胃肠道系统是多细胞生物体中最复杂的发育系统之一，主要的生理功能包括：消化食物、吸收营养、分泌激素和防御病原体等 [ 19 ]。哺乳动物的肠道包括小肠、大肠和直肠三个部分，组成的细胞类型包括：1) 肠干细胞(intestinal stem cells, ISCs)；2) 肠祖细胞；3) 肠上皮细胞；4) 肠内分泌细胞；5) 分泌细胞(Paneth细胞、Goblet细胞) [ 20 ] 等。生理状况下，肠道内的上皮细胞处于恒定的压力环境中，由于大多数肠上皮细胞的寿命小于5天，细胞死亡率较高，因此需要不断的自我更新 [ 21 ] [ 22 ]。哺乳动物正常的肠上皮结构包含折叠的隐窝(Crypts)，其基底端存在ISCs [ 23 ] [ 24 ]。生理条件下大多数ISCs处于静息状态，因此肠上皮更新相对缓慢。肠道损伤后，作为对应激损伤的反应，ISCs在数小时内被激活和增殖，并沿肠绒毛迁移和分化从而快速再生受损的肠上皮 [ 25 ] [ 26 ]。

组织器官的细胞更新和再生对维持其正常的生理功能至关重要。昼夜节律能影响细胞周期，在细胞增殖和组织器官再生中发挥作用 [ 27 ]。在一些早期研究中，虽然当时尚未鉴定出ISCs，人们已发现生理条件下小鼠肠道的细胞数量和增殖具有节律性 [ 28 ]。在一项小鼠空肠上皮的研究中，研究人员发现空肠绒毛和隐窝的细胞数量在白天达到峰值，而增殖的细胞则在夜晚达到顶峰 [ 29 ]。后续研究发现，在啮齿类动物中ISCs的有丝分裂表现出昼夜节律性，在清晨ISCs的增殖开始减慢，而在夜间达到峰值 [ 30 ]。在体外培养的小肠类器官中，研究者也发现小肠上皮ISCs的增殖呈现以12小时为周期的节律 [ 31 ]。因此，ISCs的增殖和肠上皮的再生过程存在昼夜节律。

在小鼠和果蝇上的研究发现，肠道中的核心时钟基因如Per和Bmal1等在一天中呈振荡表达 [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]。在急性辐射损伤反应测试中，Bmal1基因缺失的小鼠肠道隐窝细胞无法进行有节律的有丝分裂，从而影响肠再生的时间 [ 35 ]。在右旋葡聚糖硫酸钠诱发的肠道损伤模型中，野生型果蝇的肠道ISCs在黎明时达到有丝分裂高峰，而Per⁰¹突变果蝇的ISCs不存在该增殖高峰，并且其在所有时间点的有丝分裂均减少 [ 30 ]。这些研究结果表明ISCs的增殖受核心时钟基因Bmal1和Per的调控。

在ISCs之外，肠道潘氏细胞(Paneth cell)分泌的Wnt也是调节ISCs节律性增殖的重要信号。研究发现Paneth细胞节律性地分泌Wnt蛋白，后者可通过促进ISCs增殖进而支持肠上皮细胞再生 [ 31 ]。Wnt信号的下游基因如c-Myc等，与时钟基因也存在相互调控。在c-Myc缺失的情况下，小鼠肠上皮隐窝细胞的增殖会显著减少 [ 36 ]，提示Wnt可能通过c-Myc调节ISCs的增殖节律。在果蝇上的研究显示，ISCs的增殖还受到分化的肠上皮细胞(enterocytes)的调控。来自肠上皮细胞的Wnt和Hippo信号可促进ISCs内时钟基因如PER和TIM的表达，进而调节其增殖的昼夜节律 [ 37 ]。

皮肤是体表与外界直接接触的组织。作为机体的屏障，皮肤具有防止病原体入侵、水分蒸发及温度变化等功能。哺乳动物的皮肤可分为三层，即表皮层、真皮层和皮下组织，包含角质形成细胞、成纤维细胞及上皮细胞等多种细胞类型。自然环境中存在对皮肤的各种威胁，如物理损伤、生物伤害以及化学损伤等，皮肤损伤后愈合是所有高等生物适应生存环境的基本过程 [ 38 ]。哺乳动物皮肤的损伤后愈合包括炎症、凝血、细胞增殖和迁移等过程 [ 39 ]。皮肤损伤后，受损血管的信号级联反应迅速导致血小板活化和凝血；随后，炎症细胞浸润受损组织并对抗微生物感染，同时还释放氧化亚氮和活性氧(ROS)等化合物 [ 40 ]。损伤区域结痂后，附近的皮肤细胞开始逐渐闭合伤口。在表皮中，角质形成细胞和成纤维细胞以协调的方式向损伤部位迁移和增殖 [ 41 ]。损伤后不久，表皮毛囊干细胞可分化为角质形成细胞，并迁移到表面促进愈合 [ 42 ]。在真皮中，伤口处的成纤维细胞分裂并迁移，与肌成纤维细胞共同作用使伤口闭合 [ 40 ]。因此，皮肤再生是角质形成细胞、成纤维细胞、毛囊干细胞、免疫细胞、血管细胞和损伤区域附近其他细胞之间高度协调对损伤做出反应的结果。

皮肤是一个多层器官，每层绝大多数细胞的增殖与迁移等都有昼夜节律。已知小鼠皮肤中至少有1400个基因的表达呈现昼夜节律 [ 43 ]，其中298个基因在表皮层中呈节律性表达 [ 44 ]。表皮干细胞和角质形成细胞等在增殖、迁移、分化及胆固醇代谢等多个生理过程中表现出昼夜节律变化 [ 45 ] [ 46 ]。正常生理状况下，表皮中角质形成细胞的增殖高峰出现在生物的活跃期 [ 47 ]。例如，夜行性动物小鼠的角质形成细胞在白天增殖率较低，而在午夜增殖率最高；与之相反，昼行性人类的角质形成细胞则在白天出现增殖高峰 [ 47 ]。在体外培养的角质形成细胞中，生物钟使表皮干细胞倾向以24小时周期的方式对增殖和分化做出不同的反应 [ 45 ]。在小鼠皮肤受损后的伤口愈合过程中，成纤维细胞的迁移受昼夜节律的调节，在夜间伤口愈合速度更快 [ 48 ]。以上研究显示，昼夜节律参与调控皮肤再生的多个过程。

表皮干细胞的增殖受核心时钟基因的调控。研究发现，Bmal1和Per1/2的缺失分别增加和减少表皮干细胞的增殖 [ 49 ]，这表明节律可通过影响表皮干细胞的细胞周期调控皮肤再生。小鼠皮肤再生过程中成纤维细胞的增殖受细胞周期检查点调节因子P16的调控，而后者的表达受生物钟控制 [ 50 ]。近期有研究报道核心时钟基因Npas2参与皮肤再生 [ 51 ] [ 52 ]。Npas2是Clock的旁系同源基因，在皮肤的成纤维细胞中表达；Npas2敲除小鼠的皮肤伤口愈合速度较野生型更快，皮肤成纤维细胞的增殖、迁移和收缩能力均显著升高 [ 51 ]。

除了核心时钟基因，人类表皮中表达的一种与抑制增殖相关的转录因子Kruppel样因子9 (KLF9)在时钟的下游发挥作用，驱动角质形成细胞的增殖呈昼夜节律性 [ 46 ]。研究发现CLOCK/BMAL1可以与KLF9启动子中的E-box序列结合 [ 46 ]，引起皮肤中KLF9的振荡表达。KLF9的表达受糖皮质激素调控，白天皮质醇水平升高 [ 53 ]，诱导KLF9的表达，从而抑制角质形成细胞的增殖。

肝脏作为重要的消化器官，其细胞亚群包括实质细胞(肝细胞)和非实质细胞(枯否细胞、胆管细胞、肝窦内皮细胞、肝星状细胞、自然杀伤细胞和自然杀伤T细胞等)。枯否细胞是肝脏中最大的细胞群 [ 54 ]，与巨噬细胞相互作用并分泌TNF-α和IL-6，诱导多个基因在肝脏中的表达，促进肝细胞的增殖 [ 55 ]。肝脏具有高度的再生能力，能在受损后恢复其质量和功能。部分肝切除术(PHx)后的肝再生可分为三个阶段：起始、增殖和终止。首先，静息的肝细胞面对多重刺激(起始期)时，启动细胞周期G0向G1转化；其次，在有丝分裂原的帮助下，肝细胞越过限制点进入G1期，然后进入有丝分裂期(增殖期)；最后，肝细胞在负性因子如转化生长因子β和激活素等的控制下终止增殖(终止期) [ 56 ]。在这三个阶段中，各种细胞因子或生长因子通过多种信号通路发挥重要的作用。

研究发现，小鼠每个器官中都具有昼夜节律表达的蛋白质编码基因，而肝脏的节律基因最多(3186个) [ 57 ]。在肝脏内部存在一个生物钟，与SCN内的中央时钟同步，调节肝脏的生理活动与昼夜周期。肝脏的代谢活动，如葡萄糖、胆汁酸和胆固醇的代谢均受到昼夜节律的控制 [ 58 ]。

一项在小鼠上的早期研究发现，PHx36小时后进入S期的肝细胞数量达到峰值。然而，肝细胞进入有丝分裂的时间与PHx在一天中的时间有关：在ZT0进行PHx的肝细胞进入分裂的时间(48 h)比在ZT8进行同样手术的肝细胞(40 h)要晚8个小时 [ 59 ]。2012年的一项研究发现，PHx诱导的小鼠肝再生是由连续四次肝细胞增殖驱动的，其中前三次表现出昼夜节律性 [ 60 ]。近期一项研究也发现，在一天的不同时间进行PHx，其结果会不同：与早晨相比，在晚上进行PHx会延迟肝再生 [ 61 ]。以上研究证实了PHx后的肝再生受昼夜节律的调节。

早期研究发现，核心时钟基因Bmal1在肝脏再生过程中的表达模式与肝细胞的增殖高峰有关 [ 60 ]，提示Bmal1在肝脏再生过程中可能起着重要作用。近期，有研究报道在小鼠肝脏条件性敲除Bmal1可显著影响肝细胞的增殖：失去Bmal1的肝细胞会延迟进入S期且无法进入M期 [ 62 ]。在分子水平，最近的一项研究发现PHx后肝细胞中许多原本节律表达的基因会失去节律性，部分这些基因的表达受Bmal1直接调控；PHx后Bmal1与许多节律基因的染色质结合位点发生改变，导致这些节律基因表达下调 [ 61 ]。在Bmal1之外，核心时钟基因Cry也参与调节肝脏再生 [ 59 ]。Cry敲除的小鼠在PHx后72小时其肝脏重量恢复显著低于野生型小鼠，提示Cry可调控肝细胞的增殖。

小鼠肝再生过程中，肝细胞的有丝分裂受一个G2-M检查点蛋白激酶Wee1的调控 [ 59 ]。Wee1的表达受核心时钟基因Bmal1和Clock直接控制，Wee1蛋白可磷酸化Cdc2激酶使其失活，从而抑制肝细胞进入M期。在肝细胞中，细胞周期抑制物p21的表达也受生物钟调控 [ 63 ]。p21蛋白在正常成人肝脏中不表达，但在PHx后被强烈诱导，参与调节肝细胞的细胞周期进程 [ 64 ]。在Wee1和p21之外，一个组蛋白去乙酰化酶SIRT1也被报道调节肝脏再生和肝细胞昼夜节律 [ 65 ]。在肝脏中，SIRT1参与调节生物钟下游基因的节律性表达；在PHx后，条件敲除SIRT1的小鼠肝细胞的G1-S期转换以及节律基因表达受到显著影响，并伴随异常的脂质代谢 [ 65 ]。这些研究结果表明，肝细胞的多个细胞周期阶段处于时钟下游，生物钟可以在包括G1期和 G2/M 转换等多个阶段调控肝细胞增殖。