El intrincado mecanismo subyacente a los relojes circadianos se puede atribuir a una compleja red de genes y proteínas que forman un sistema interno de cronometraje dentro de los organismos. El principal impulsor de los ritmos circadianos es un conjunto de genes conocidos como genes reloj. Estos genes codifican proteínas que regulan la expresión de otros genes en un patrón rítmico, creando un circuito de retroalimentación molecular que oscila aproximadamente cada 24 horas. Aquí hay una explicación simplificada de cómo funcionan los relojes circadianos:

1. Genes del reloj:En el núcleo del reloj circadiano hay un grupo de genes del reloj, a menudo denominados "genes del reloj central". En los mamíferos, los genes de reloj mejor estudiados son Clock (Ciclos de salida locomotora circadianos Kaput) y Bmal1 (Brain and Muscle Arnt-Like 1). Estos genes codifican proteínas que forman un complejo heterodimérico llamado complejo CLOCK-BMAL1.

2. Bucle de retroalimentación de transcripción-traducción:el complejo CLOCK-BMAL1 actúa como un factor de transcripción que regula la expresión de otros genes de reloj. Se une a secuencias de ADN específicas llamadas cajas E dentro de los promotores de estos genes reloj, promoviendo su transcripción. Entre los genes activados por CLOCK-BMAL1 se encuentran los genes Period (Per) y Cryptochrome (Cry).

3. Bucle de retroalimentación negativa:a medida que las proteínas PER y CRY se acumulan, se acumulan gradualmente en el citoplasma y finalmente se translocan nuevamente al núcleo. En el núcleo, forman complejos e inhiben la actividad del complejo CLOCK-BMAL1, reduciendo así la transcripción de los genes Per y Cry. Este circuito de retroalimentación negativa da como resultado una disminución en los niveles de proteína PER y CRY, lo que permite que el ciclo comience de nuevo.

4. Regulación postraduccional:además de la regulación transcripcional, los ritmos circadianos también están influenciados por modificaciones postraduccionales de las proteínas del reloj. Estas modificaciones, como la fosforilación y la ubiquitinación, afectan la estabilidad, localización y actividad de las proteínas del reloj, lo que contribuye aún más a la sincronización precisa del ciclo circadiano.

Es importante señalar que el reloj circadiano no depende únicamente de estos genes del reloj central. Otros factores, como las señales ambientales (p. ej., la luz), las señales hormonales y las entradas neuronales, también pueden influir en la sincronización de los ritmos circadianos.

La notable precisión y adaptabilidad de los relojes circadianos permiten a los organismos anticipar y responder a los cambios diarios en su entorno, optimizando sus procesos fisiológicos y conductuales para la supervivencia y el bienestar general.