在70年代中期，公布了2種TK同工酶的基因在染色體上的定位，TK1基因定位在17染色體 q21-22，靠近半乳糖激酶位點，TK2基因定位於染色體16染色體。
作用機理轉換脫氧胸苷(Thd) 為胸苷酸 (TMP)，這種磷酸化方式是唯一的通途引入Thd到DNA代謝(圖1) 。正因如此，TK酶被稱為壹種嘧啶補救途徑的酶。
圖1：TK1在細胞增殖DNA郃成中的作用機理圖
歷史1951年髮現，胸苷(Thd) 與DNA郃成的關聯;1956年的報告指齣，Thd葠與DNA郃成前，必鬚燐痠化;1958-60年，TK1被分離龢部分的純化以後，Thd燐痠化由該酶催化的事寑也得到證寑。;1960s，研究髮現，TK以多種衕工酶形式存在於各種不衕的原覈龢真覈生物中。這兩種衕工酶原命名為“胚胎”(fetal)TK龢“成人”(adult)TK，因為其中壹種同工酶大量存在於胚胎。很快我們研究得知，胚胎TK是與細胞的分裂相關，存在於細胞質中，反之，成人TK存在於線粒體中，它的表達與細胞周期無關。前者稱為TK1(細胞質胸苷激酶)，後者稱為TK2(線粒體胸苷激酶)。自從它們的發現以來，TK同工酶引起了廣泛的關註，各種涉及TK各個方面的論文紛紛出版。
基因TK1基因被克隆，測序，是壹種分子量為25KD的蛋白質。包含了人TK的基因編碼區域的cDNA已經成功克隆，並且完成了序列分析，並報導TK基因經常表現為多型。推測，輻照劑量影響染色體不平衡，增進了這個核苷酸酶進入補救途徑，可能是致癌的基本原理。進而，有關報道指出，遺傳性的半乳糖激酶缺欠型的個體中，TK酶的也是缺欠型，此外，細胞的分裂與培養細胞中加入了β-幹擾素有關，但TK基因也起到了不可或缺的作用。
分類目前已得到鑒別的胸苷激酶可分為兩大類[1-2] ：壹類存在於皰疹病毒與細胞胸苷激酶類似;壹類廣泛存在於脊椎動物，細菌，T4噬菌體，痘病毒，非洲豬瘟病毒(ASFV)和魚淋巴囊腫病毒(FLDV)。昆蟲虹彩病毒衣殼蛋白也屬於此類。目前只確認了細胞胸苷激酶的蛋白位點模型。
胸苷激酶的表達和調控哺乳動物細胞中染色體DNA的復制是限制在細胞周期中的某一特定期內進行的，它稱為S期。DNA前體合成和DNA復制過程中所需要的許多酶的酶活性在細胞進入S期時升高，並在DNA合成完成後降低。壹類型類的S期特殊酶，包括TK、胸苷酸合成酶、二磷酸核糖核苷還原酶、二氫葉酸還原酶，其特徵是這類型酶被大幅度誘導升高。這類酶活性的改變，揭示了存在著兩種截然不同的調節機制：壹種啟動方式是酶活性在S期升高;另壹種則是使酶活降低，並恢復到S期之前的水平。借助清除血清方法，當細胞處於靜止期，僅僅檢測到低濃度的TK，但加入新鮮血清後，靜止期細胞將被誘發重新進入細胞周期，TK水平在S期早期升高。TK活性的改變與TK1的mRNA水平的改變是相關的。通過血清刺激靜止細胞的啟動方式已被采用作為定TK活性在正常細胞循環中周期性升高的調節機制。然而，僅很少研究表明，通過細胞的周期同步的方法，不影響正常培養細胞的過程。細胞經離心分離同步後，發現TK的活性與TK1蛋白量的變化在整個細胞循環中存在著很好的相關性。酶活性與其對應蛋白量都在S期早期迅速升高和積累，並在進行有絲分裂細胞中達到最高。TK1蛋白含量的升高(15倍[15-fold])明顯高於TK1mRNA含量的升高(3倍)。這壹差異主要由TK1的mRNA的翻譯效率增加造成的。S期TK1蛋白的合成率是G1期的10倍。細胞分裂期，細胞內的酶的半衰期陡然降低，同時TK1mRNA的含量和TK1蛋白合成率都會適當下降。G1期TK的低水平主要是細胞分裂過程中這蛋白質的特殊降解過程造成的。如果缺失人TK的C端40個氨基酸或者使TK的羧基末端與β-半乳糖苷酶融合，TK的細胞周期調控完全消失，細胞中含量保持穩定。但這些變化不會有意義的改變TK的特殊酶活性(specific enzymatic activity of TK)。因此，TK的靠近C端殘基對這個酶在細胞周期的特殊時期的降解是必需的。新生兒和腫瘤病人血清中高水平的TK含量可能就反映出復制期細胞雕亡的數量。
胸苷激酶的臨床應用由於TK1(細胞質胸苷激酶)與細胞增殖密切相關，1980s就出現了檢測TK1活性的試劑盒，用於腫瘤輔助診斷和腫瘤治療監控。1990s後期，基於TK1濃度檢測的試劑盒問世，在一定程度上解決了活性檢測對於實體瘤靈敏度偏低的缺點，同時化學發光法降低了熒光法的汙染危害。目前TK1的應用主要有兩個方面：
體檢應用
評估各類增殖類疾病惡變風險：處於過度增殖的增殖類疾病是腫瘤形成的第一步。基於TK1與細胞增殖的密切關系，能夠靈敏地檢查出TK1濃度的變化，從而發現惡性增殖風險，為腫瘤的預防提供增殖信息，適用於健康人群的腫瘤預防檢測。
圖2：TK1在正常增殖與異常增殖患者血清中的差異
臨床應用
1、評估電化療效果：能夠對各種實體腫瘤(例如：肺癌，胃癌，結腸癌，直腸癌，食道癌，乳腺癌，宮頸癌，前列腺癌等)以及白血病和淋巴癌患者的治療效果進行評估，為治療方案的改善提供參考;2、評估手術效果：通過比較腫瘤患者手術前後腫瘤細胞的增殖情況，為手術效果評價提供參考;3、評估腫瘤復發風險：對腫瘤患者手術及治療恢復期的殘留腫瘤細胞的增殖狀態進行動態評估，較影像學更早發現復發轉移風險;不同腫瘤類別的胸苷激酶應用案例：1、血液學惡性腫瘤中胸苷激酶的增長具有規律性。例如，胸苷激酶1(TK1)用於監控非霍奇金淋巴瘤。這種腫瘤的攻擊性差別很大，有些屬於慢速增殖，很難覺察難以及時治療;還有一些屬於快速增殖，具有高攻擊性需要緊急治療。這些差異可以在血清胸苷激酶的水平高低上得以體現，與正常水平相近的對應慢速增殖腫瘤，具有很高水平的對應快速增殖腫瘤。淋巴瘤患者血清TK1水平升高，可能預示著腫瘤具有高活性和高攻擊性，因此通過監測血清TK1水平的變化，適合於腫瘤的治療評估。該模型也使用於其他類型血液惡性腫瘤中(白血病，漿細胞骨髓瘤，骨髓增生異常綜合癥)。需要關註的是在骨髓增生異常綜合癥中：有一部分病例會迅速轉變為進行白血病，但是還有一些在很長壹段時間內進展緩慢。那如果能夠鑒別出是否有進展為白血病的趨勢將對治療非常重要。2、實體腫瘤中胸苷激酶的升高往往也與腫瘤惡性增殖程度，治療效果，復發情況具有相關性。有報告指出在前列腺癌癥中，胸苷激酶能夠如同PSA(前列腺特異抗原，目前前列腺癌中使用最頻繁的腫瘤標誌物)一樣提供輔助參考。PSA提示腫瘤大小，而TK提示腫瘤增殖速度。對於其他實體腫瘤，如小細胞肺癌，乳腺癌，胃癌，腎癌，膀胱癌等都有應用價值。