Cancer cells, including melanoma cells, often metastasize regionally through the lymphatic system before metastasizing systemically through the blood1–4; however, the reason for this is unclear. Here we show that melanoma cells in lymph experience less oxidative stress and form more metastases than melanoma cells in blood. Immunocompromised mice with melanomas derived from patients, and immunocompetent mice with mouse melanomas, had more melanoma cells per microlitre in tumour-draining lymph than in tumour-draining blood. Cells that metastasized through blood, but not those that metastasized through lymph, became dependent on the ferroptosis inhibitor GPX4. Cells that were pretreated with chemical ferroptosis inhibitors formed more metastases than untreated cells after intravenous, but not intralymphatic, injection. We observed multiple differences between lymph fluid and blood plasma that may contribute to decreased oxidative stress and ferroptosis in lymph, including higher levels of glutathione and oleic acid and less free iron in lymph. Oleic acid protected melanoma cells from ferroptosis in an Acsl3-dependent manner and increased their capacity to form metastatic tumours. Melanoma cells from lymph nodes were more resistant to ferroptosis and formed more metastases after intravenous injection than did melanoma cells from subcutaneous tumours. Exposure to the lymphatic environment thus protects melanoma cells from ferroptosis and increases their ability to survive during subsequent metastasis through the blood. Melanoma cells undergo less oxidative stress and less ferroptosis in lymph than in blood, owing to higher levels of oleic acid in lymph, and thus exposure to the lymphatic environment increases subsequent metastasis through blood.

Metastasis requires cancer cells to undergo metabolic changes that are poorly understood1–3. Here we show that metabolic differences among melanoma cells confer differences in metastatic potential as a result of differences in the function of the MCT1 transporter. In vivo isotope tracing analysis in patient-derived xenografts revealed differences in nutrient handling between efficiently and inefficiently metastasizing melanomas, with circulating lactate being a more prominent source of tumour lactate in efficient metastasizers. Efficient metastasizers had higher levels of MCT1, and inhibition of MCT1 reduced lactate uptake. MCT1 inhibition had little effect on the growth of primary subcutaneous tumours, but resulted in depletion of circulating melanoma cells and reduced the metastatic disease burden in patient-derived xenografts and in mouse melanomas. In addition, inhibition of MCT1 suppressed the oxidative pentose phosphate pathway and increased levels of reactive oxygen species. Antioxidants blocked the effects of MCT1 inhibition on metastasis. MCT1high and MCT1−/low cells from the same melanomas had similar capacities to form subcutaneous tumours, but MCT1high cells formed more metastases after intravenous injection. Metabolic differences among cancer cells thus confer differences in metastatic potential as metastasizing cells depend on MCT1 to manage oxidative stress. Differences in MCT1 function among melanoma cells confer differences in oxidative stress resistance and metastatic potential.

Mitochondrial DNA (mtDNA) mutations are frequently observed in cancer, but their contribution to tumor progression is controversial. To evaluate the impact of mtDNA variants on tumor growth and metastasis, we created human melanoma cytoplasmic hybrid (cybrid) cell lines transplanted with wildtype mtDNA or pathogenic mtDNA encoding variants that partially or completely inhibit oxidative phosphorylation. Homoplasmic pathogenic mtDNA cybrids reliably established tumors despite dysfunctional oxidative phosphorylation. However, pathogenic mtDNA variants disrupted spontaneous metastasis of subcutaneous tumors and decreased the abundance of circulating melanoma cells in the blood. Pathogenic mtDNA did not induce anoikis or inhibit organ colonization of melanoma cells following intravenous injections. Instead, migration and invasion were reduced, indicating that limited circulation entry functions as a metastatic bottleneck amidst mtDNA dysfunction. Furthermore, analysis of selective pressure exerted on the mitochondrial genomes of heteroplasmic cybrid lines revealed a suppression of pathogenic mtDNA allelic frequency during melanoma growth. Collectively, these findings demonstrate that functional mtDNA is favored during melanoma growth and enables metastatic entry into the blood.