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(diǎn)，TK2基因定位于染色體16染色體 。
作用機(jī)理轉(zhuǎn)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酶被稱為一種嘧啶補(bǔ)救途徑的酶。
圖1：TK1在細(xì)胞增殖DNA合成中的作用機(jī)理圖
歷史1951年發(fā)現(xiàn)，胸苷(Thd) 與DNA合成的關(guān)聯(lián);1956年的報(bào)告指出，Thd參與DNA合成前，必須磷酸化;1958-60年，TK1被分離和部分的純化以后，Thd磷酸化由該酶催化的事實(shí)也得到證實(shí)。;1960s，研究發(fā)現(xiàn)，TK以多種同工酶形式存在于各種不同的原核和真核生物中。這兩種同工酶原命名為“胚胎”(fetal)TK和“成人”(adult)TK，因?yàn)槠渲幸环N同工酶大量存在于胚胎。很快我們研究得知，胚胎TK是與細(xì)胞的分裂相關(guān)，存在于細(xì)胞質(zhì)中，反之，成人TK存在于線粒體中，它的表達(dá)與細(xì)胞周期無關(guān)。前者稱為TK1(細(xì)胞質(zhì)胸苷激酶)，后者稱為TK2(線粒體胸苷激酶)。自從它們的發(fā)現(xiàn)以來，TK同工酶引起了廣泛的關(guān)注，各種涉及TK各個(gè)方面的論文紛紛出版。
基因TK1基因被克隆，測序，是一種分子量為25KD的蛋白質(zhì)。包含了人TK的基因編碼區(qū)域的cDNA已經(jīng)成功克隆，并且完成了序列分析，并報(bào)導(dǎo)TK基因經(jīng)常表現(xiàn)為多型。推測，輻照劑量影響染色體不平衡，增進(jìn)了這個(gè)核苷酸酶進(jìn)入補(bǔ)救途徑，可能是致癌的基本原理。進(jìn)而，有關(guān)報(bào)道指出，遺傳性的半乳糖激酶缺欠型的個(gè)體中，TK酶的也是缺欠型，此外，細(xì)胞的分裂與培養(yǎng)細(xì)胞中加入了β-干擾素有關(guān)，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] ：一類存在于皰疹病毒與細(xì)胞胸苷激酶類似;一類廣泛存在于脊椎動(dòng)物，細(xì)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于此類。目前只確認(rèn)了細(xì)胞胸苷激酶的蛋白位點(diǎn)模型。
胸苷激酶的表達(dá)和調(diào)控哺乳動(dòng)物細(xì)胞中染色體DNA的復(fù)制是限制在細(xì)胞周期中的某一特定期內(nèi)進(jìn)行的，它稱為S期。DNA前體合成和DNA復(fù)制過程中所需要的許多酶的酶活性在細(xì)胞進(jìn)入S期時(shí)升高，并在DNA合成完成后降低。一類型類的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(dǎo)升高。這類酶活性的改變，揭示了存在著兩種截然不同的調(diào)節(jié)機(jī)制：一種啟動(dòng)方式是酶活性在S期升高;另一種則是使酶活降低，并恢復(fù)到S期之前的水平。借助清除血清方法，當(dāng)細(xì)胞處于靜止期，僅僅檢測到低濃度的TK，但加入新鮮血清后，靜止期細(xì)胞將被誘發(fā)重新進(jìn)入細(xì)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(guān)的。通過血清刺激靜止細(xì)胞的啟動(dòng)方式已被采用作為定TK活性在正常細(xì)胞循環(huán)中周期性升高的調(diào)節(jié)機(jī)制。然而，僅很少研究表明，通過細(xì)胞的周期同步的方法，不影響正常培養(yǎng)細(xì)胞的過程。細(xì)胞經(jīng)離心分離同步后，發(fā)現(xiàn)TK的活性與TK1蛋白量的變化在整個(gè)細(xì)胞循環(huán)中存在著很好的相關(guān)性。酶活性與其對應(yīng)蛋白量都在S期早期迅速升高和積累，并在進(jìn)行有絲分裂細(xì)胞中達(dá)到最高。TK1蛋白含量的升高(15倍[15-fold])明顯高于TK1mRNA含量的升高(3倍)。這一差異主要由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(xì)胞分裂期，細(xì)胞內(nèi)的酶的半衰期陡然降低，同時(shí)TK1mRNA的含量和TK1蛋白合成率都會(huì)適當(dāng)下降。G1期TK的低水平主要是細(xì)胞分裂過程中這蛋白質(zhì)的特殊降解過程造成的。如果缺失人TK的C端40個(gè)氨基酸或者使TK的羧基末端與β-半乳糖苷酶融合，TK的細(xì)胞周期調(diào)控完全消失，細(xì)胞中含量保持穩(wěn)定。但這些變化不會(huì)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(gè)酶在細(xì)胞周期的特殊時(shí)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(fù)制期細(xì)胞凋亡的數(shù)量。
胸苷激酶的臨床應(yīng)用由于TK1(細(xì)胞質(zhì)胸苷激酶)與細(xì)胞增殖密切相關(guān)，1980s就出現(xiàn)了檢測TK1活性的試劑盒，用于腫瘤輔助診斷和腫瘤治療監(jiān)控。1990s后期，基于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于實(shí)體瘤靈敏度偏低的缺點(diǎn)，同時(shí)化學(xué)發(fā)光法降低了熒光法的污染危害。目前TK1的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面：
體檢應(yīng)用
評(píng)估各類增殖類疾病惡變風(fēng)險(xiǎn)：處于過度增殖的增殖類疾病是腫瘤形成的第一步。基于TK1與細(xì)胞增殖的密切關(guān)系，能夠靈敏地檢查出TK1濃度的變化，從而發(fā)現(xiàn)惡性增殖風(fēng)險(xiǎn)，為腫瘤的預(yù)防提供增殖信息，適用于健康人群的腫瘤預(yù)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(yīng)用
1、評(píng)估放化療效果：能夠?qū)Ω鞣N實(shí)體腫瘤(例如：肺癌，胃癌，結(jié)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(jìn)行評(píng)估，為治療方案的改善提供參考;2、評(píng)估手術(shù)效果：通過比較腫瘤患者手術(shù)前后腫瘤細(xì)胞的增殖情況，為手術(shù)效果評(píng)價(jià)提供參考;3、評(píng)估腫瘤復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)：對腫瘤患者手術(shù)及治療恢復(fù)期的殘留腫瘤細(xì)胞的增殖狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估，較影像學(xué)更早發(fā)現(xiàn)復(fù)發(fā)轉(zhuǎn)移風(fēng)險(xiǎn);不同腫瘤類別的胸苷激酶應(yīng)用案例：1、血液學(xué)惡性腫瘤中胸苷激酶的增長具有規(guī)律性。例如，胸苷激酶1(TK1)用于監(jiān)控非霍奇金淋巴瘤。這種腫瘤的攻擊性差別很大，有些屬于慢速增殖，很難覺察難以及時(shí)治療;還有一些屬于快速增殖，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(xiàn)，與正常水平相近的對應(yīng)慢速增殖腫瘤，具有很高水平的對應(yīng)快速增殖腫瘤。淋巴瘤患者血清TK1水平升高，可能預(yù)示著腫瘤具有高活性和高攻擊性，因此通過監(jiān)測血清TK1水平的變化，適合于腫瘤的治療評(píng)估。該模型也使用于其他類型血液惡性腫瘤中(白血病，漿細(xì)胞骨髓瘤，骨髓增生異常綜合癥)。需要關(guān)注的是在骨髓增生異常綜合癥中：有一部分病例會(huì)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)檫M(jìn)行白血病，但是還有一些在很長一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)展緩慢。那如果能夠鑒別出是否有進(jìn)展為白血病的趨勢將對治療非常重要。2、實(shí)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(fù)發(fā)情況具有相關(guān)性。有報(bào)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(biāo)志物)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。對于其他實(shí)體腫瘤，如小細(xì)胞肺癌，乳腺癌，胃癌，腎癌，膀胱癌等都有應(yīng)用價(jià)值。
