Melatonin target proteins: interactions and functions

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Melatonin (N-acetyl-5-methoxytryptamine) is the primary hormone of the pineal gland. However its synthesis also occurs in various extra-pineal tissues, including brain, retina, retinal pigment epithelium, gastrointestinal tract, bone marrow, thymus, lymphocytes, and skin. Melatonin is an amphiphilic indole derivative that combines hydrophilic (methyl and amide groups) and hydrophobic (indole core) molecular domains. Due to its unique structure, which ensures high bioavailability, and presence of hormone and enzymatic mechanisms for its synthesis in various organs and tissues, melatonin is involved in regulating numerous physiological processes, thus highlighting its significant role in maintaining systemic homeostasis. The pleiotropic effects of melatonin are due to a combination of its direct molecular interactions and mediated regulatory mechanisms. On the one hand, melatonin is a powerful endogenous antioxidant capable of directly neutralizing reactive oxygen and nitrogen species. On the other hand, its physiological effects are realized through binding to specific protein targets, as well as via secondary mechanisms, including activation of antioxidant defense, metabolic, and epigenetic modulation. Interaction of this hormone with numerous extracellular and intracellular molecular targets is of particular interest, with binding affinity varying across a wide range of concentrations. Numerous studies over recent decades have identified about twenty distinct protein targets of melatonin, spanning a broad spectrum of functional categories – from well-characterized receptors (both membrane-bound and nuclear) to some non-canonical targets. The latter include: enzymes (quinone reductase-2, matrix metalloproteinase-9, protein phosphatase-2A, pepsin), ion channels, transport and structural proteins (glucose transporter GLUT1, oligopeptide transporters PEPT1 and PEPT2, serum albumin, tubulin), calcium-binding proteins (calmodulin, protein kinase C, calreticulin). Recently, the search for melatonin targets is continued. It is suggested that, in addition to its mediated effects, the hormone may directly modulate activity of P-glycoprotein, a membrane drug resistance protein and NAD+-dependent deacetylases – sirtuins SIRT1 and SIRT3. Studying the melatonin targets is crucial for analyzing its pharmacodynamic effects. A search for new targets opens perspectives for understanding its non-circadian functions of this hormone, e.g., neuroprotection, anticancer effects, and metabolic modulation.

About the authors

Natalia S. Glebezdina

Institute of Ecology and Genetics of Microorganisms, Perm Federal Research Center, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: glebezdina_n@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9891-0509

PhD (Biology), Researcher, Laboratory of Immunoregulation

Russian Federation, Perm

References

  1. Andrabi S.A., Sayeed I., Siemen D., Wolf G., Horn T.F. Direct inhibition of the mitochondrial permeability transition pore: a possible mechanism responsible for anti-apoptotic effects of melatonin. FASEB J., 2004, Vol. 18, no. 7, pp. 869-871.
  2. Arribas R.L., Romero A., Egea J., de Los Rios C. Modulation of serine/threonine phosphatases by melatonin: therapeutic approaches in neurodegenerative diseases. Br. J. Pharmacol., 2018, Vol. 175, no. 16, pp. 3220–3229.
  3. Benitez-King G., Argueta J., Miranda-Riestra A., Munoz-Delgado J., Estrada-Reyes R. Interaction of the Melatonin/Ca2+-CaM complex with calmodulin kinase II: physiological importance. Mol. Pharmacol., 2024, Vol. 106, no. 1, pp. 3-12.
  4. Benitez-King G., Hernandez M.E., Tovar R., Ramirez G. Melatonin activates PKC-alpha but not PKC-epsilon in N1E-115 cells. Neurochem. Int., 2001, Vol. 39, no. 2, pp. 95-102.
  5. Boutin J.A., Ferry G. Is MT3 Is Quinone Reductase 2? J. Pharmacol. Exp. Ther., 2019, Vol. 368, no. 1, pp. 59-65.
  6. Chen Y., Wu X., Yang X., Liu X., Zeng Y., Li J. Melatonin antagonizes ozone-exacerbated asthma by inhibiting the TRPV1 channel and stabilizing the Nrf2 pathway. Environ. Sci. Pollut. Res. Int., 2021, Vol. 28, no. 42, pp. 59858-59867.
  7. Dubocovich M.L., Delagrange P., Krause D.N., Sugden D., Cardinali D.P., Olcese J. International Union of Basic and Clinical Pharmacology. LXXV. Nomenclature, Classification, and Pharmacology of G Protein-Coupled Melatonin Receptors. Pharm. Rev., 2010, Vol. 62, pp. 343-380.
  8. Hevia D., Gonzalez-Menendez P., Quiros-Gonzalez I., Miar A., Rodriguez-Garcia A., Tan D.X., Reiter R.J., Mayo J.C., Sainz R.M. Melatonin uptake through glucose transporters: a new target for melatonin inhibition of cancer. J. Pineal. Res., 2015, Vol. 58, no. 2, pp. 234-250.
  9. Huo X., Wang C., Yu Z., Peng Y., Wang S., Feng S., Zhang S., Tian X., Sun C., Liu K., Deng S., Ma X. Human transporters, PEPT1/2, facilitate melatonin transportation into mitochondria of cancer cells: An implication of the therapeutic potential. J. Pineal. Res., 2017, Vol. 62, no. 4, e12390. https://doi.org/10.1111/jpi.12390.
  10. Li X., Wang S. Binding of glutathione and melatonin to human serum albumin: a comparative study. Colloids Surf. B Biointerfaces, 2015, Vol. 125, pp. 96-103.
  11. Li X., Ni T. Binding of glutathione and melatonin to pepsin occurs via different binding mechanisms. Eur. Biophys. J., 2016, Vol. 45, no. 2, pp. 165-174.
  12. Liu L., Labani N., Cecon E., Jockers, R. Melatonin Target Proteins: Too Many or Not Enough? Front. Endocrinol. (Lausanne), 2019, Vol. 10, 791. https://doi.org/10.3389/fendo.2019.00791.
  13. Macias M., Escames G., Leon J., Coto A., Sbihi Y., Osuna A., Acuna-Castroviejo D. Calreticulin-melatonin. An unexpected relationship. Eur. J. Biochem., 2003, Vol. 270, no. 5, pp. 832–840.
  14. Rudra D.S., Pal U., Maiti N.C., Reiter R.J., Swarnakar S. Melatonin inhibits matrix metalloproteinase-9 activity by binding to its active site. J. Pineal. Res., 2013, Vol. 54, no. 4, pp. 398-405.
  15. Slominski R.M., Reiter R.J., Schlabritz-Loutsevitch N., Ostrom R.S., Slominski A.T. Melatonin membrane receptors in peripheral tissues: distribution and functions. Mol. Cell. Endocrinol., 2012, Vol. 351, no. 2, pp. 152-166.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2025 Glebezdina N.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».