晝夜節律（Circadian Rhythms）的分子基礎由 Jeffrey Hall、Michael Rosbash 和 Michael Young 在果蠅中闡明（2017 年諾貝爾獎）。Konopka 和 Benzer（1971）首先以前瞻性突變篩選發現 period（per）基因，隨後 Hall 和 Rosbash（1984）選殖 per 並提出轉錄-翻譯回饋迴路（TTFL）模型，Young（1994）發現 timeless（tim）基因補完了迴路。哺乳動物時鐘的核心組件經 Takahashi 團隊（1997）選殖 Clock 基因及後續研究而確立。
哺乳動物 TTFL 的精細機制
核心迴路：CLOCK-BMAL1 異源二聚體結合 E-box（CACGTG）啟動 Per1/2、Cry1/2 轉錄。PER-CRY 複合體入核後直接與 CLOCK-BMAL1 的 PASB domain 結合抑制其轉錄活化能力。延遲機制（決定24h 週期）涉及多層級磷酸化調控：CK1δ/ε 磷酸化 PER（主要在 FASP region），引導 β-TrCP 介導的泛素化和蛋白酶體降解。PER2-S662G 突變（FASPS）使 CK1 磷酸化位點改變，PER2 半衰期縮短，週期變為20h（Toh et al., 2001）。CRY 穩定性由 FBXL3（促降解）和 FBXL21（保護性）兩個 F-box 蛋白拮抗調控。
輔助迴路：REV-ERBα/β 和 RORα/β 競爭結合 RORE 元件調控 Bmal1 轉錄——REV-ERB 抑制、ROR 活化——形成第二層振盪。DBP/HLF/TEF 和 E4BP4 透過 D-box 元件構成第三層。三層迴路的耦合增強了振盪的穩定性和溫度補償性（temperature compensation）。
SCN 的網路特性
單一 SCN 神經元的分子時鐘是自主的但不精確（週期變異大）。SCN 網路層級的同步化由 VIP（vasoactive intestinal peptide）信號透過 VPAC2 受體-Gs-cAMP 途徑實現。Welsh 等人（1995）的散發培養和 Bhatt Liu 等人的即時生物發光影像證明 SCN 的網路耦合將單細胞週期的變異壓縮至 ±15 分鐘。SCN 含兩個功能亞區：core（接收 RHT 光輸入，VIP+/GRP+ 神經元）和 shell（AVP+ 神經元，主要輸出站），光線先重設 core，再經 core→shell 傳播。
光輸入通路
ipRGC 表現 melanopsin（Opn4，Gq 偶聯型視蛋白），對 ~480 nm 藍光最敏感。ipRGC 有 M1-M6 至少六種亞型，M1 型主要投射至 SCN（Hattar et al., 2002）。光刺激 → ipRGC 去極化 → RHT 末梢釋放 glutamate + PACAP → SCN core 神經元 NMDA-R 活化 + MAPK-CREB 磷酸化 → Per1/Per2 快速轉錄。光線的相位重設效應（phase response curve, PRC）遵循：early subjective night 光照 → phase delay；late subjective night 光照 → phase advance。數學模型上，PRC 可由 limit cycle oscillator 理論描述（Winfree, 1980）。
SCN 輸出與周邊時鐘同步
SCN 透過多通道輸出校準周邊時鐘：(1) 自主神經系統（交感/副交感）直接支配靶器官；(2) 體液信號——皮質醇晝夜節律（透過 HPA 軸）、體溫節律；(3) 行為節律——攝食節律是肝臟周邊時鐘的主要授時因子（Damiola et al., 2000 證明限時餵食可在不改變 SCN 相位的情況下反轉肝臟時鐘）。周邊時鐘調控組織特異性基因（約 5-10% 的轉錄組呈晝夜振盪），時鐘控制的輸出基因（CCGs）在不同器官中大不相同：肝臟時鐘調控代謝酶和藥物代謝 CYP 酶，心臟時鐘調控離子通道。
時序醫學（Chronomedicine）
藥物的療效和毒性隨給藥時間變化（時序藥理學）。Lévi 等人的研究顯示 oxaliplatin 的抗腫瘤效果和毒性有明顯的晝夜差異。Montaigne et al.（2018）發現心臟手術在下午進行比上午有更好的預後，與心肌 REV-ERBα 的晝夜表現相關。流行病學上，輪班工作被 IARC 列為 Group 2A 致癌因子，機制涉及褪黑激素抑制（melatonin 有抗氧化和抗增生作用）和時鐘基因調控的 DNA 損傷修復節律失調。CRY1 Δ11 突變導致 DSPD（delayed sleep phase disorder），是目前已知最常見的單基因睡眠障礙（Patke et al., 2017）。