bcftools/call1.c

   1 #include <unistd.h>
   2 #include <stdlib.h>
   3 #include <math.h>
   4 #include <zlib.h>
   5 #include <errno.h>
   6 #include "bcf.h"
   7 #include "prob1.h"
   8 #include "kstring.h"
   9
  10 #include "khash.h"
  11 KHASH_SET_INIT_INT64(set64)
  12
  13 #include "kseq.h"
  14 KSTREAM_INIT(gzFile, gzread, 16384)
  15
  16 #define VC_NO_GENO 2
  17 #define VC_BCFOUT  4
  18 #define VC_CALL    8
  19 #define VC_VARONLY 16
  20 #define VC_VCFIN   32
  21 #define VC_UNCOMP  64
  22 #define VC_HWE     128
  23 #define VC_KEEPALT 256
  24 #define VC_ACGT_ONLY 512
  25 #define VC_QCALL   1024
  26 #define VC_CALL_GT 2048
  27 #define VC_ADJLD   4096
  28 #define VC_NO_INDEL 8192
  29 #define VC_FOLDED 16384
  30
  31 typedef struct {
  32         int flag, prior_type, n1;
  33         char *fn_list, *prior_file;
  34         double theta, pref, indel_frac;
  35 } viewconf_t;
  36
  37 khash_t(set64) *bcf_load_pos(const char *fn, bcf_hdr_t *_h)
  38 {
  39         void *str2id;
  40         gzFile fp;
  41         kstream_t *ks;
  42         int ret, dret, lineno = 1;
  43         kstring_t *str;
  44         khash_t(set64) *hash = 0;
  45
  46         hash = kh_init(set64);
  47         str2id = bcf_build_refhash(_h);
  48         str = calloc(1, sizeof(kstring_t));
  49         fp = strcmp(fn, "-")? gzopen(fn, "r") : gzdopen(fileno(stdin), "r");
  50         ks = ks_init(fp);
  51         while (ks_getuntil(ks, 0, str, &dret) >= 0) {
  52                 int tid = bcf_str2id(str2id, str->s);
  53                 if (tid >= 0 && dret != '\n') {
  54                         if (ks_getuntil(ks, 0, str, &dret) >= 0) {
  55                                 uint64_t x = (uint64_t)tid<<32 | (atoi(str->s) - 1);
  56                                 kh_put(set64, hash, x, &ret);
  57                         } else break;
  58                 } else fprintf(stderr, "[%s] %s is not a reference name (line %d).\n", __func__, str->s, lineno);
  59                 if (dret != '\n') while ((dret = ks_getc(ks)) > 0 && dret != '\n');
  60                 if (dret < 0) break;
  61                 ++lineno;
  62         }
  63         bcf_str2id_destroy(str2id);
  64         ks_destroy(ks);
  65         gzclose(fp);
  66         free(str->s); free(str);
  67         return hash;
  68 }
  69
  70 static double test_hwe(const double g[3])
  71 {
  72         extern double kf_gammaq(double p, double x);
  73         double fexp, chi2, f[3], n;
  74         int i;
  75         n = g[0] + g[1] + g[2];
  76         fexp = (2. * g[2] + g[1]) / (2. * n);
  77         if (fexp > 1. - 1e-10) fexp = 1. - 1e-10;
  78         if (fexp < 1e-10) fexp = 1e-10;
  79         f[0] = n * (1. - fexp) * (1. - fexp);
  80         f[1] = n * 2. * fexp * (1. - fexp);
  81         f[2] = n * fexp * fexp;
  82         for (i = 0, chi2 = 0.; i < 3; ++i)
  83                 chi2 += (g[i] - f[i]) * (g[i] - f[i]) / f[i];
  84         return kf_gammaq(.5, chi2 / 2.);
  85 }
  86
  87 typedef struct {
  88         double p[4];
  89         int mq, depth, is_tested, d[4];
  90 } anno16_t;
  91
  92 static double ttest(int n1, int n2, int a[4])
  93 {
  94         extern double kf_betai(double a, double b, double x);
  95         double t, v, u1, u2;
  96         if (n1 == 0 || n2 == 0 || n1 + n2 < 3) return 1.0;
  97         u1 = (double)a[0] / n1; u2 = (double)a[2] / n2;
  98         if (u1 <= u2) return 1.;
  99         t = (u1 - u2) / sqrt(((a[1] - n1 * u1 * u1) + (a[3] - n2 * u2 * u2)) / (n1 + n2 - 2) * (1./n1 + 1./n2));
 100         v = n1 + n2 - 2;
 101 //      printf("%d,%d,%d,%d,%lf,%lf,%lf\n", a[0], a[1], a[2], a[3], t, u1, u2);
 102         return t < 0.? 1. : .5 * kf_betai(.5*v, .5, v/(v+t*t));
 103 }
 104
 105 static int test16_core(int anno[16], anno16_t *a)
 106 {
 107         extern double kt_fisher_exact(int n11, int n12, int n21, int n22, double *_left, double *_right, double *two);
 108         double left, right;
 109         int i;
 110         a->p[0] = a->p[1] = a->p[2] = a->p[3] = 1.;
 111         memcpy(a->d, anno, 4 * sizeof(int));
 112         a->depth = anno[0] + anno[1] + anno[2] + anno[3];
 113         a->is_tested = (anno[0] + anno[1] > 0 && anno[2] + anno[3] > 0);
 114         if (a->depth == 0) return -1;
 115         a->mq = (int)(sqrt((anno[9] + anno[11]) / a->depth) + .499);
 116         kt_fisher_exact(anno[0], anno[1], anno[2], anno[3], &left, &right, &a->p[0]);
 117         for (i = 1; i < 4; ++i)
 118                 a->p[i] = ttest(anno[0] + anno[1], anno[2] + anno[3], anno+4*i);
 119         return 0;
 120 }
 121
 122 static int test16(bcf1_t *b, anno16_t *a)
 123 {
 124         char *p;
 125         int i, anno[16];
 126         a->p[0] = a->p[1] = a->p[2] = a->p[3] = 1.;
 127         a->d[0] = a->d[1] = a->d[2] = a->d[3] = 0.;
 128         a->mq = a->depth = a->is_tested = 0;
 129         if ((p = strstr(b->info, "I16=")) == 0) return -1;
 130         p += 4;
 131         for (i = 0; i < 16; ++i) {
 132                 anno[i] = strtol(p, &p, 10);
 133                 if (anno[i] == 0 && (errno == EINVAL || errno == ERANGE)) return -2;
 134                 ++p;
 135         }
 136         return test16_core(anno, a);
 137 }
 138
 139 static void rm_info(bcf1_t *b, const char *key)
 140 {
 141         char *p, *q;
 142         if ((p = strstr(b->info, key)) == 0) return;
 143         for (q = p; *q && *q != ';'; ++q);
 144         if (p > b->info && *(p-1) == ';') --p;
 145         memmove(p, q, b->l_str - (q - b->str));
 146         b->l_str -= q - p;
 147         bcf_sync(b);
 148 }
 149
 150 static int update_bcf1(int n_smpl, bcf1_t *b, const bcf_p1aux_t *pa, const bcf_p1rst_t *pr, double pref, int flag)
 151 {
 152         kstring_t s;
 153         int is_var = (pr->p_ref < pref);
 154         double p_hwe, r = is_var? pr->p_ref : 1. - pr->p_ref;
 155         anno16_t a;
 156
 157         p_hwe = pr->g[0] >= 0.? test_hwe(pr->g) : 1.0; // only do HWE g[] is calculated
 158         test16(b, &a);
 159         rm_info(b, "I16=");
 160
 161         memset(&s, 0, sizeof(kstring_t));
 162         kputc('\0', &s); kputs(b->ref, &s); kputc('\0', &s);
 163         kputs(b->alt, &s); kputc('\0', &s); kputc('\0', &s);
 164         kputs(b->info, &s);
 165         if (b->info[0]) kputc(';', &s);
 166 //      ksprintf(&s, "AF1=%.4lg;AFE=%.4lg;CI95=%.4lg,%.4lg", 1.-pr->f_em, 1.-pr->f_exp, pr->cil, pr->cih);
 167         ksprintf(&s, "AF1=%.4lg;CI95=%.4lg,%.4lg", 1.-pr->f_em, pr->cil, pr->cih);
 168         ksprintf(&s, ";DP4=%d,%d,%d,%d;MQ=%d", a.d[0], a.d[1], a.d[2], a.d[3], a.mq);
 169         if (a.is_tested) {
 170                 if (pr->pc[0] >= 0.) ksprintf(&s, ";PC4=%lg,%lg,%lg,%lg", pr->pc[0], pr->pc[1], pr->pc[2], pr->pc[3]);
 171                 ksprintf(&s, ";PV4=%.2lg,%.2lg,%.2lg,%.2lg", a.p[0], a.p[1], a.p[2], a.p[3]);
 172         }
 173         if (pr->g[0] >= 0. && p_hwe <= .2)
 174                 ksprintf(&s, ";GC=%.2lf,%.2lf,%.2lf;HWE=%.3lf", pr->g[2], pr->g[1], pr->g[0], p_hwe);
 175         kputc('\0', &s);
 176         kputs(b->fmt, &s); kputc('\0', &s);
 177         free(b->str);
 178         b->m_str = s.m; b->l_str = s.l; b->str = s.s;
 179         b->qual = r < 1e-100? 99 : -4.343 * log(r);
 180         if (b->qual > 99) b->qual = 99;
 181         bcf_sync(b);
 182         if (!is_var) bcf_shrink_alt(b, 1);
 183         else if (!(flag&VC_KEEPALT))
 184                 bcf_shrink_alt(b, pr->rank0 < 2? 2 : pr->rank0+1);
 185         if (is_var && (flag&VC_CALL_GT)) { // call individual genotype
 186                 int i, x, old_n_gi = b->n_gi;
 187                 s.m = b->m_str; s.l = b->l_str - 1; s.s = b->str;
 188                 kputs(":GT:GQ", &s); kputc('\0', &s);
 189                 b->m_str = s.m; b->l_str = s.l; b->str = s.s;
 190                 bcf_sync(b);
 191                 for (i = 0; i < b->n_smpl; ++i) {
 192                         x = bcf_p1_call_gt(pa, pr->f_em, i);
 193                         ((uint8_t*)b->gi[old_n_gi].data)[i] = (x&3) == 0? 1<<3|1 : (x&3) == 1? 1 : 0;
 194                         ((uint8_t*)b->gi[old_n_gi+1].data)[i] = x>>2;
 195                 }
 196         }
 197         return is_var;
 198 }
 199
 200 double bcf_ld_freq(const bcf1_t *b0, const bcf1_t *b1, double f[4]);
 201
 202 int bcfview(int argc, char *argv[])
 203 {
 204         extern int bcf_2qcall(bcf_hdr_t *h, bcf1_t *b);
 205         extern void bcf_p1_indel_prior(bcf_p1aux_t *ma, double x);
 206         bcf_t *bp, *bout = 0;
 207         bcf1_t *b, *blast;
 208         int c;
 209         uint64_t n_processed = 0;
 210         viewconf_t vc;
 211         bcf_p1aux_t *p1 = 0;
 212         bcf_hdr_t *h;
 213         int tid, begin, end;
 214         char moder[4], modew[4];
 215         khash_t(set64) *hash = 0;
 216
 217         tid = begin = end = -1;
 218         memset(&vc, 0, sizeof(viewconf_t));
 219         vc.prior_type = vc.n1 = -1; vc.theta = 1e-3; vc.pref = 0.5; vc.indel_frac = -1.;
 220         while ((c = getopt(argc, argv, "fN1:l:cHAGvbSuP:t:p:QgLi:I")) >= 0) {
 221                 switch (c) {
 222                 case 'f': vc.flag |= VC_FOLDED; break;
 223                 case '1': vc.n1 = atoi(optarg); break;
 224                 case 'l': vc.fn_list = strdup(optarg); break;
 225                 case 'N': vc.flag |= VC_ACGT_ONLY; break;
 226                 case 'G': vc.flag |= VC_NO_GENO; break;
 227                 case 'A': vc.flag |= VC_KEEPALT; break;
 228                 case 'b': vc.flag |= VC_BCFOUT; break;
 229                 case 'S': vc.flag |= VC_VCFIN; break;
 230                 case 'c': vc.flag |= VC_CALL; break;
 231                 case 'v': vc.flag |= VC_VARONLY | VC_CALL; break;
 232                 case 'u': vc.flag |= VC_UNCOMP | VC_BCFOUT; break;
 233                 case 'H': vc.flag |= VC_HWE; break;
 234                 case 'g': vc.flag |= VC_CALL_GT | VC_CALL; break;
 235                 case 'I': vc.flag |= VC_NO_INDEL; break;
 236                 case 't': vc.theta = atof(optarg); break;
 237                 case 'p': vc.pref = atof(optarg); break;
 238                 case 'i': vc.indel_frac = atof(optarg); break;
 239                 case 'Q': vc.flag |= VC_QCALL; break;
 240                 case 'L': vc.flag |= VC_ADJLD; break;
 241                 case 'P':
 242                         if (strcmp(optarg, "full") == 0) vc.prior_type = MC_PTYPE_FULL;
 243                         else if (strcmp(optarg, "cond2") == 0) vc.prior_type = MC_PTYPE_COND2;
 244                         else if (strcmp(optarg, "flat") == 0) vc.prior_type = MC_PTYPE_FLAT;
 245                         else vc.prior_file = strdup(optarg);
 246                         break;
 247                 }
 248         }
 249         if (argc == optind) {
 250                 fprintf(stderr, "\n");
 251                 fprintf(stderr, "Usage:   bcftools view [options] <in.bcf> [reg]\n\n");
 252                 fprintf(stderr, "Options: -c        SNP calling\n");
 253                 fprintf(stderr, "         -v        output potential variant sites only (force -c)\n");
 254                 fprintf(stderr, "         -g        call genotypes at variant sites (force -c)\n");
 255                 fprintf(stderr, "         -b        output BCF instead of VCF\n");
 256                 fprintf(stderr, "         -u        uncompressed BCF output (force -b)\n");
 257                 fprintf(stderr, "         -S        input is VCF\n");
 258                 fprintf(stderr, "         -A        keep all possible alternate alleles at variant sites\n");
 259                 fprintf(stderr, "         -G        suppress all individual genotype information\n");
 260                 fprintf(stderr, "         -H        perform Hardy-Weinberg test (slower)\n");
 261                 fprintf(stderr, "         -N        skip sites where REF is not A/C/G/T\n");
 262                 fprintf(stderr, "         -Q        output the QCALL likelihood format\n");
 263                 fprintf(stderr, "         -L        calculate LD for adjacent sites\n");
 264                 fprintf(stderr, "         -I        skip indels\n");
 265                 fprintf(stderr, "         -f        reference-free variant calling\n");
 266                 fprintf(stderr, "         -1 INT    number of group-1 samples [0]\n");
 267                 fprintf(stderr, "         -l FILE   list of sites to output [all sites]\n");
 268                 fprintf(stderr, "         -t FLOAT  scaled substitution mutation rate [%.4lg]\n", vc.theta);
 269                 fprintf(stderr, "         -i FLOAT  indel-to-substitution ratio [%.4lg]\n", vc.indel_frac);
 270                 fprintf(stderr, "         -p FLOAT  variant if P(ref|D)<FLOAT [%.3lg]\n", vc.pref);
 271                 fprintf(stderr, "         -P STR    type of prior: full, cond2, flat [full]\n");
 272                 fprintf(stderr, "\n");
 273                 return 1;
 274         }
 275
 276         b = calloc(1, sizeof(bcf1_t));
 277         blast = calloc(1, sizeof(bcf1_t));
 278         strcpy(moder, "r");
 279         if (!(vc.flag & VC_VCFIN)) strcat(moder, "b");
 280         strcpy(modew, "w");
 281         if (vc.flag & VC_BCFOUT) strcat(modew, "b");
 282         if (vc.flag & VC_UNCOMP) strcat(modew, "u");
 283         bp = vcf_open(argv[optind], moder);
 284         h = vcf_hdr_read(bp);
 285         bout = vcf_open("-", modew);
 286         if (!(vc.flag & VC_QCALL)) vcf_hdr_write(bout, h);
 287         if (vc.flag & VC_CALL) {
 288                 p1 = bcf_p1_init(h->n_smpl);
 289                 if (vc.prior_file) {
 290                         if (bcf_p1_read_prior(p1, vc.prior_file) < 0) {
 291                                 fprintf(stderr, "[%s] fail to read the prior AFS.\n", __func__);
 292                                 return 1;
 293                         }
 294                 } else bcf_p1_init_prior(p1, vc.prior_type, vc.theta);
 295                 if (vc.n1 > 0) {
 296                         bcf_p1_set_n1(p1, vc.n1);
 297                         bcf_p1_init_subprior(p1, vc.prior_type, vc.theta);
 298                 }
 299                 if (vc.indel_frac > 0.) bcf_p1_indel_prior(p1, vc.indel_frac); // otherwise use the default indel_frac
 300                 if (vc.flag & VC_FOLDED) bcf_p1_set_folded(p1);
 301         }
 302         if (vc.fn_list) hash = bcf_load_pos(vc.fn_list, h);
 303         if (optind + 1 < argc && !(vc.flag&VC_VCFIN)) {
 304                 void *str2id = bcf_build_refhash(h);
 305                 if (bcf_parse_region(str2id, argv[optind+1], &tid, &begin, &end) >= 0) {
 306                         bcf_idx_t *idx;
 307                         idx = bcf_idx_load(argv[optind]);
 308                         if (idx) {
 309                                 uint64_t off;
 310                                 off = bcf_idx_query(idx, tid, begin);
 311                                 if (off == 0) {
 312                                         fprintf(stderr, "[%s] no records in the query region.\n", __func__);
 313                                         return 1; // FIXME: a lot of memory leaks...
 314                                 }
 315                                 bgzf_seek(bp->fp, off, SEEK_SET);
 316                                 bcf_idx_destroy(idx);
 317                         }
 318                 }
 319         }
 320         while (vcf_read(bp, h, b) > 0) {
 321                 int is_indel = bcf_is_indel(b);
 322                 if ((vc.flag & VC_NO_INDEL) && is_indel) continue;
 323                 if ((vc.flag & VC_ACGT_ONLY) && !is_indel) {
 324                         int x;
 325                         if (b->ref[0] == 0 || b->ref[1] != 0) continue;
 326                         x = toupper(b->ref[0]);
 327                         if (x != 'A' && x != 'C' && x != 'G' && x != 'T') continue;
 328                 }
 329                 if (hash) {
 330                         uint64_t x = (uint64_t)b->tid<<32 | b->pos;
 331                         khint_t k = kh_get(set64, hash, x);
 332                         if (kh_size(hash) == 0) break;
 333                         if (k == kh_end(hash)) continue;
 334                         kh_del(set64, hash, k);
 335                 }
 336                 if (tid >= 0) {
 337                         int l = strlen(b->ref);
 338                         l = b->pos + (l > 0? l : 1);
 339                         if (b->tid != tid || b->pos >= end) break;
 340                         if (!(l > begin && end > b->pos)) continue;
 341                 }
 342                 ++n_processed;
 343                 if (vc.flag & VC_QCALL) { // output QCALL format; STOP here
 344                         bcf_2qcall(h, b);
 345                         continue;
 346                 }
 347                 if (vc.flag & (VC_CALL|VC_ADJLD)) bcf_gl2pl(b);
 348                 if (vc.flag & VC_CALL) { // call variants
 349                         bcf_p1rst_t pr;
 350                         bcf_p1_cal(b, p1, &pr); // pr.g[3] is not calculated here
 351                         if (vc.flag&VC_HWE) bcf_p1_cal_g3(p1, pr.g);
 352                         if (n_processed % 100000 == 0) {
 353                                 fprintf(stderr, "[%s] %ld sites processed.\n", __func__, (long)n_processed);
 354                                 bcf_p1_dump_afs(p1);
 355                         }
 356                         if (pr.p_ref >= vc.pref && (vc.flag & VC_VARONLY)) continue;
 357                         update_bcf1(h->n_smpl, b, p1, &pr, vc.pref, vc.flag);
 358                 }
 359                 if (vc.flag & VC_ADJLD) { // compute LD
 360                         double f[4], r2;
 361                         if ((r2 = bcf_ld_freq(blast, b, f)) >= 0) {
 362                                 kstring_t s;
 363                                 s.m = s.l = 0; s.s = 0;
 364                                 if (*b->info) kputc(';', &s);
 365                                 ksprintf(&s, "NEIR=%.3lf;NEIF=%.3lf,%.3lf", r2, f[0]+f[2], f[0]+f[1]);
 366                                 bcf_append_info(b, s.s, s.l);
 367                                 free(s.s);
 368                         }
 369                         bcf_cpy(blast, b);
 370                 }
 371                 if (vc.flag & VC_NO_GENO) { // do not output GENO fields
 372                         b->n_gi = 0;
 373                         b->fmt[0] = '\0';
 374                 }
 375                 vcf_write(bout, h, b);
 376         }
 377         if (vc.prior_file) free(vc.prior_file);
 378         if (vc.flag & VC_CALL) bcf_p1_dump_afs(p1);
 379         bcf_hdr_destroy(h);
 380         bcf_destroy(b); bcf_destroy(blast);
 381         vcf_close(bp); vcf_close(bout);
 382         if (hash) kh_destroy(set64, hash);
 383         if (vc.fn_list) free(vc.fn_list);
 384         if (p1) bcf_p1_destroy(p1);
 385         return 0;
 386 }