O presente trabalho teve como objetivo investigar o possível efeito modulador da melatonina (MEL) – uma indolamina particularmente eficiente no combate ao estresse oxidativo por agir de forma direta contra o mesmo e/ou indireta, atuando na indução da expressão de enzimas antioxidantes – sobre as vias de sinalização redox PI3K/AKT/FOXO3 e KEAP1/NRF2/ARE, em células eritroleucêmicas K562 induzidas a diferenciação eritroide e submetidas a indução de estresse oxidativo, favorecendo a manutenção da homeostase redox celular. O estudo contou com três amostras pseudoreplicadas acompanhadas durante cinco dias, sendo as avaliações realizadas: antes do início (D0), no início (D2) e no final da diferenciação (D4). Nestes dias, a diferenciação eritroide foi avaliada pelo teste de benzidina, a viabilidade celular pelo método de azul de Trypan, os níveis de transcritos dos genes de importantes enzimas antioxidantes por qRT-PCR e as análises univariadas foram realizadas usando General Linear Models (GLM) no formato ANOVA two-way seguido de post hoc de Bonferroni, considerando p < 0,05 como estatisticamente significativo. Além disso, cada amostra foi dividida nos seguintes grupos experimentais: células sem indução de estresse oxidativo e tratamento antioxidante (Referência); células sob indução de estresse com peróxido de hidrogênio (100 μM H2O2); células tratadas com 1 nM (C1) e com 1 mM (C2) de MEL; por fim, células tratadas com as mesmas concentrações de MEL associados a indução do estresse (C1 + H2O2 e C2 + H2O2, respectivamente). Dentre os principais resultados, observou-se o restabelecimento de níveis fisiológicos de NRF2 em ambas concentrações de MEL, sob indução de estresse, quando comparado ao grupo sob a ação apenas do estressor, sugerindo um efeito citoprotetor. O tratamento C1 relacionou-se com indução da expressão de genes antioxidantes por meio da via NRF2-ARE, quando comparados com suas respectivas referências. Este padrão foi observado no D0 para os genes da CAT, SOD1, PRXD1 e 6; no D2 para CAT, PRDX1 e 6 e no D4 para SOD1, PRDX1 e 6, sugerindo, inclusive, um efeito protetor da MEL em relação a PRDX1, uma vez que os tratamentos com MEL ocasionaram uma expressão semelhante aos níveis fisiológicos. Quanto a C2, esta relacionou-se com a indução da expressão de FOXO3, quando associada ou não a indução de estresse oxidativo por peróxido de hidrogênio; sendo que, no D4, C2 + H2O2 mostrou-se relacionada a uma redução de viabilidade celular possivelmente associada a ativação de vias apoptóticas. Dessa forma, os efeitos da administração de MEL em células eritroleucêmicas K562 apresentaram um padrão período e dose-dependentes contra o estresse oxidativo induzido por H2O2, com ação direta sobre a detoxificação do mesmo e indireta, visto que a via FOXO3 apresentou papel sugestivo de indução de vias apoptóticas, enquanto o fator de transcrição predominantemente responsável pela manutenção da homeostase redox foi o NRF2. Assim, conclui-se que a MEL desempenha papel importante na regulação da homeostase celular, sendo uma alternativa terapêutica promissora para doenças que apresentam um dano oxidativo exacerbado devido ao seu potente efeito redutor.