La mélatonine (N-acétyl-5 méthoxytryptamine) est une hormone sécrétée principalement par la glande pinéale ou épiphyse et également produite, mais en beaucoup plus faible quantité, par la rétine. L'enzyme clé de cette synthèse est la N-acétyl-transférase (NAT) dont l'activité est élevée pendant la phase d'obscurité, ce qui explique l'importante sécrétion nocturne de l'hormone. Le rythme circadien de la mélatonine est généré dans les noyaux suprachiasmatiques, horloge biologique de notre organisme. Selon l'heure d'administration, la mélatonine déplace le pic de sécrétion (ou phase) selon une courbe dite de réponse de phase car son administration le matin retarde la phase du rythme circadien alors que dans la soirée la phase du rythme est avancée. La mélatonine est donc un transducteur du signal lumineux donnant l'indication à l'organisme de la durée du jour et de la nuit. En raison de ses propriétés pharmacologiques, la recherche actuelle est centrée sur les propriétés de la mélatonine comme agent de resynchronisation dans différentes situations de désynchronisation telles que le vieillissement, le travail posté, le travail de nuit, les syndromes du sommeil avec avance ou retard de phase, les décalages horaires liés aux vols transméridiens (jet lag)... Par ailleurs les fortes propriétés antioxydantes (supérieures à celles de la vitamine E) et oncostatiques de l'hormone suggèrent son rôle dans les cas où sa sécrétion est bloquée, en particulier par la lumière, comme chez les personnes travaillant exclusivement la nuit (et donc exposées à la lumière) et sur une longue durée pour lesquelles le risque relatif de cancer du sein a été trouvé significativement plus élevé (RR compris entre 1,1 et 1,6 avec p < 0,05) dans des études épidémiologiques récentes. D'autres études sont cependant nécessaires pour valider ces résultats.