I diversi alleli di uno stesso gene esistono perché i geni sono soggetti a mutazioni.

Una mutazione, nonostante sia un evento piuttosto raro, può dare origine a un nuovo allele. Le mutazioni, che studieremo nel ▶capitolo B3, sono fenomeni casuali; copie diverse di uno stesso allele possono andare incontro a cambiamenti differenti.

I genetisti definiscono selvatico quel particolare allele di un gene che in natura è presente nella maggior parte degli individui. Esso dà origine a un carattere (o fenotipo) atteso, mentre gli altri alleli del gene, detti alleli mutanti, producono un fenotipo diverso.

L’allele selvatico e gli alleli mutanti occupano lo stesso locus e vengono ereditati secondo le regole stabilite da Mendel. Un gene il cui locus è occupato dall’allele selvatico in meno del 99% dei casi (e negli altri casi da alleli mutanti) è detto polimorfico.

In una specie, a seguito di mutazioni casuali, possono esistere più di due alleli di un certo gene (anche se ogni individuo diploide ne contiene soltanto due, uno di origine materna e l’altro di origine paterna). Questa condizione prende il nome di poliallelia ed è assai frequente in natura.

Per esempio, il colore del manto nei conigli è determinato da un unico gene di cui conosciamo quattro alleli. Poiché ogni individuo ne possiede soltanto due, tra i conigli sono diffusi numerosi genotipi e fenotipi. Un coniglio provvisto dell’allele C (abbinato a uno qualsiasi dei quattro possibili) è grigio scuro, mentre un coniglio cc è albino. Le colorazioni intermedie sono il risultato delle diverse combinazioni alleliche riportate nella ▶figura 10.

L’esistenza della poliallelia accresce il numero di fenotipi possibili. Negli esempi considerati da Mendel erano presenti soltanto una coppia di alleli (L e l) e due possibili fenotipi (corrispondenti l’uno a LL oppure a Ll e l’altro a ll) per ciascun carattere. I quattro alleli del gene per il colore del manto del coniglio producono invece cinque fenotipi differenti.

Nelle singole coppie di alleli studiate da Mendel, gli eterozigoti (Ll) mostravano dominanza completa, cioè esprimevano sempre il fenotipo L. Molti geni, però, hanno alleli che non sono né dominanti né recessivi l’uno rispetto all’altro: gli eterozigoti, infatti, presentano un fenotipo intermedio. Per esempio, varietà pure di bocche di leone a fiori rossi incrociate con varietà a fiori bianchi, in F₁ danno tutti fiori rosa. Questo risultato a prima vista pare in contrasto con le teorie di Mendel, perché sembrerebbe che i caratteri si mescolino perdendo la loro identità.

Per dimostrare che è possibile spiegare il fenomeno in termini di genetica mendeliana è sufficiente lasciare che bocche di leone rosa di F₁ si autoimpollinino; le piante F₂ risultanti producono fiori con un rapporto di 1 rosso: 2 rosa: 1 bianco (▶figura 11). Chiaramente le particelle ereditarie, cioè i geni, non si sono mescolati, tanto che nella generazione F₂ si sono riassortiti rispettando i rapporti previsti dalla seconda legge di Mendel.

Quando gli eterozigoti mostrano un fenotipo intermedio fra quello dei due omozigoti, si dice che il gene segue la regola della dominanza incompleta; in altre parole, nessuno dei due alleli è dominante.

Talvolta i due alleli di un locus producono due diversi fenotipi che compaiono entrambi negli eterozigoti, un fenomeno definito codominanza. Un buon esempio di codominanza è osservabile nel sistema AB0 dei gruppi sanguigni umani (che costituisce anche un caso di poliallelia).

I primi tentativi di trasfusione provocavano spesso la morte del paziente. All’inizio del Novecento, lo scienziato austriaco Karl Landsteiner provò a mescolare i globuli rossi di un individuo con il siero (il liquido emesso dal sangue dopo la coagulazione) di un altro individuo, e trovò che soltanto certe combinazioni sono compatibili; nelle altre, i globuli rossi si agglutinano, cioè si riuniscono in piccole masse, che finiscono per danneggiare la circolazione.

L’agglutinazione dei globuli rossi si verifica perché alcune proteine presenti nel siero, dette anticorpi, reagiscono con le cellule estranee. Gli anticorpi si legano a molecole, gli antigeni, situate sulla superficie delle cellule estranee.

La compatibilità sanguigna dipende da una serie di tre alleli (I ^A, I ^B e i) di uno stesso locus posto sul cromosoma 9, che determinano il tipo di antigeni sulla superficie dei globuli rossi. Le varie combinazioni di questi alleli producono nella popolazione quattro diversi fenotipi: i gruppi sanguigni A, B, AB e 0 (▶figura 12). Il fenotipo AB, che si riscontra negli individui a genotipo I ^A I ^B, è un esempio di codominanza: questi individui infatti producono antigeni della superficie cellulare tanto di tipo A quanto di tipo B.

I principi di Mendel si ampliarono ulteriormente quando fu scoperto che un singolo allele può influenzare più di un fenotipo. Un allele che abbia più effetti fenotipici distinti è detto pleiotropico.

Un comune esempio di pleiotropia riguarda l’allele responsabile della colorazione del pelo dei gatti siamesi, con le estremità più scure del resto del corpo; lo stesso allele è responsabile anche dei caratteristici occhi strabici dei siamesi (▶figura 13). Entrambi questi effetti, fra i quali non sembra esserci alcun rapporto diretto, derivano da una stessa proteina prodotta sotto l’influenza di tale allele.

Tra i geni che hanno un’azione pleiotropica ci sono quelli responsabili di molte malattie umane caratterizzate da un quadro clinico complesso con molti sintomi differenti, come per esempio la fenilchetonuria (PKU). La fenilchetonuria è causata da un allele recessivo che rende inattivo l’enzima che catalizza la conversione dell’amminoacido fenilalanina in tirosina.

In presenza dell’allele recessivo, la fenilalanina che entra nel corpo umano con il cibo non viene degradata ma si accumula nell’organismo; in queste condizioni viene convertita in un composto tossico, l’acido fenilpiruvico, che attraverso il sangue raggiunge il cervello, impedendone il normale sviluppo e provocando ritardo mentale. La PKU è un esempio in cui una mutazione a carico di un solo gene provoca effetti molteplici a livello dell’intero organismo; ciò dipende sia dalla complessità delle interazioni geniche all’interno della cellula, sia da altri fattori come la quantità di fenilalanina che si introduce con la dieta, la concentrazione dell’acido fenilpiruvico nel sangue e l’azione sul sistema nervoso centrale.