咖啡碱合成过程中的甲基供体是S-腺苷-L-甲硫氨酸（SAM），通过N-甲基转移酶类（NMTs）催化黄嘌呤三步甲基化，最终生物合成咖啡碱。这3种甲基化转移酶分别是黄嘌呤核苷N-甲基转移酶（7-NMT）、7-甲基黄嘌呤N-甲基转移酶（3-NMT）和3，7-甲基黄嘌呤转移酶（1-NMT），其中3-NMT 的活性最高，是7-NMT及1-NMT活性总和的10倍以上。由于3-NMT和1-NMT具有几乎相同的性质，人们把这两种酶看作为同一种酶，也就是目前已经解析的TCS。

TCS基因（CsCS1，GenBank: AB031280） 在茶树中被克隆之后，研究发现其合成酶基因存在突变。以可可茶为例，其咖啡碱合成酶（CpCS）由于个别氨基酸的突变失去了常规茶咖啡碱合成酶（TCS1）的正常功能，使可可碱（3，7-二甲基黄嘌呤）不能催化成为咖啡碱，从而导致可可碱的含量较高。茶树NMT的独立和快速的进化机制导致了TCS1具有丰富的等位变异。目前，已经从茶树中发现了6种TCS1的等位基因，其中TCS1a是主要基因，其他基因存在于一些野生种茶树里面，例如不含咖啡碱的红