['font.family'] = 'serif'
rcParams['font.size'] = 5
match = 8
mismatch = -5
gap = -3
score_tuple = namedtuple('score_tuple', ('score', 'point_position'))


def init_array(x, y):
    array = [[0] * y for _ in range(x)]
    array[0][0] = score_tuple(0, None)
    for j in range(1, y):
        array[0][j] = score_tuple(gap * j, [0, j - 1])
    for i in range(1, x):
        array[i][0] = score_tuple(gap * i, [i - 1, 0])
    return array


def compute(array, seq1, seq2):
    row, col = len(seq2), len(seq1)
    for i in range(1, row + 1):
        for j in range(1, col + 1):
            if seq1[j - 1] == seq2[i - 1]:
                s = match
            else:
                s = mismatch
            lu = [array[i - 1][j - 1].score+s, [i - 1, j - 1]]
            left = [array[i - 1][j].score + gap, [i - 1, j]]
            up = [array[i][j - 1].score + gap, [i, j - 1]]
            max_choice = max([lu, left, up], key=lambda x: x[0])
            score = max_choice[0]
            point_position = max_choice[1]
            array[i][j] = score_tuple(score, point_position)
    return array


def backtrack(array, seq1, seq2):
    s1 = []
    s2 = []
    row, col = len(seq2), len(seq1)
    while array[row][col].score != 0:
        i, j = array[row][col].point_position
        if i + 1 == row and j + 1 == col:
            s1.append(seq1[col - 1])
            s2.append(seq2[row - 1])
            row, col = i, j
        elif row == i + 1 and col == j:
            s1.append("-")
            s2.append(seq2[i])
            row, col = i, j
        elif row == i and col == j + 1:
            s1.append(seq1[j])
            s2.append("-")
            row, col = i, j
    s1 = ''.join(s1[::-1])
    s2 = ''.join(s2[::-1])
    return s1, s2


def main(seq1, seq2):
    x, y = len(seq2) + 1, len(seq1) + 1
    array = compute(init_array(x, y), seq1, seq2)
    value, total_value = [], []
    for j in range(len(array)):
        for i in range(len(array[j])):
            value.append(array[j][i].score)
        total_value.extend([value])
        value = []
    m = len(array)
    n = len(array[0])
    for column, row in enumerate(total_value):
        plt.text(5, 10 * column + 15, seq2[column - 1], horizontalalignment='center', verticalalignment='center')
        for line, num in enumerate(row):
            if column == 0:
                plt.text(10 * line + 15, 5, seq1[line - 1], horizontalalignment='center', verticalalignment='center')
            plt.text(10 * line + 15, 10 * column + 15, num, horizontalalignment='center', verticalalignment='center')

    plt.axis([0, 10 * (n + 1), 10 * (m + 1), 0])
    plt.xticks(np.linspace(0, 10 * (n + 1), n + 2), [])
    plt.yticks(np.linspace(0, 10 * (m + 1), m + 2), [])
    plt.grid(linestyle="solid")
    plt.show()
    s1, s2 = backtrack(array, seq1, seq2)
    max_score = array[x-1][y-1].score
    print("最大得分:%d\n sequence1:%s\n sequence2:%s" % (max_score, s1, s2))


if __name__ == '__main__':
    sequence_A = "AGGCTATCACCTGACCTCCAGGCCGATGCCC"
    sequence_B = "TAGCTATCACGACCGCGGTCGATTTGCCCGAC"
    main(sequence_A, sequence_B)

3. 图以及输出结果

绘图结果:
在这里插入图片描述
输出结果:

最大得分:149
sequence1:-AGGCTATCACCTGACCTCCAGGCCGA--TG-CC--C
sequence2:TA-GCTATCA-C-GACC-GC-GGTCGATTTGCCCGAC

手描图:
在这里插入图片描述
后面这个折线画起来太麻烦了,所以直接用手画了

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