Summary The genome of esophageal adenocarcinoma (EAC) is highly unstable and might evolve over time. Here, we track karyotype evolution in EACs in response to treatment and upon recurrence through multi-region and longitudinal analysis. To this end, we introduce L-PAC, a bio-informatics technique that allows inference of absolute copy number aberrations (CNA) of low-purity samples by leveraging information of high-purity samples from the same cancer. Quantitative analysis of matched absolute CNAs reveals that the amount of karyotype evolution induced by chemoradiotherapy (CRT) is predictive for early recurrence and depends on the initial level of karyotype intra-tumor heterogeneity. We observe that CNAs acquired in response to CRT are partially reversed back to the initial state upon recurrence. CRT hence alters the fitness landscape to which tumors can adjust by adapting their karyotype. Together, our results indicate that karyotype plasticity contributes to therapy resistance of EACs.

1 Abstract To study the evolutionary processes that drive malignant progression of IDH-mutant astrocytomas, we performed multi-omics on a large cohort of matched initial and recurrent tumor samples. The overlay of genetic, epigenetic, transcriptomic and proteomic data, combined with single-cell analysis, have identified overlapping features associated with malignant progression. These features are derived from three molecular mechanisms and provide a rationale of the underlying biology of tumor malignancy: cell-cycling, tumor cell (de-)differentiation and remodeling of the extracellular matrix. Specifically, DNA-methylation levels decreased over time, predominantly in tumors with malignant transformation and co-occurred with poor prognostic genetic events. DNA-methylation was lifted from specific loci associated with DNA replication and was associated with an increased RNA and protein expression of cell cycling associated genes. All results were validated on samples of newly diagnosed IDH-mutant astrocytoma patients included the CATNON randomized phase 3 clinical trial. Importantly, malignant progression was hardly affected by radio- or chemotherapy, indicating that treatment does not affect the course of disease. Our results culminate in a DNA-methylation based signature for objective tumor grading.