TYMP基因位于常染色體22q13.32，編碼胸苷磷酸化酶（TP），是MNGIE的致病基因。該基因具有10個外顯子，其中1號外顯子為調節區，2-10外顯子為編碼區，編碼482個氨基酸。已發現79個不同的突變，包括錯義突變、拼接位點突變、缺失突變、單核苷酸插入突變、重復突變和移碼突變等，其中錯義突變最為常見。
TP的主要作用是降解胞質中的脫氧胸苷（dThd）和脫氧尿苷（dUrd），并具有間接促進血管生成、抑制膠質細胞增殖以及細胞營養等作用。TP催化活性降低或喪失，可使外周血和組織中的dThd和dUrd大量蓄積，從而影響三磷酸脫氧核苷酸庫（dNTPs）的平衡。nDNA的復制主要發生在細胞周期的S期，其合成主要依賴從頭合成途徑，且具有嚴格的調節和修復系統，因而dNTPs平衡不易受到影響。而mtDNA的復制發生在細胞周期全程，其更依賴于核苷補救途徑（特別在細胞靜止期），因此線粒體中的dNTPs平衡更容易受到影響。當TYMP基因突變時，循環中dThd和dUrd濃度明顯升高，線粒體會攝取過多的dThd和dUrd而產生過多的脫氧胸苷三磷酸（dTTP）和脫氧尿苷三磷酸（dUTP），從而導致mtDNA的復制異常，出現耗竭、多發缺失和點突變。
TP主要在胃腸系統、腦、周圍神經、自主神經、脾等組織和器官中表達，而在肌肉、腎臟、大動脈等組織器官中不表達。因此當TP活性降低或缺失時，相應的組織器官便會出現功能障礙。
TP活性與臨床癥狀的嚴重程度之間存在著一定的相關性。當TP<10%時，導致典型的MNGIE表現；TP10%-15%，表現為遲發－輕型MNGIE；TP26%-35%，一般為無癥狀攜帶者。