胸苷激酶(Thymidine kinase)是一种催化胸苷的磷酸化生成胸苷一磷酸的酶。胸苷激酶以醇基为受体催化ATP，也可以α-uridine为受体。催化α-GAT的磷酸基为供体的酶反应。

转换脱氧胸苷(Thd) 为胸苷酸 (TMP)，这种磷酸化方式是唯一的通途引入Thd到DNA代谢(图1) 。正因如此，TK酶被称为一种嘧啶补救途径的酶。

1951年发现，胸苷(Thd) 与DNA合成的关联；

1956年的报告指出，Thd参与DNA合成前，必须磷酸化；

1958-60年，TK1被分离和部分的纯化以后，Thd磷酸化由该酶催化的事实也得到证实。；

1960s，研究发现，TK以多种同工酶形式存在于各种不同的原核和真核生物中。这两种同工酶原命名为“胚胎”（fetal）TK和“成人”（adult）TK，因为其中一种同工酶大量存在于胚胎。很快我们研究得知，胚胎TK是与细胞的分裂相关，存在于细胞质中，反之，成人TK存在于线粒体中，它的表达与细胞周期无关。前者称为TK1（细胞质胸苷激酶），后者称为TK2（线粒体胸苷激酶）。自从它们的发现以来，TK同工酶引起了广泛的关注，各种涉及TK各个方面的论文纷纷出版。

TK1基因被克隆，测序，是一种分子量为25KD的蛋白质。包含了人TK的基因编码区域的cDNA已经成功克隆，并且完成了序列分析，并报导TK基因经常表现为多型。推测，辐照剂量影响染色体不平衡，增进了这个核苷酸酶进入补救途径，可能是致癌的基本原理。进而，有关报道指出，遗传性的半乳糖激酶缺欠型的个体中，TK酶的也是缺欠型，此外，细胞的分裂与培养细胞中加入了β-干扰素有关，但TK基因也起到了不可或缺的作用。

已得到鉴别的胸苷激酶可分为两大类：

一类存在于疱疹病毒与细胞胸苷激酶类似；

一类广泛存在于脊椎动物，细菌，T4噬菌体，痘病毒，非洲猪瘟病毒（ASFV）和鱼淋巴囊肿病毒（FLDV）。昆虫虹彩病毒衣壳蛋白也属于此类。

只确认了细胞胸苷激酶的蛋白位点模型。

哺乳动物细胞中染色体DNA的复制是限制在细胞周期中的某一特定期内进行的，它称为S期。DNA前体合成和DNA复制过程中所需要的许多酶的酶活性在细胞进入S期时升高，并在DNA合成完成后降低。一类型类的S期特殊酶，包括TK、胸苷酸合成酶、二磷酸核糖核苷还原酶、二氢叶酸还原酶，其特徵是这类型酶被大幅度诱导升高。这类酶活性的改变，揭示了存在着两种截然不同的调节机制：一种启动方式是酶活性在S期升高；另一种则是使酶活降低，并恢复到S期之前的水平。

借助清除血清方法，当细胞处于静止期，仅仅检测到低浓度的TK，但加入新鲜血清后，静止期细胞将被诱发重新进入细胞周期，TK水平在S期早期升高。TK活性的改变与TK1的mRNA水平的改变是相关的。通过血清刺激静止细胞的启动方式已被采用作为定TK活性在正常细胞循环中周期性升高的调节机制。然而，仅很少研究表明，通过细胞的周期同步的方法，不影响正常培养细胞的过程。细胞经离心分离同步后，发现TK的活性与TK1蛋白量的变化在整个细胞循环中存在着很好的相关性。酶活性与其对应蛋白量都在S期早期迅速升高和积累，并在进行有丝分裂细胞中达到最高。TK1蛋白含量的升高（15倍[15-fold]）明显高于TK1mRNA含量的升高（3倍）。这一差异主要由TK1的mRNA的翻译效率增加造成的。S期TK1蛋白的合成率是G1期的10倍。细胞分裂期，细胞内的酶的半衰期陡然降低，同时TK1mRNA的含量和TK1蛋白合成率都会适当下降。G1期TK的低水平主要是细胞分裂过程中这蛋白质的特殊降解过程造成的。如果缺失人TK的C端40个氨基酸或者使TK的羧基末端与β-半乳糖苷酶融合，TK的细胞周期调控完全消失，细胞中含量保持稳定。但这些变化不会有意义的改变TK的特殊酶活性（specific enzymatic activity of TK）。因此，TK的靠近C端残基对这个酶在细胞周期的特殊时期的降解是必需的。新生儿和肿瘤病人血清中高水平的TK含量可能就反映出复制期细胞凋亡的数量。

由于TK1（细胞质胸苷激酶）与细胞增殖密切相关，1980s就出现了检测TK1活性的试剂盒，用于肿瘤辅助诊断和肿瘤治疗监控。1990s后期，基于TK1浓度检测的试剂盒问世，在一定程度上解决了活性检测对于实体瘤灵敏度偏低的缺点，同时化学发光法降低了荧光法的污染危害。

TK1的应用主要有两个方面：

体检应用

评估各类增殖类疾病恶变风险：处于过度增殖的增殖类疾病是肿瘤形成的第一步。基于TK1与细胞增殖的密切关系，能够灵敏地检查出TK1浓度的变化，从而发现恶性增殖风险，为肿瘤的预防提供增殖信息，适用于健康人群的肿瘤预防检测。

临床应用

1、评估放化疗效果：能够对各种实体肿瘤（例如：肺癌，胃癌，结肠癌，直肠癌，食道癌，乳腺癌，宫颈癌，前列腺癌等）以及白血病和淋巴癌患者的治疗效果进行评估，为治疗方案的改善提供参考；

2、评估手术效果：通过比较肿瘤患者手术前后肿瘤细胞的增殖情况，为手术效果评价提供参考；

3、评估肿瘤复发风险：对肿瘤患者手术及治疗恢复期的残留肿瘤细胞的增殖状态进行动态评估，较影像学更早发现复发转移风险；

不同肿瘤类别的胸苷激酶应用案例：

1、血液学恶性肿瘤中胸苷激酶的增长具有规律性。例如，胸苷激酶1（TK1）用于监控非霍奇金淋巴瘤。这种肿瘤的攻击性差别很大，有些属于慢速增殖，很难觉察难以及时治疗；还有一些属于快速增殖，具有高攻击性需要紧急治疗。这些差异可以在血清胸苷激酶的水平高低上得以体现，与正常水平相近的对应慢速增殖肿瘤，具有很高水平的对应快速增殖肿瘤。淋巴瘤患者血清TK1水平升高，可能预示着肿瘤具有高活性和高攻击性，因此通过监测血清TK1水平的变化，适合于肿瘤的治疗评估。

该模型也使用于其他类型血液恶性肿瘤中（白血病，浆细胞骨髓瘤，骨髓增生异常综合症）。需要关注的是在骨髓增生异常综合症中：有一部分病例会迅速转变为进行白血病，但是还有一些在很长一段时间内进展缓慢。那如果能够鉴别出是否有进展为白血病的趋势将对治疗非常重要。

2、实体肿瘤中胸苷激酶的升高往往也与肿瘤恶性增殖程度，治疗效果，复发情况具有相关性。有报告指出在前列腺癌症中，胸苷激酶能够如同PSA（前列腺特异抗原，前列腺癌中使用最频繁的肿瘤标志物）一样提供辅助参考。PSA提示肿瘤大小，而TK提示肿瘤增殖速度。对于其他实体肿瘤，如小细胞肺癌，乳腺癌，胃癌，肾癌，膀胱癌等都有应用价值。