细胞分化（cell differentiation）是指在个体发育中，由一个或一种细胞增殖产生的后代，在形态、结构和生理功能上发生稳定性差异的过程。细胞分化是一种相对稳定而持久的过程，并可将遗传特性遗传给后代细胞，从而导致个体发育的不可逆性。正常情况下，细胞分化是稳定、不可逆的，一旦细胞受到某种刺激发生变化，开始向某一方向分化后，即使引起变化的刺激不再存在，分化仍能进行，并可通过细胞分裂不断继续下去。细胞分化的方向和程序都是预先确定的。

细胞分化不仅发生在胚胎发育中，而且在一生都进行着，以补充衰老和死亡的细胞。

胚胎细胞本身是一种极度幼稚的低分化细胞，是一种全能性的多能细胞（pluripotent cell），在微环境的作用下可向特定的专能稳定型分化。决定胚胎细胞分化的因素，其一是细胞本身所具有的潜能；其二是微环境的适宜条件，最根本的还是细胞本身基因表达的调控。

细胞核中的组蛋白对基因表达有抑制作用，而非组蛋白可以解除基因抑制，使一些基因开放。某些物质可诱导这两种蛋白的结合，从而调节一些基因的开放和抑制，使分化细胞表达不同蛋白，而呈现不同的功能。这说明细胞核的遗传物质与分化细胞生物性状密切相关。

胚胎在卵裂时细胞质分布不均等，决定了早期的细胞分化，这种特殊的卵细胞质组分称为细胞质决定子（cytoplasmic determinant）。随着一次次的细胞质的不均等的分裂，致子细胞发生差异。

此外胚胎细胞的分化受细胞外环境的调节，如细胞外基质中的间质细胞及分泌的分子如胶原、非胶原糖蛋白（纤粘连蛋白、层粘连蛋白、软骨黏蛋白、骨粘连蛋白等）。

胚胎的发育是细胞分化的结果，但分化机制还不十分清楚，有待进一步研究。胚层分化见图3-1。

成体中的细胞分化是通过不断更新来进行的，细胞生长发育的过程就是细胞不断分化的过程，主要靠组织中存在的一小部分未分化的干细胞，自主进行分裂，再经分化形成子代细胞。干细胞可无限制地分裂，分裂的子代细胞可作为干细胞不断分裂以维持组织特性，否则不可逆地向终末分化直到衰老死亡。

人体脾脏和骨髓是一种造血器官，具有较多的可自我增殖分化的多能造血干细胞。多能造血干细胞增殖分化产生定向干细胞，再分裂分化产生各种血细胞。定向干细胞的特点是:①已有所分化，失去多方向分化的能力；②增殖能力有限，只能再分裂数次；③定向干细胞具有对某些调节因子起反应的受体结构。

脾脏起代偿性造血作用时，在脾脏可形成脾脏造血灶，即脾集落形成单位（colony forming unit-spleen，CFU-S）。骨髓是造血的主要器官，富含多能干细胞，在造血因子存在下，可在体外进行骨髓细胞培养时形成细胞集落，称为体外培养集落形成单位（colony forming unit-culture，CFU-C）。造血干细胞的分化依赖于所处的造血微环境，主要靠骨髓质细胞分泌细胞因子和细胞外基质（extracellular matrix，ECM）。

骨髓细胞中的多能干细胞可分化成髓系定向干细胞和淋巴定向干细胞。淋巴定向干细胞最终可分化成T细胞、B细胞，而髓系定向干细胞在含甲基纤维素的体外集落培养时，若加入大剂量促红细胞生成素（erythropoietin，EPO）可形成1000个以上大型红细胞集落，称爆式红系集落形成细胞（burst forming unit-erythroid，BFU-E）；若加入小剂量EPO则产生8～50个细胞的小型集落，称红系集落形成细胞（colony forming unit-E，CFU-E）；若加入粒细胞集落刺激生物因子则形成粒细胞巨噬细胞集落形成细胞（colony forming unit-granulocyte and macrophage，CFU-GM）；若加入促血小板生成素则形成巨核细胞集落形成细胞（colony forming unit-megakaryocyte，CFU-Meg）。造血细胞因子对造血细胞分化的作用如图3-2。

发育生物学观点认为肿瘤细胞在不同程度上都缺乏成熟的形态和完整的功能，丧失终末分化细胞的性状，并对正常的分化调节机制缺乏反应。有学者提出肿瘤起源于正常干细胞遗传突变的积累。在肿瘤组织中，尽管肿瘤干细胞占优势，也按比例存在着部分分化甚至完全分化的子代细胞。

细胞分化的机制极其复杂，概括而言，细胞的分化主要取决于两个方面:一是细胞的内部特性，二是细胞的外部环境；前者与细胞的不对称分裂以及随机状态有关，尤其是不对称分裂使细胞内部得到不同的基因调控成分，表现出一种不同于其他细胞的核质关系和应答信号的能力；后者表现为细胞应答不同的环境细胞，启动特殊的基因表达，产生不同的细胞的行为，如分裂、生长、迁移、黏附、凋亡等，这些行为在形态发生中具有极其重要的作用。

细胞分化是基因选择性表达的结果，由于基因表达的差异才可能出现形态和功能上不同的细胞。细胞分化就意味着不同细胞中有不完全一致的基因活化，而表现出某些特异性的功能蛋白。因此细胞分化的机制就是基因表达调控的机制。基因可以分为两组，一种是管家基因，是所有细胞中要表达的一类基因，如微管蛋白基因、核糖体蛋白基因，管家基因对维持细胞生命活动是必需的；二是组织特异性基因，不同的细胞类型进行特异表达的基因，如卵清蛋白基因、胰岛素基因，该基因产物使各类细胞具有特异的形态结构和生理功能。细胞分化的实质是组织特异性基因在时间和空间上的差异表达。基因表达是通过转录和转录后过程完成的。转录后主要包括hnRNA加工或mRNA和mRNA翻译成蛋白质的过程。转录水平起主导作用。