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在个体发育过程中，由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生不同的细胞类群的过程，称为细胞分化（cell differentiation）。
细胞分化是生物界中普遍存在的一种生命现象。细胞分化包含两层含义，一是胚胎发育时期的分化，即由一个受精卵，通过细胞的增殖和分化产生数百种执行特定功能的细胞，发育为成熟个体（成体）；二是指存在于成体组织中保持持续分裂能力、分化较原始的细胞，经过分裂进入终末分化状态的过程。
细胞分化是发育生物学的一个核心问题，一个细胞在不同的发育阶段可以有不同的形态和功能，这是时间上的分化，同一细胞的后代，由于所处的环境不同，可以有相异的形态和功能，这是空间上的分化。目前，对细胞分化的研究，已经从单纯的形态学研究，进入到细胞及分子水平。从分子层次的意义上来看，细胞分化意味着细胞内某些特异性蛋白的优先合成，如红细胞中的血红蛋白、肌细胞中的肌动蛋白和肌球蛋白等。为了诱发这种合成，特定细胞的某些基因，必须在一定时间内被激活，因此，只有了解细胞中的基因调控机制，才能从分子水平解释细胞的分化。细胞分化是细胞和分子生物学及分子病理学领域的重要课题，很多生理过程如胃肠黏膜上皮细胞更新、骨髓造血等都与细胞分化有关；细胞分化还涉及多种病理过程，如化生、迷离瘤、组织再生及发育畸形等，恶性肿瘤其本质就是细胞去分化或分化不成熟的表现。因此，研究细胞分化这一根本性问题，必然会极大地推动生物学和医学的发展，清楚阐释细胞分化的机制对于了解个体发育、基因表达调控，以及癌的发生和防治都具有重要的意义。
细胞分化的最显著特点是分化状态的稳定性，细胞一旦受到刺激开始向某一方向分化后，即使引起或诱导分化的因素不再存在，分化仍持续进行，不会自发地逆转到未分化状态，并且分化后的细胞将一直保持分化后的状态，直到死亡。因此分化过程基本上是不可逆的，从而也导致个体发育的不可逆性。
细胞分化的可逆性包括去分化和转分化。虽然细胞分化是一种相对稳定和持久的过程，处于终末分化状态的细胞常被认为是固定不变的，然而大量研究显示，高度分化的细胞仍然保持全能性的特点，即已经分化的细胞，仍然具有发育的潜能。Stewarol等在野生胡萝卜游离韧皮部细胞进行体外培养的标本中，观察到已经高度分化的细胞可以重新分裂，进而回复到胚胎细胞状态，这种现象称为去分化（dedifferentiation），然后通过再分化（redifferentiation），形成根、茎，最终发育成完整的新植株。在特化的高等动物细胞中，细胞核仍然保持着全能性，这是因为细胞核内含有物种遗传性所需要的全套遗传物质。
在个体中也可见到分化成熟细胞的转变，如在一些脊椎动物晶状体再生时，虹膜色素上皮细胞可产生晶状体纤维特异的γ晶体蛋白和其他一些晶体蛋白。在哺乳类动物，相似现象也多有报道。在一定的条件下，大鼠胰腺中可产生肝细胞；反之，肝脏中也可出现胰腺细胞。病理学上将一种已分化成熟的细胞转化为另一种分化成熟细胞的现象称为化生。例如人皮肤基底细胞在离体培养时，如培养基中富含维生素A，则分化为分泌黏液的黏膜上皮细胞或具有纤毛的上皮细胞；如培养基中缺乏维生素A，基底细胞便转变为角化细胞，即鳞状上皮化生。上述细胞之间的转换是间接的，即通过分化成熟的组织中的干细胞增殖并向另一方向分化。但的确存在分化成熟的细胞直接向另一种分化成熟的细胞转变，称之为转分化（transdifferentiation）。Blau等应用聚乙烯醇将小鼠骨骼肌细胞与人的各种非肌细胞融合，融合后这些非肌细胞可表达肌肉特异的基因，这些基因是人源的而非鼠源的。在被融合的细胞中，肌肉特异基因表达最强的是人肺成纤维细胞，其次是人皮肤角质细胞，表达最弱的是人肝细胞，说明在一定条件下，非肌细胞可以向肌细胞分化。
综上所述，细胞分化的稳定性是普遍的，而分化的可逆性是有条件的。首先细胞核需处于有利于分化细胞逆转的特定微环境中；其次，分化的逆转只发生于具有增殖能力的组织。因为分化细胞本身不能直接转变为其他类型的细胞，而是通过细胞分裂产生子细胞，然后很可能像具有多潜能未分化的胚胎细胞一样，在细胞内外调控因素的作用下，抑制正常分化基因的表达，而转向新的分化途径。
机体不同类型的细胞无论在结构还是功能上都表现出很大的差异性，即细胞分化的结果。研究表明，细胞分化取决于基因的表达，而非细胞基因组核苷酸序列的变化。为理解细胞分化的本质，首先从观察不同细胞之间的差异入手，并认识不同细胞类型中合成的蛋白质的差异。①同一生物体内的不同细胞具有多种共有蛋白质，如染色体的骨架蛋白、核糖体蛋白、RNA pol、DNA修复酶、细胞骨架蛋白等。②某些蛋白质在特定种类的细胞中大量存在，而在其他细胞中检测不到，如血红蛋白仅存在于红细胞中。③一个典型的细胞能够表达其自身基因的30%~60%，比较一系列不同人细胞系的mRNA模式，可发现几乎每个活跃基因的表达水平在不同类型的细胞中都有所变化，其中一些基因表达差异显著，而大部分基因的表达差异性则很细微。④虽然在某些细胞类型中mRNA的差异显著，但是更不容忽视的是转录后蛋白质产物表达模式的差异。例如，转录后的选择性剪切可以产生不同的蛋白质，蛋白质翻译后的共价修饰等。因此，衡量细胞类型间基因表达根本性差异的最好方法是直接显示蛋白质水平及其翻译后修饰。
综上所述，细胞分化是由于细胞选择性表达各自特有的专一性蛋白质而导致细胞形态、结构与功能的差异，这一过程的发生是通过基因的差异性表达来实现的。通过基因表达的调控，不同的细胞表达不同的蛋白质。如红细胞合成β珠蛋白，胰岛β细胞（又称胰岛B细胞）合成胰岛素等，这些细胞都是在个体发育过程中逐渐产生的。目前，人们可用基因芯片技术检测某一类型细胞中所表达的几乎所有种类的mRNA及其丰度，用双向凝胶电泳、质谱技术及蛋白质芯片等技术分析蛋白质表达谱，从而为深入了解细胞分化的机制提供了重要的研究途径。
生物体在生长发育过程中，遗传信息的展现按照一定的时间顺序发生改变，基因组中表达的基因分为两类：一类是维持细胞基本生命活动所必需的，称为管家基因（house-keeping gene），又称组成性基因（constitutive gene）；另一类是指导合成组织特异性蛋白的基因，称奢侈基因（luxury gene），即组织特异性基因（tissue-specific gene）。
管家基因的表达产物大致以恒定水平始终存在于细胞内，其表达水平受环境因素影响较小，在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达或变化很小。近年来随着DNA检测技术的发展以及检测细胞类型的增多，人们发现真正意义上的管家基因可能仅占基因总数很少的一部分（不超过3%），一般管家基因转录的起始部位没有TATA框，仅有CG富集区（即CpG岛），其内含子相对很短。它的表达只受启动序列或启动子与RNA pol相互作用的影响，而不受其他机制调节。管家基因高度保守并且在大多数情况下持续表达，是维持细胞生存必不可少的，多为细胞基础代谢活动所需的酶类、核糖体蛋白、膜转运蛋白，以及细胞周期调控的主要蛋白质等细胞生命活动必需的蛋白质。
组织特异性基因是指在特定细胞类型中大量表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征和特异的功能。具有相同遗传信息的同一个体细胞间其所利用的基因并不相同，有的基因活动是维持细胞基本代谢所必需的，而有的基因则在一些分化细胞中活动，这正是细胞分化、生物发育的基础，如表皮的角蛋白基因、胰岛素基因等。
即空间特异性表达，在多细胞生物个体某一发育、生长阶段，同一基因产物在不同的组织器官表达量是不一样的；在同一生长阶段，不同的基因表达产物在不同的组织、器官分布也不完全相同。在个体生长全过程，某种基因产物按不同组织空间顺序出现，这就是基因表达的空间特异性。基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的空间分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，因此基因表达的空间特异性又称细胞或组织特异性。
基因的表达除空间特异性，也存在时间上的特异性。例如噬菌体、病毒或细菌侵入宿主后，呈现一定的感染阶段。随着感染阶段发展、生长环境变化，有些基因被开启，有些基因被关闭。按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，这就是基因表达的时间特异性。生物体从组织、器官形成的各个不同发育阶段，相应基因严格按一定时间顺序开启或关闭，表现为与分化、发育阶段一致的时间性。因此，多细胞生物基因表达的时间特异性也被称为阶段特异性。
与细胞分化相关的基因在时间与空间上的差异表达，不仅涉及基因转录水平和转录后水平上的调控，而且涉及染色体和DNA水平（如DNA和组蛋白修饰）以及蛋白质翻译和翻译后加工与修饰等复杂而严格的调控。
人体至少有200余种不同类型的细胞，而有限的少量调控蛋白即能够启动为数众多的特异细胞类型的分化程序，其机制为组合调控（combinational control）方式，即每种类型的细胞分化是由多种调控蛋白共同参与完成的。在启动细胞分化的各类调控蛋白中，往往存在一两种起决定作用的调控蛋白，编码这种蛋白的基因称为主导基因，在某些情况下，主导基因的表达就有可能启动整个细胞的分化过程。
细胞能够独自地关闭或开启基因的表达，也可以协调不同基因的表达。例如，当处于G 0 期的细胞接受细胞分裂的信号时，一系列沉默的基因相继激活，最终使细胞得以分裂。在真核细胞中，每个基因的转录都依赖于独立的启动子。大多数真核生物调节蛋白作为调节蛋白复合体的一部分而存在，所有这些成员对于基因在正确的时间正确的细胞中表达，以应对刺激信号并达到合适的表达水平都是至关重要的。虽然基因表达的调控非常复杂，但单个基因调控蛋白的效应仍能够果断地开启或关闭整个基因群的表达，进而通过各蛋白复合体之间的协调最大限度激活或抑制基因的表达。例如，当人体处于饥饿或生理兴奋时，会释放糖皮质激素，在其他活动中，这一激素能够刺激肝细胞通过氨基酸或其他小分子提高葡萄糖的产量。为了应对这一反应，肝细胞会提高许多代谢酶基因和编码其他产物的基因的表达，虽然这些基因都具有不同的调控复合区域，它们的最大表达量取决于糖皮质激素受体复合物与每个基因的DNA调节位点的结合。当人体回到正常水平或激素不再出现，肝中这些基因的表达回落到正常水平。以这种方式，单个基因调节蛋白可以控制多种不同基因的表达。
多个基因开启和关闭的协调能力不仅对于细胞功能的调控至关重要，在胚胎发育过程中，对于细胞分化成特定细胞类型也具有重要意义。以肌细胞的发育为例，骨骼肌细胞由许多成肌细胞的前体细胞融合而成，包含许多细胞核，成熟的肌细胞合成了许多特有的蛋白质，包括肌动蛋白、肌球蛋白、肌钙蛋白、肌酸磷酸酶以及乙酰胆碱受体等。在成肌细胞形成过程中，这些肌细胞特有的蛋白质及其mRNA不表达或表达量极低，但成肌细胞开始相互融合时，这些基因通过协调而被全部开启。肌细胞分化的过程可以在皮肤成纤维细胞或其他类型细胞的细胞培养体系中被诱导，MyoD被认为是一种在成肌细胞分化为骨骼肌细胞过程中的关键性调控蛋白，将其基因转入体外培养的成纤维细胞中，可使成纤维细胞表现出骨骼肌细胞的特征，例如合成大量的肌动蛋白和肌球蛋白，在质膜上产生对神经信号敏感的受体蛋白和离子通道蛋白，并融合成肌细胞样的多核细胞等。在成纤维细胞中已经具备了肌细胞特异性基因表达所需的其他必要调控蛋白，一旦加入关键性MyoD，即形成了启动肌细胞分化的特异的调控蛋白组合。由此证实，通过单一的基因调控蛋白可以使一种细胞（成纤维细胞）转化为另一种细胞（骨骼肌细胞），这一现象也证明基因表达的差异能够产生细胞类型间的巨大差异。借助于组合调控，一旦某种关键性基因调控蛋白与其他调控蛋白形成适当的组合，不仅可以将一种类型的细胞转化成另一种类型的细胞，甚至可以诱发某个器官的形成。通过一种关键性调控蛋白对其他调节蛋白的级联启动，是一种高效而经济的细胞分化调控机制。
细胞通过DNA重排这种形式进行分化的典型例子是免疫细胞。B淋巴细胞、T淋巴细胞在分化过程中，与它们特定功能密切相关的免疫球蛋白和T细胞受体就是通过DNA重排形成的。
在B细胞分化发育的不同阶段，DNA重排是按一定顺序进行的。当干细胞向裸细胞（null cell）分化时，裸细胞内即发生重链基因的D-J连接；当进一步发生V-（D-J）连接时，即分化为前B细胞。成熟的前B细胞胞质内含合成的μ重链多肽，此时，κ轻链基因开始重排产生κ轻链功能基因，并表达产生κ轻链多肽。轻-重链装配后形成IgM免疫球蛋白分子（单体），锚定在细胞表面作为抗原的受体，称为Bμ细胞。只有当κ轻链基因重排失败不能形成功能基因时，λ基因才发生重排形成λ功能基因，表达后与μ重链组成λ-μIgM。Bμ细胞进一步成熟通过不同的RNA剪接可同时产生IgM和IgD，锚定细胞表面，分化为成熟的Bμ+D细胞。以上各分化阶段是在骨髓内完成的，且都不是抗原依赖性的。成熟B细胞进入外周淋巴组织，当抗原与Bμ+D细胞表面的受体结合后，后者即发生母细胞化，变为激活的B细胞，细胞表面主要表达IgA、IgE、IgG和IgM中的任何一型免疫球蛋白。最后通过重链的同种型转换分化为浆细胞，其表面免疫球蛋白开始消失而转为分泌IgA、IgE、IgG和IgM中的任何一型抗体。另一小部分成熟B细胞则分化为记忆B细胞（图6-1）。小鼠的B细胞通过不同形式的DNA重排、RNA剪接、轻-重链装配和重组基因的突变在理论上可产生大于2.7×10 8 种不同抗体。
图6-1 B细胞分化模式图
T细胞的分化与B细胞相似。T细胞表面的受体是一种糖蛋白，为由α和β两条链组成的异二聚体。T细胞受体与抗体在进化上是密切相关的蛋白质。α和β链的分子结构与抗体也非常相似，它们靠N端的一半是可变区（V区），靠C端的一半是恒定区（C区），C区还包括跨膜段和很短的胞内段。有趣的是V区和C区与抗体一样，均由110个左右的氨基酸组成。T细胞还有与受体有关的γ基因，编码类似抗体的蛋白质。在未成熟的胎儿胸腺细胞内存在丰富的γ-mRNA，而α-mRNA却很低；相反，在成熟的T细胞内γ-mRNA减少而β-mRNA增加。提示γ基因对T细胞的分化起重要作用。在人类，α、β和γ基因分别位于第14、7和7号染色体。以β链为例，T细胞受体基因也包括类似抗体重链的5个基因片段，即Lβ、Vβ、Dβ、Jβ和Cβ。T细胞受体基因是通过V-D-J连接的DNA重排产生β链功能基因，以编码β-mRNA。
免疫细胞通过DNA重排这种方式进行分化与其特殊的功能有关，B细胞和T细胞的抗体及受体基因经DNA重排可以产生天文数字的不同抗体和受体，以适应机体内外环境中存在的各种抗原并对它们产生免疫反应。
细胞分化的转录调控，通过顺式作用元件和反式作用因子的复杂相互作用而实现。不同细胞的分化过程在转录调控方式上有所不同。顺式作用元件（cis-acting element）是存在于基因旁侧序列中能影响基因表达的序列，是同一DNA分子中具有转录调节功能的特异DNA序列。它们的作用是参与基因表达的调控，本身不编码蛋白质，仅仅提供一个作用位点与反式作用因子相互作用。按功能特性，顺式作用元件包括启动子、增强子及沉默子等。反式作用因子指能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上参与调控靶基因转录效率的蛋白质。反式作用因子有两个重要的功能结构：DNA结合结构域和转录活化结构域，它们是其发挥转录调控功能的必需结构。
真核细胞的基因，其起始序列（initiator）及其上游25bp处的TATA（A/T）A（A/T）序列（TATA框）称为核心启动子（core promoter）；在核心启动子上游100~200bp之内有近侧调控元件（proximal control element）。也有人把核心启动子和近侧调控元件统称为启动子。常见的近侧调控元件有：①CAAT框（GGCCAATCT）；②GC框（GGGCGG）；③八聚体（octamer）（ATTTGCAT）；④热休克元件（CnnGAAnnTTCnnG）；⑤雌激素反应元件（AGGTCAnnnTGACCT）；⑥κB（GGGACTTTCC）。除了以上调控元件外，还有一类特定的DNA序列，对基因的转录起增强或抑制的作用，分别称为增强子（enhancer）和沉默子（silencer）。增强子的位置大多距启动子很远，可位于基因的上游或下游，而且不论其方向正反均有功能。增强子必须与转录调节因子结合才能发挥功能，这些因子称为激活因子。增强子距离核心启动子如此之远，如何发挥其增强转录活性的功能，学者提出不少模式，但比较公认的是DNA分子环模式（looping of DNA molecule）。在此模式中，普通转录因子TFIID起重要作用，当激活因子与增强子结合则形成多种蛋白与DNA的复合体，称为增强体（enhancosome），此时DNA发生折叠，使增强体接近启动子，通过TFIID中的辅激活因子与增强体中的激活因子结合将TFIID定位于启动子上，然后其他普通转录因子和RNA pol相继结合上去，高活性转录得以启动。转录因子大致可分为两类：一类是普通转录因子，存在于所有的细胞内，加上一些调节因子，负责细胞基础蛋白的基因转录；另一类是与细胞分化时组织特异蛋白基因表达有关的转录因子或转录因子组合。后一类转录因子是某一种分化细胞所特有的，并非普遍存在于所有细胞。以肝细胞中白蛋白基因的转录为例，肝细胞含有一整套能识别白蛋白基因核心启动子和所有调控元件的普通转录因子和调节转录因子，当这些转录因子结合于DNA后，白蛋白基因可在高水平上转录；反之，神经细胞所含的调节转录因子不能识别白蛋白基因的调控元件，虽然在启动子部位可形成转录复合体，但其转录水平很低，只能产生极微量的白蛋白。由此可见，细胞分化时，某些组织特异基因的开放与关闭并非原来设想的“全或无”，而是高转录与低转录（基础水平）之分。
可变剪接是调节基因表达和产生蛋白质组多样性的重要机制，在不同组织和不同发育阶段有不同的可变剪接形式。
细胞基因组编码许多短（约22bp）RNA分子，称为微RNA（miRNA）。miRNA是许多真核细胞中的调节因子，其通过与靶mRNA互补序列的结合在转录后和翻译水平调控基因表达。
miRNA对RNA的调节可以通过RNA干扰（RNA interference，RNAi）来模拟。
翻译水平的调控包括控制蛋白质合成的速度，mRNA稳定性的控制、翻译起始的控制等。红细胞在发育过程中合成珠蛋白依赖于血红素来调控翻译速度，可对细胞内所有蛋白质的合成造成影响，是一种非特异性的调控。铁蛋白则通过细胞中游离铁离子及铁蛋白mRNA 5’端铁效应元件结合位点控制其自身的翻译，是一种特异性的调控。
在细胞内，蛋白质水平和mRNA水平并不一定吻合。未受精的卵细胞中携带有大量的mRNA，但这些mRNA在发育的早期不能进行蛋白质的合成，因为它们被一些蛋白质结合并抑制了活性。只有核糖体结合的mRNA才可以翻译成蛋白质，而游离的mRNA在翻译中不起作用。
近年来，越来越多的研究显示翻译后水平的调控在细胞分化中发挥重要作用。翻译后水平包括：磷酸化、乙酰化及泛素化等。
（1）磷酸化和去磷酸化：
大部分细胞过程被可逆的蛋白质磷酸化所调控，至少有30%的蛋白质被磷酸化修饰。磷酸化的作用位点为蛋白质上的丝氨酸（Ser）、苏氨酸（Thr）、酪氨酸（Tyr）残基。在磷酸化调节过程中，细胞的形态和功能都发生改变。
磷酸化是一种广泛的翻译后修饰，是细胞中最重要的调控修饰形式，由于蛋白质氨基酸侧链加入了一个带有强负电的磷酸基团，发生酯化作用，从而改变了蛋白质的构型、活性及与其他分子相互作用的能力，可逆的磷酸化过程几乎涉及所有的生理及病理过程，如细胞信号转导、肿瘤发生、新陈代谢、神经活动、肌肉收缩以及细胞的增殖、发育和分化等，异常的蛋白质磷酸化通常与恶性肿瘤的发生有关。
人类基因组中约有500个激酶基因和100个磷酸酶基因，人类蛋白质组中含有10万多个潜在的磷酸化位点，大多数磷酸化蛋白质含有一个以上的磷酸化位点，并且以不同磷酸化形式的混合物存在，在胞内活性调控中发挥重要作用。在蛋白质合成过程中有很多酶和蛋白质因子的活性受到磷酸化和去磷酸化的调控。在细胞信号转导过程中，作为细胞信号的一些激素或细胞因子，与细胞膜受体或细胞内受体结合并被激酶激活，激素或信号因子随着激酶的磷酸化也被磷酸化，引起细胞内的信号效应。
（2）乙酰化：
组蛋白等许多蛋白质都可发生乙酰化。组蛋白N端结构域的乙酰化可导致染色体局部解旋，这是DNA重新包装的必要但非充分条件。现已发现多种不同的乙酰转移酶和乙酰化酶，其中CBP/p300尤为重要，它可以与多个转录因子相互作用。CBP不仅参与启动基因转录，还进一步引起组蛋白的乙酰化。CBP是cAMP反应元件结合蛋白的辅激活蛋白，通过乙酰化组蛋白，促使和cAMP反应元件作用的启动子开始转录。正常被抑制的区域高乙酰化或正常具有转录活性的区域去乙酰化，都可导致各种紊乱，诱发发育、增殖相关的疾病，如白血病、皮肤癌及脆性X染色体综合征等。
对微管蛋白乙酰化的研究发现，HDAC6能逆转微管蛋白乙酰化的翻译后修饰。有证据显示，降低微管蛋白乙酰化程度，可以增强细胞的移动性，减少微管蛋白乙酰化的同时也减弱了微管的稳定性。
蛋白质的赖氨酸乙酰化是细胞调节过程关键的翻译后修饰，特别是通过组蛋白和转录因子的修饰。在人类肝组织中，乙酰化存在于糖酵解、糖异生、三羧酸循环、尿素循环、脂肪酸代谢和糖原代谢等过程的酶中。代谢物的浓度，如葡萄糖、氨基酸、脂肪酸的浓度都影响着代谢酶的乙酰化状态。脂肪酸氧化过程中的3-羟酰辅酶A脱氢酶和三羧酸循环中的苹果酸脱氢酶可通过乙酰化激活，尿素循环中的精氨基琥珀酸裂解酶和糖异生过程中不稳定的磷酸烯醇丙酮酸可通过乙酰化被抑制。
（3）泛素化：
泛素（ubiquitin）存在于所有真核细胞中，是一种高度保守的76个氨基酸残基的蛋白质，游离存在于细胞内或共价结合到各种胞质、胞核和整合的膜蛋白上。共价结合泛素的蛋白质能被蛋白酶识别并降解，这是细胞内短寿命蛋白质和一些异常蛋白质降解的普遍途径。泛素需经过一系列的步骤结合到底物蛋白质。首先，在一个ATP依赖性反应中，泛素通过其羧基端甘氨酸残基与泛素活化酶（ubiquitin-activating enzyme，E1）共价结合，进而，泛素从E1被转移到泛素结合酶（ubiquitin-conjugating enzyme，E2），最后，泛素结合酶将泛素转移到底物蛋白质上。E2可直接识别底物蛋白质，但有的还需中间物参与，这就是泛素-蛋白质连接酶（ubiquitin-protein ligase，E3）。E2传递泛素给E3，E3选择性识别多种泛素化底物蛋白质。与E3依赖性泛素结合使底物蛋白质进入泛素依赖性蛋白质水解途径。
泛素-蛋白酶系统是存在于所有真核生物细胞的调控系统，降解过程中需要三种酶的参与：泛素活化酶（E1）、泛素结合酶（E2）和泛素-蛋白质连接酶（E3）。泛素化降解蛋白质的过程中对蛋白质的特异性识别依赖E3。由E2和E3介导的泛素化过程可被去泛素化酶（deubiquitinating enzyme，DUB）逆转。目前发现的DUB可分为两大类：泛素羧基末端水解酶（ubiquitin C-terminal hydrolases，UCHL）和泛素特异性加工酶（ubiquitin-specific processing proteases，UBP），两者都是半胱氨酸水解酶。通常情况下，UCHL主要水解羧基端的酯键和泛素的氨基键，也可以分解泛素前体，生成活泼的泛素分子；UBP分解泛素多聚体链。
泛素化的作用：泛素化对细胞分化、细胞器的生物合成、细胞凋亡、DNA修复、锌蛋白质生成、调控细胞增殖、蛋白质运输、免疫应答和应激反应等生理过程都起到重要作用。细胞内大量结构和调节性蛋白经泛素或泛素样蛋白的附着而修饰，这种修饰起到靶信号的作用，可将修饰的底物蛋白质分配到细胞的不同部位，改变其活性，改变大分子间的相互作用及蛋白质的半衰期。底物蛋白质的多泛素化修饰可使底物蛋白质发生蛋白酶体介导的泛素依赖性蛋白质水解，蛋白质的这种及时的选择性降解在细胞的许多代谢过程中发挥关键作用，如参与细胞周期调控、信号传导、应激反应、受损或错误折叠蛋白质的清除以及DNA修复等。
蛋白质的沉积可直接削弱泛素-蛋白酶系统的功能。两种不相关但有聚合倾向蛋白质的瞬时表达，几乎可以完全抑制泛素、蛋白酶系统。神经元包涵体中含有泛素化的纤维状蛋白质沉积物，是很多人类神经退行性疾病如阿尔茨海默病、帕金森病的主要特征。
表观遗传学谱式在细胞早期发育阶段即建立，并在体细胞分裂过程中得以高保真性传递。表观遗传学机制与遗传学机制相互协同作用决定生物行为有序和正常进行，任一机制的失调都会导致疾病发生，包括肿瘤、神经疾病、老年化进程，以及自身免疫性疾病在内的多种疾病。表观遗传学在细胞分化中的作用包括：CpG二连体中的C的甲基化、组蛋白翻译后修饰、染色体重塑三个密切相关的调控机制。
DNA甲基化是从遗传中获得的使DNA发生化学变化的渐进性调控过程，发生在DNA复制之后，转录之前。DNA甲基化直接制约基因的活化状态，在生理和多种病理过程中发挥重要作用。在胚胎发育和分化过程中，DNA序列一般不改变，但在特异性组织和器官中基因表达有特定的模式，这与DNA甲基化密切相关。DNA甲基化在细胞分化过程中扮演重要角色，细胞分化的方向由组织特异性基因的特异性表达决定，而这些组织特异性基因都携带有特殊的标记，即特定的基因甲基化。这些甲基化的基因控制基因的特异表达，使细胞向特定的方向分化，形成不同的组织器官，促进个体的生长发育。相同类型细胞之间存在高度保持的甲基化模式，而同一器官的不同类型细胞甲基化模式是不同的。甲基化模式建立于配子形成期，并在发育过程中不断变化，通过甲基化和去甲基化来维持动态平衡。另一方面，DNA甲基化可中和潜在的危险DNA序列，如转座子和外源病毒等。甲基化与肿瘤的发生发展有重要的关系，肿瘤抑制基因、肿瘤转移抑制基因、激素受体基因、DNA修复基因和血管生成抑制基因等启动子区的过甲基化都可使相应基因表达下调或不表达。另外，甲基化的胞嘧啶容易自发脱掉氨基变成胸腺嘧啶，因而导致基因突变率增加。
染色体中的组蛋白虽然在进化中高度保守，但它们并不是保持恒定的结构，而是动态变化的，其修饰状态不仅控制着转录复合物能否靠近，影响基因的表达活性，而且有效地调节染色质转录活跃或沉默状态的转换，并为其他蛋白质因子和DNA的结合产生协同或拮抗效应。组蛋白翻译后修饰包括乙酰化与去乙酰化、磷酸化与去磷酸化、甲基化与去甲基化、泛素化与去泛素化等。
单一组蛋白的修饰往往不能独立地发挥作用，一个或多个组蛋白尾部的不同共价修饰依次发挥作用或组合在一起，形成一个修饰的级联，它们通过协同或拮抗来共同发挥作用。这些多样性的修饰以及它们时间和空间上的组合与生物学功能的关系可作为一种重要的表观标志或语言，也被称为“组蛋白密码”。在不同环境中可以被一系列特定的蛋白质或蛋白质复合物所识别，从而将这种密码翻译成一种特定的染色质状态以实现对特定基因的调节。
有趣的是，大部分已知的组蛋白修饰依其修饰的N端氨基酸残基位点的不同，而行使激活或抑制功能。这种协同或拮抗作用依赖于催化组蛋白修饰的主要酶系统及其对应的逆向修饰酶系统。由这些拮抗活性共同控制每一种修饰的动态平衡。以组蛋白H3K4与H3K9为例，H3K9甲基化形成一个异染色质蛋白1（heterochromatin protein 1，HP1）的结合位点，而HP1可引发染色质包装并使基因表达沉默，但在H3K4加上两个或三个甲基之后，其效应却是相反的，它可促进形成开放的染色质结构，促进基因活化。第4位赖氨酸（Lys）的甲基化与组蛋白乙酰化这两种修饰类型可能协同作用活化染色质区域。此外，组蛋白H3S10的短暂磷酸化使H3K9甲基化引起的染色质聚缩变得疏松。稳定的甲基化和动态的磷酸化标记，这是一个两种组蛋白修饰同时调节染色质组装状态很好的例子。
基因的选择性表达主要是由调节蛋白所启动。调节蛋白的组合是影响细胞分化的主要直接因素。这种影响又受胞外信号系统的调控，而胞外信号及细胞微环境又通过细胞的信号转导调控网络来起作用。因此，细胞与细胞之间，细胞与细胞微环境之间的相互作用对细胞分化的重要影响日益受到重视，这种作用主要表现为分化诱导与分化抑制。
如胚胎发育时，中胚层首先独立分化，该启动过程对相邻胚层有很强的分化诱导作用，促使内、外胚层朝各自相应的组织器官分化。中胚层（脊索）先是诱导外胚层细胞决定向神经分化和区域特化，并继续诱导神经板细胞的形成，此为初级诱导；神经板卷成神经管后，其前端膨大形成原脑，原脑两侧突出的视杯再次诱导其上方的外胚层形成晶状体，为次级诱导；晶状体进一步诱导其表面的外胚层形成角膜，这为三级诱导。胚胎通过各胚层邻近细胞的分化诱导作用，促进细胞分化与器官发生，但此过程必须有一个负反馈调节，才能使胚胎发育有节制地按一定的程序进行，这个调节机制之一就是分化抑制。已经分化的细胞可产生称为抑素的化学物质，该物质可抑制邻近细胞的同类分化。分化诱导与分化抑制是矛盾的两个方面，两者协同作用，才能完成胚胎发育的正常程序。
在卵母细胞的细胞质中除了储存有营养物质和各种蛋白质外，还含有多种mRNA。其中多数mRNA与蛋白质结合处于非活性状态，称为隐蔽mRNA，不能被核糖体识别。在卵母细胞发育到卵细胞的过程中，其mRNA在卵细胞质中均呈不均匀分布，受精后部分母体mRNA被激活，合成早期胚胎发育所需要的蛋白质。随着受精卵早期细胞分裂，隐蔽mRNA也不均一地分配到子细胞中。通过对海胆受精卵发育的研究证明，在卵裂过程中不同的细胞质分配到不同的子细胞中，从而决定未来细胞分化的命运，产生分化方向的差异。依据这一现象，人们提出决定子的概念，即指影响卵裂细胞向不同方向分化的细胞质成分。在多种物种中，已证实决定细胞向某一方向分化的初始信息储存于卵细胞中，卵裂后的细胞所携带的信息已开始有所不同，这种区别又通过信号分子影响其他细胞产生级联效应。由此，最初存储的信息不断被修饰并逐渐形成更为精细、更为复杂的指令，最终产生分化各异的细胞类型。
在研究早期胚胎发育过程中发现，一部分细胞会影响周围细胞使其向某一方向定向分化，这种作用称近旁组织的相互作用，也称为胚胎诱导。近旁组织的相互作用主要通过细胞旁分泌产生的信号分子来实现，如成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor，FGF）、TGF以及Wnt家族等。干细胞自我更新能力的维持及其定向分化也都是由不同信号分子的组合作用得以实现。
另一种远距离细胞间相互作用对细胞分化的影响主要是通过激素来调节的。如两栖类蝌蚪变态过程中，尾部退化及前后肢形成等变化是由甲状腺分泌的甲状腺素（thyroxine，T 4 ）和三碘甲状腺原氨酸（triiodothyronine，T 3 ）增加所致。此外，人血细胞定向分化也受多种细胞因子的调控。
介导细胞-细胞之间相互作用的有细胞因子、激素、黏附分子和细胞外基质等。其中黏附分子包括细胞外基质和细胞表面黏附分子两大类，前者包括纤维粘连蛋白（fibronectin，FN）和层粘连蛋白（laminin，LN）；后者包括细胞外基质受体、钙黏着蛋白、多糖细胞黏附分子、免疫球蛋白超家族（immunoglobulin superfamily，IgSF）、CD44及血管地址素（vascular addressin）等。细胞黏附分子在细胞识别、聚集与迁移中起重要作用。研究较多的是免疫球蛋白超家族的神经细胞黏附分子（neural cell adhesion molecule，NCAM）和肝细胞黏附分子（Hepatocyte adhesion molecule，HepaCAM）。在胚胎发育初期，NCAM和HepaCAM存在于所有3个胚层的初级衍生物中，在神经管形成时，神经外胚层只表达NCAM，其余外胚层细胞群和内胚层只表达HepaCAM，NCAM和HepaCAM的表达在时空上的变化可能与神经外胚层和相邻外胚层的分离及以后神经管的形成有关。