PKU é uma herança autossômica recessiva metabólica, doença genética. Como uma doença autossômica recessiva, dois PKU alelos são necessários para que um indivíduo apresentar sintomas da doença. Se ambos os pais são portadores de PKU, há uma chance de 25% de qualquer criança que vai nascer com a doença, 50% de chance de a criança ser portadora, e 25% de chance de a criança não irá desenvolver nem ser portador da doença.
PKU é caracterizada por homozigótico ou heterozigótico composto mutações no gene para a enzima hepática fenilalanina hydroxylase (PAH), tornando-o inoperante. Esta enzima é necessária para metabolizar o aminoácido fenilalanina (Phe) para o aminoácido tirosina (Tyr). Quando PAH atividade é reduzida, a fenilalanina se acumula e é convertido em phenylpyruvate (também conhecido como phenylketone), a qual pode ser detectada na urina.
Portadores de um único PKU alelo não apresentam sintomas da doença, mas parecem ser protegidos de alguma maneira contra a toxina fúngica ocratoxina A. Isso explica a persistência de um alelo em certas populações, em que confere uma vantagem seletiva—em outras palavras, ser um heterozigoto é vantajoso.
O PAH gene está localizado no cromossomo 12, em bandas de 12q22-q24.1. Mais de 400 doença-causando mutações foram encontradas no gene PAH. Este é um exemplo de alelos que a heterogeneidade genética.