Thông thường, một bản sao của gen ức chế khối u là đủ để điều hòa sự phân chia tế bào. Để hình thành ung thư, cả hai bản sao của gen ức chế khối u đều phải bị mất hoặc bất hoạt, đây chính là nội dung của thuyết hai-đột-biến. Theo đó, đột biến gây ung thư xảy ra trên gen ức chế khối u là đột biến lặn, đột biến trên một nhiễm sắc thể chưa đủ để gây ra kiểu hình.

Thuyết hai-đột-biến được trình bày bởi A.G. Knudson, dựa trên các quan sát của ông về bệnh ung thư nguyên bào võng mạc (retinoblastoma). Ông quan sát rằng 40% bệnh nhân Mỹ mang đột biến trên tế bào mầm sinh dục[4]. Cha mẹ mang bệnh có thể sinh ra con khỏe mạnh nhưng đứa trẻ đời cháu (con của người con khỏe mạnh) có thể mang bệnh ung thư[5]. Điều này có nghĩa là người con khỏe mạnh đã được di truyền tế bào mầm sinh dục mang theo đột biến, nhưng chưa được biểu hiện. Cộng thêm các quan sát trên tuổi của người bệnh, ông nhận thấy diễn biến của gen bệnh trùng hợp với sự di truyền tính trạng lặn nhưng đòi hỏi phải có đột biến trên cả hai alen. Các ca bệnh ung thư do di truyền mang một đột biến từ đời trước và một đột biến phát sinh trên alen bình thường. Ở các ca bệnh ung thư nguyên bào võng mạc không do di truyền, người bệnh mang đột biến phát sinh trên cả hai alen. Knudson cũng nhận thấy rằng người bệnh do di truyền thường phát sinh ung thư thứ cấp và thường xảy ra sớm, khi còn nhỏ, so với bệnh nhân không di truyền thường chỉ phát sinh một lọai ung thư.

Có một số ngoại lệ so với học thuyết hai-đột biến ở gen ức chế khối u, ví dụ như một số đột biến nhất định trên gen p53. Đột biến p53 trên một alen vẫn có thể gây ra kiểu hình, vì protein p53 đột biến có thể ức chế chức năng của protein p53 bình thường tạo bởi alen không đột biến [6]. Một số gen ức chế khối u khác không tuân theo thuyết hai-đột-biến là những gen có tính chất đặc biệt: gen trội ở cơ thể dị hợp tử không đủ để biểu hiện tính trạng (haploinsufficiency), ví dụ như gen PTCH ở ung thư nguyên bào não và NF1 ở ung thư mô liên kết thần kinh. Một ví dụ khác là gen p27, quy định protein ức chế chu kỳ tế bào; khi chỉ một alen trên gen p27 bị đột biến, người bệnh tăng khả năng bị ảnh hưởng bở các chất gây ung thư[7].