Die physiologische Funktion der Cryptochrome ist sowohl in Pflanzen als auch in Tieren relativ gut untersucht: Sie spielen in beiden eine Rolle als zentrale Komponenten der biochemischen zirkadianen Uhr [Lin, 2005Lin, Chentao; Todo, Takeshi (2005): The cryptochromes, Genome Biology 6:220, Devlin, 1999Devlin, Paul F.; Kay, Steve A. (1999): Cryptochromes — bringing the blues to circadian rhythms, Trends in Cell Biology 9:295-298, Devlin, 2001Devlin, Paul F.; Kay, Steve A. (2001): Circadian Photoreception, Annual Review of Physiology 63:677-694, Cashmore, 2003Cashmore, Anthony R. (2003): Cryptochromes: Enabling Plants and Animals to Determine Circadian Time, Cell 114:537-543] und sind in Pflanzen darüber hinaus wichtige Regulatoren der Photomorphogenese. Zusätzlich sind einige Interaktionspartner der Cryptochrome in vivo bekannt, für einen Überblick vgl. [Cashmore, 1999Cashmore, Anthony R.; Jarillo, Jose A.; Wu, Ying-Jie; Liu, Dongmei (1999): Cryptochromes: Blue Light Receptors for Plants and Animals , Science 284:760-765, Lin, 2005Lin, Chentao; Todo, Takeshi (2005): The cryptochromes, Genome Biology 6:220, Partch, 2005Partch, Carrie L.; Sancar, Aziz (2005): Photochemistry and Photobiology of Cryptochrome Blue-light Photopigments: The Search for a Photocycle, Photochemistry and Photobiology 81:1291-1304, Li, 2007Li, Qing-Hua; Yang, Hong-Quan (2007): Cryptochrome Signaling in Plants, Photochemistry and Photobiology 83:94-101]. Dagegen herrscht bezüglich des eigentlichen Reaktionsmechanismusses nach wie vor Unklarheit. Sowohl pflanzliche als auch tierische Cryptochrome werden blaulichtabhängig sowohl in vitro als auch in vivo phosphoryliert [Shalitin, 2003Shalitin, Dror; Yu, Xuhong; Maymon, Maskit; Mockler, Todd; Lin, Chentao (2003): Blue Light-Dependent in Vivo and in Vitro Phosphorylation of Arabidopsis Cryptochrome 1, Plant Cell 15:2421-2429, Bouly, 2003Bouly, Jean-Pierre; Giovani, Baldissera; Djamei, Armin; Mueller, Markus; Zeugner, Anke; Dudkin, Elizabeth A.; Batschauer, Alfred; Ahmad, Margaret (2003): Novel ATP-binding and autophosphorylation activity associated with \emphArabidopsis and human cryptochrome-1, European Journal of Biochemistry 270:2921-2928]. Für Cryptochrom-1 in A. thaliana konnte ein lichtinduzierter Intraprotein-Elektronentransfer nachgewiesen werden [Giovani, 2003Giovani, Baldissera; Byrdin, Martin; Ahmad, Margaret; Brettel, Klaus (2003): Light-induced electron transfer in a cryptochrome blue-light photoreceptor, Nature Structural Biology 10:489-490, Zeugner, 2005Zeugner, Anke; Byrdin, Martin; Bouly, Jean-Pierre; Bakrim, Nadia; Giovani, Baldissera; Brettel, Klaus; Ahmad, Margaret (2005): Light-induced Electron Transfer in \emphArabidopsis Cryptochrome-1 Correlates with \emphin Vivo Function, Journal of Biological Chemistry 280:19437-19440].

Ausgehend von diesen Befunden, insbesondere der Photoreduktion des Flavinkofaktors, wird Redoxreaktionen eine Schlüsselrolle in der Reaktion der pflanzlichen und tierischen Cryptochrome zugeschrieben [Froy, 2002Froy, Oren; Chang, Dennis C.; Reppert, Steven M. (2002): Redox Potential Differential Roles in dCRY and mCRY1 Functions, Current Biology 12:147-152, Giovani, 2003Giovani, Baldissera; Byrdin, Martin; Ahmad, Margaret; Brettel, Klaus (2003): Light-induced electron transfer in a cryptochrome blue-light photoreceptor, Nature Structural Biology 10:489-490]. Sowohl In-vitro- als auch In-vivo-Studien legen nahe, daß der Dunkelzustand der Cryptochrome voll oxidiertes (gelbes) FAD (FAD^ox) enthält, während das FAD-Radikal dem Signalzustand entspricht [Merrow, 2001Merrow, Martha; Roenneberg, Till (2001): Circadian Clocks Running on Redox, Cell 106:141-143, Lin, 2001Lin, Fang-Ju; Song, Wei; Meyer-Bernstein, Elizabeth; Naidoo, Nirinjini; Sehgal, Amita (2001): Photic Signaling by Cryptochrome in the \emphDrosophila Circadian System, Molecular and Cellular Biology 21:7287-7294, Berndt, 2007Berndt, Alex; Kottke, Tilman; Breitkreuz, Helena; Dvorsky, Radovan; Hennig, Sven; Alexander, Michael; Wolf, Eva (2007): A Novel Photoreaction Mechanism for the Circadian Blue Light Photoreceptor \emphDrosophila Cryptochrome, Journal of Biological Chemistry 282:13011-13021, Bouly, 2007Bouly, Jean-Pierre; Schleicher, Erik; Dionisio-Sese, Maribel; Vandenbussche, Filip; Straeten, Dominique Van Der; Bakrim, Nadia; Meier, Stefan; Batschauer, Alfred; Galland, Paul; Bittl, Robert; Ahmad, Margaret (2007): Cryptochrome Blue Light Photoreceptors Are Activated through Interconversion of Flavin Redox States, Journal of Biological Chemistry 282:9383-9391, Banerjee, 2007Banerjee, Roopa; Schleicher, Erik; Meier, Stefan; Viana, Rafael Muñoz; Pokorny, Richard; Ahmad, Margaret; Bittl, Robert; Batschauer, Alfred (2007): The Signaling State of \emphArabidopsis Cryptochrome 2 Contains Flavin Semiquinone, Journal of Biological Chemistry 282:14916-14922, Hoang, 2008Hoang, Nathalie; Schleicher, Erik; Kacprzak, Sylwia; Bouly, Jean-Pierre; Picot, Marie; Wu, William; Berndt, Albrecht; Wolf, Eva; Bittl, Robert; Ahmad, Margaret (2008): Human and \emphDrosophila Cryptochromes Are Light Activated by Flavin Photoreduction in Living Cells, PLoS Biology 6:e160]. Diese Ergebnisse stimmen mit der Redoxaktivität der Photolyasen überein [Aubert, 2000Aubert, Corinne; Vos, Marten H.; Mathis, Paul; Eker, André P. M.; Brettel, Klaus (2000): Intraprotein radical transfer during photoactivation of DNA photolyase, Nature 405:586-590, Balland, 2008Balland, Véronique; Byrdin, Martin; Eker, Andre P. M.; Ahmad, Margaret; Brettel, Klaus (2008): What Makes the Difference between a Cryptochrome and a DNA Photolyase? A Spectroelectrochemical Comparison of the Flavin Redox Transitions, Journal of the American Chemical Society 131:426-427]. Der Widerspruch zu Ergebnissen, daß Mutationen an den für den Elektronentransfer zum Flavin wichtigen konservierten Tryptophanen zwar in vitro die Photoreduktion des Flavins beeinflussen, aber nicht in vivo [Öztürk, 2008Öztürk, Nuri; Song, Sang-Hun; Selby, Christopher P.; Sancar, Aziz (2008): Animal Type 1 Cryptochromes. Analysis of the Redox State of the Flavin Cofactor by Site-directed Mutagenesis, Journal of Biological Chemistry 283:3256-3263], läßt sich mit Verweis darauf auflösen, daß dieser Effekt häufig beobachtet wird: Während die Mutationen in vitro die Photoreduktion des Flavins deutlich beeinflussen, ist der Effekt in vivo, zumal wenn die Beleuchtung keine limitierende Größe darstellt, nicht meßbar [Zeugner, 2005Zeugner, Anke; Byrdin, Martin; Bouly, Jean-Pierre; Bakrim, Nadia; Giovani, Baldissera; Brettel, Klaus; Ahmad, Margaret (2005): Light-induced Electron Transfer in \emphArabidopsis Cryptochrome-1 Correlates with \emphin Vivo Function, Journal of Biological Chemistry 280:19437-19440, Hoang, 2008Hoang, Nathalie; Schleicher, Erik; Kacprzak, Sylwia; Bouly, Jean-Pierre; Picot, Marie; Wu, William; Berndt, Albrecht; Wolf, Eva; Bittl, Robert; Ahmad, Margaret (2008): Human and \emphDrosophila Cryptochromes Are Light Activated by Flavin Photoreduction in Living Cells, PLoS Biology 6:e160]. Diese Beobachtungen lassen den Schluß zu, daß die Photoreduktion der Cryptochrome in vivo wesentlich effizienter und auch über alternative Elektronentransferpfade ablaufen könnte, als das für das aufgereinigte Protein in vitro beobachtet werden kann [Hoang, 2008Hoang, Nathalie; Schleicher, Erik; Kacprzak, Sylwia; Bouly, Jean-Pierre; Picot, Marie; Wu, William; Berndt, Albrecht; Wolf, Eva; Bittl, Robert; Ahmad, Margaret (2008): Human and \emphDrosophila Cryptochromes Are Light Activated by Flavin Photoreduction in Living Cells, PLoS Biology 6:e160].

Dieser Befund ist insbesondere im Licht der Ergebnisse dieser Arbeit, daß es in Cryptochromen auch innerhalb desselben Proteins unterschiedliche Elektronentransferpfade zu geben scheint, von großem Interesse. Hieran wird auch der Beitrag deutlich, den zeitaufgelöste EPR-Untersuchungen liefern können: Mit ihrer Hilfe ist es möglich, das im Verlauf des Elektronentransfers auftretende Radikalpaar direkt zu detektieren, hinsichtlich seiner magnetischen Wechselwirkungen zu charakterisieren und die beteiligten Radikalpaarpartner zu identifizieren.

Wie die Photoreduktion des Flavins vom oxidierten Zustand (inaktiv) zum Semichinonradikal (aktiv), die höchstwahrscheinlich den Primärprozeß des Photozyklusses der Cryptochrome darstellt, an nachfolgende Elemente der Signalkaskade weitergeben wird, ist nach wie vor ungeklärt. Es wird allerdings vermutet, daß die Änderung des Redoxzustandes zu einer Konformationsänderung des Proteins führt, die dann von nachgelagerten Komponenten des Signaltransferweges erkannt wird [Hoang, 2008Hoang, Nathalie; Schleicher, Erik; Kacprzak, Sylwia; Bouly, Jean-Pierre; Picot, Marie; Wu, William; Berndt, Albrecht; Wolf, Eva; Bittl, Robert; Ahmad, Margaret (2008): Human and \emphDrosophila Cryptochromes Are Light Activated by Flavin Photoreduction in Living Cells, PLoS Biology 6:e160].