使用Python腳本提取基因組指定位置序列
引言
在基因組分析中,我們經(jīng)常會有這么一個需求,就是在一個fasta文件中提取一些序列出來。有時這些序列是一段完整的序列,而有時僅僅為原fasta文件中某段序列的一部分。特別是當(dāng)數(shù)據(jù)量很多時,使用肉眼去挑選序列會很吃力,那么這時我們就可以通過簡單的編程去實現(xiàn)了。
例如此處在網(wǎng)盤附件中給定了某物種的全基因組序列(0-refer/ Bacillus_subtilis.str168.fasta),及其基因組gff注釋文件(0-refer/ Bacillus_subtilis.str168.gff)。
假設(shè)在這里我們對該物種進行研究,通過gff注釋文件中的基因功能描述字段,加上對相關(guān)資料的查閱等,定位到了一些特定的基因。
接下來我們期望基于gff文件中對這些基因位置的描述,在全基因組序列fasta文件中將這些基因找到并提取出來,得到一個新的fasta文件,新文件中只包含目的基因序列。
請使用python3編寫一個可以實現(xiàn)該功能的腳本。
示例
一個示例腳本如下(可參見網(wǎng)盤附件“seq_select1.py”)。
為了實現(xiàn)以上目的,我們首先需要準(zhǔn)備一個txt文件(以下稱其為list文件,示例list.txt可參見網(wǎng)盤附件),基于gff文件中所記錄的基因位置信息,填入類似以下的內(nèi)容(列與列之間以tab分隔)。
#下列內(nèi)容保存到list.txt gene46 NC_000964.3 42917 43660 + NP_387934.1 NC_000964.3 59504 60070 + yfmC NC_000964.3 825787 826734 - cds821 NC_000964.3 885844 886173 -
第1列,給所要獲取的新序列命個名稱;
第2列,所要獲取的序列所在原序列ID;
第3列,所要獲取的序列在原序列中的起始位置;
第4列,所要獲取的序列在原序列中的終止位置;
第5列,所要獲取的序列位于原序列的正鏈(+)或負鏈(-)。
之后根據(jù)輸入文件,即輸入fasta文件及記錄所要獲取序列位置的list文件中的內(nèi)容,編輯py腳本。
打開fasta文件“Bacillus_subtilis.scaffolds.fasta”,使用循環(huán)逐行讀取其中的序列id及堿基序列,并將每條序列的所有堿基合并為一個字符串;將序列id及該序列合并后的堿基序列以字典的形式存儲(字典樣式{'id':'base'})。
打開list文件“list.txt”,讀取其中的內(nèi)容,存儲到字典中。字典的鍵為list文件中的第1列內(nèi)容;字典的值為list文件中第2-5列的內(nèi)容,并按tab分割得到一個列表,包含4個字符分別代表list文件中第2-5列的信息)。
最后根據(jù)讀取的list文件中序列位置信息,在讀取的基因組中截取目的基因序列。由于某些基因序列可能位于基因組負鏈中,需取其反向互補序列,故首先定義一個函數(shù)rev(),用于在后續(xù)調(diào)用得到反向互補序列。在輸出序列名稱時,還可選是否將該序列的位置信息一并輸出(name_detail = True/False)。
<pre class="r" style="overflow-wrap: break-word; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial; margin-top: 0px; margin-bottom: 10px; padding: 9.5px; border-radius: 4px; background-color: rgb(245, 245, 245); box-sizing: border-box; overflow: auto; font-size: 13px; line-height: 1.42857; color: rgb(51, 51, 51); word-break: break-all; border: 1px solid rgb(204, 204, 204); font-family: "Times New Roman";">#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*- #初始傳遞命令 input_file = 'Bacillus_subtilis.str168.fasta' list_file = 'list.txt' output_file = 'gene.fasta' name_detail = True ##讀取文件 #讀取基因組序列 seq_file = {} with open(input_file, 'r') as input_fasta: for line in input_fasta: line = line.strip() if line[0] == '>': seq_id = line.split()[0] seq_file[seq_id] = '' else: seq_file[seq_id] += line input_fasta.close() #讀取列表文件 list_dict = {} with open(list_file, 'r') as list_table: for line in list_table: if line.strip(): line = line.strip().split('\t') list_dict[line[0]] = [line[1], int(line[2]) - 1, int(line[3]), line[4]] list_table.close() ##截取序列并輸出 #定義函數(shù),用于截取反向互補 def rev(seq): base_trans = {'A':'T', 'C':'G', 'T':'A', 'G':'C', 'N':'N', 'a':'t', 'c':'g', 't':'a', 'g':'c', 'n':'n'} rev_seq = list(reversed(seq)) rev_seq_list = [base_trans[k] for k in rev_seq] rev_seq = ''.join(rev_seq_list) return(rev_seq) #截取序列并輸出 output_fasta = open(output_file, 'w') for key,value in list_dict.items(): if name_detail: print('>' + key, '[' + value[0], value[1] + 1, value[2], value[3] + ']', file = output_fasta) else: print('>' + key, file = output_fasta) seq = seq_file['>' + value[0]][value[1]:value[2]] if value[3] == '+': print(seq, file = output_fasta) elif value[3] == '-': seq = rev(seq) print(seq, file = output_fasta) output_fasta.close()</pre>
編輯該腳本后運行,輸出新的fasta文件“gene.fasta”,其中的序列即為我們所想要得到的目的基因序列。
擴展:
網(wǎng)盤附件“seq_select.py”為添加了命令傳遞行的python3腳本,可在shell中直接進行目標(biāo)文件的I/O處理。該腳本可指定輸入fasta序列文件以及記錄有所需提取序列位置的列表文件,輸出的新fasta文件即為提取出的序列。
#!/usr/bin/env python3 # -*- coding: utf-8 -*- #導(dǎo)入模塊,初始傳遞命令、變量等 import argparse parser = argparse.ArgumentParser(description = '\n該腳本用于在基因組特定位置截取序列,需額外輸入記錄有截取序列信息的列表文件', add_help = False, usage = '\npython3 seq_select.py -i [input.fasta] -o [output.fasta] -l [list]\npython3 seq_select.py --input [input.fasta] --output [output.fasta] --list [list]') required = parser.add_argument_group('必選項') optional = parser.add_argument_group('可選項') required.add_argument('-i', '--input', metavar = '[input.fasta]', help = '輸入文件,fasta 格式', required = True) required.add_argument('-o', '--output', metavar = '[output.fasta]', help = '輸出文件,fasta 格式', required = True) required.add_argument('-l', '--list', metavar = '[list]', help = '記錄“新序列名稱/序列所在原序列ID/序列起始位置/序列終止位置/正鏈(+)或負鏈(-)”的文件,以 tab 作為分隔', required = True) optional.add_argument('--detail', action = 'store_true', help = '若該參數(shù)存在,則在輸出 fasta 的每條序列 id 中展示序列在原 fasta 中的位置信息', required = False) optional.add_argument('-h', '--help', action = 'help', help = '幫助信息') args = parser.parse_args() ##讀取文件 #讀取基因組序列 seq_file = {} with open(args.input, 'r') as input_fasta: for line in input_fasta: line = line.strip() if line[0] == '>': seq_id = line.split()[0] seq_file[seq_id] = '' else: seq_file[seq_id] += line input_fasta.close() #讀取列表文件 list_dict = {} with open(args.list, 'r') as list_file: for line in list_file: if line.strip(): line = line.strip().split('\t') list_dict[line[0]] = [line[1], int(line[2]) - 1, int(line[3]), line[4]] list_file.close() ##截取序列并輸出 #定義函數(shù),用于截取反向互補 def rev(seq): base_trans = {'A':'T', 'C':'G', 'T':'A', 'G':'C', 'a':'t', 'c':'g', 't':'a', 'g':'c'} rev_seq = list(reversed(seq)) rev_seq_list = [base_trans[k] for k in rev_seq] rev_seq = ''.join(rev_seq_list) return(rev_seq) #截取序列并輸出 output_fasta = open(args.output, 'w') for key,value in list_dict.items(): if args.detail: print('>' + key, '[' + value[0], value[1] + 1, value[2], value[3] + ']', file = output_fasta) else: print('>' + key, file = output_fasta) seq = seq_file['>' + value[0]][value[1]:value[2]] if value[3] == '+': print(seq, file = output_fasta) elif value[3] == '-': seq = rev(seq) print(seq, file = output_fasta) output_fasta.close()
適用上述示例中的測試文件,運行該腳本的方式如下。
#python3 seq_select.py -h python3 seq_select.py -i Bacillus_subtilis.str168.fasta -l list.txt -o gene.fasta --detail
源碼提取鏈接: https://pan.baidu.com/s/1kUhBTmpDonCskwmpNIJPkA?pwd=ih9n
提取碼: ih9n
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