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. 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.