【第5回】ゼロから始めるゲノム解析（Python編）

2021/12/23 (木) 【第5回】ゼロから始めるゲノム解析（Python編） 資料

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1. 【第5回】ゼロから始めるゲノム解析 （Python編） Computing GC Content: Parsing FASTA and Analyzing Sequences @kimoton
2. 本勉強会の概要・目的 書籍名 対象者/目的 Mastering Python for Bioinformatics Python・バイオインフォ知識ほぼゼロの人 を対象に、正しいPythonのコーディング手 法について学ぶ 頻度 毎週〜隔週開催予定 登壇者 募集中！
3. Rosalindとは • 問題解決を通じてバイオインフォマティク ス、プログラミング、およびアルゴリズムを 学習するためのプラットフォーム • 大学やハッカソン、就職の面接にも 600回 以上の採用実績あり 参考：https://qiita.com/_kimoton/items/d534d0fa9b83dd7dc412 概要
4. 環境構築 - 必要パッケージ群のインストール # 公開されているレポジトリからファイル群を取得 $ git clone https://github.com/kyclark/biofx_python $ cd biofx_python # requirements.txt に記載のパッケージをインストール $ pip3 install -r requirements.txt # pylintの設定ファイルをホームディレクトリに移動 $ cp pylintrc ~/.pylintrc # mypyの設定ファイルをホームディレクトリに移動 $ cp mypy.ini ~/.mypy.ini
5. 本日のお題 GC含量（%）を計算せよ https://rosalind.info/problems/gc/
6. 本日学ぶこと • Bio.Seqモジュールを用いたFASTAファイルのパースの仕方 • 標準入力の受け取り方 • formatメソッドを用いた文字列フォーマットの仕方 • リスト内包表記、filter()関数、map()関数を用いたforループの書き換 え • 正規表現を用いた文字列内のパターンカウント
7. 前提知識編
8. ファイル入力の渡し方 読み取り可能なファイルを入力としたい場合、argparseではtypeで指定する。 これを指定すると、読み取り不可能なを入力とした際にエラーで弾くことができる def get_args() -> Args: """ Get command-line arguments """ parser = argparse.ArgumentParser( description='Compute GC content', formatter_class=argparse.ArgumentDefaultsHelpFormatter) parser.add_argument('file', metavar='FILE', type=argparse.FileType('rt'), nargs='?', default=sys.stdin, help='Input sequence file') args = parser.parse_args() return Args(args.file)
9. FASTAファイル 今回の入力フォーマットはFASTAファイルとなっている。 「>」から始まる配列IDと複数行の配列情報から構成される。 $ cat tests/inputs/1.fa >Rosalind_6404 CCTGCGGAAGATCGGCACTAGAATAGCCAGAACCGTTTCTCTGAGGCTTCCGGCCTTCCC TCCCACTAATAATTCTGAGG >Rosalind_5959 CCATCGGTAGCGCATCCTTAGTCCAATTAAGTCCCTATCCAGGCGCTCCGCCGAAGGTCT ATATCCATTTGTCAGCAGACACGC >Rosalind_0808 CCACCCTCGTGGTATGGCTAGGCATTCAGGAACCGGAGAACGCTTCAGACCAGCCCGGAC TGGGAACCTGCGGGCAGTAGGTGGAAT
10. Bio.SeqIOモジュールを使った配列解析 SeqIOモジュールを使うとバイオ系のフォーマットを適切に扱うことができる >>> from Bio import SeqIO >>> recs = SeqIO.parse('tests/inputs/1.fa', 'fasta') >>> type(recs) <class 'Bio.SeqIO.FastaIO.FastaIterator'> >>> rec = next(recs) >>> type(rec) <class 'Bio.SeqRecord.SeqRecord'> 1 1 第１引数にファイル名、第２引数にファイルのフォーマットを指定する 2 返り値はイテレータとなっている 2 3 3 イテレータの中身はSeqRecordクラスのオブジェクトが格納されている
11. SeqRecordクラス SeqIOモジュールで読み取ったデータはSeqRecordクラスのオブジェクトとして扱う >>> rec SeqRecord( seq=Seq('CCTGCGGAAGATCGGCACTAGAATAGCCAGAACCGTTTCTCTGAGGCTTCCGGC...AGG'), id='Rosalind_6404', name='Rosalind_6404', description='Rosalind_6404', dbxrefs=[] ) 1 1 seq属性には、FASTAファイルに含まれていた配列のSeqオブジェクトが格納され ている 2 id属性には、FASTAファイルに含まれていた配列IDが格納される 2 3 他にもnameやdescriptionといった情報が格納できる。 3
12. SeqRecordクラスからの配列情報の取り出し 配列情報は.seq属性に含まれている。 Seqオブジェクトとして扱うと配列に係わる様々な便利なモジュールが使える。 # 配列情報の取り出し >>> rec.seq Seq('CCTGCGGAAGATCGGCACTAGAATAGCCAGAACCGTTTCTCTGAGGCTTCCGGC...AGG') # 相補鎖配列を使用する場合は reverse_complement メソッドを使う（第３回の内容） >>> rec.seq.reverse_complement() Seq('CCTCAGAATTATTAGTGGGAGGGAAGGCCGGAAGCCTCAGAGAAACGGTTCTGG...AGG') 参考：https://biopython.org/docs/1.75/api/Bio.Seq.html
13. SeqIOモジュールを使ったループ処理 SeqIO.parseで読み取ったオブジェクトはイテレータなのでforループで逐次的に値を取り出せる >>> recs = SeqIO.parse('tests/inputs/1.fa', 'fasta') >>> for rec in recs: ... print(rec.id, rec.seq[:10]) ... Rosalind_6404 CCTGCGGAAG Rosalind_5959 CCATCGGTAG Rosalind_0808 CCACCCTCGT # イテレータが値を出し尽くすと、中身は空 >>> for rec in recs: ... print(rec.id, rec.seq[:10]) ...
14. GC含量（個数）の算出 純粋にGC含量（個数）をカウントする場合以下のように実装すればよい seq = 'CCACCCTCGTGGTATGGCT' gc = 0 for base in seq: if base in ('G', 'C'): gc += 1 1 1 GC含量を格納する変数を0で初期化 2 seqに格納された文字列 をイテレーション 3 ループしている文字列がGまたはCのいずれかであればカウントアップ 2 3
15. formatメソッドを用いた文字列フォーマット # formatメソッドを使う場合 >>> '{:0.6f}'.format(gc * 100 / len(seq)) '63.157895' # f文字列を使う場合 >>> f'{gc * 100 / len(seq):0.6f}' '63.157895' foramtメソッドやf文字列を使用すると、 {}をプレースホルダーとして使用することで変数を文字列 に埋め込める。また、「 :」の後に表示したい任意の桁数を指定することができる。
16. 解法編
17. 解法１～３ demo 解法１ 1. 配列IDごとにループし、GC含量とIDをセットにしたタプルを作成 2. 最大のGC含量を持つタプルを max()関数で取得し、f文字列で必要な情報 を出力 解法２ 解法１を以下によって改善 1. 名前付きタプルを使用 2. テストを実装 解法３ 解法２を以下によって改善（メモリ効率） 1. GC含量最大のデータのみを保持するようにループを回す
18. 解法４～８ demo 解法４ ループをリスト内包表記に書き換え 解法５ ループをfilter()関数を使って書き換え 解法６ ループをmap()関数を使って書き換え 解法７ 正規表現を使った検索の実装＆処理の関数化 解法８ 単体テストを実装