细胞分化（celldifferentiation）是指同一来源的细胞逐渐产生出形态结构、功能特征各不相同的细胞类群的过程，其结果是在空间上细胞产生差异，在时间上同一细胞与其从前的状态有所不同。细胞分化的本质是基因组在时间和空间上的选择性表达，通过不同基因表达的开启或关闭，最终产生标志性蛋白质。一般情况下，细胞分化过程是不可逆的。然而，在某些条件下，分化了的细胞也不稳定，其基因表达模式也可以发生可逆性变化，又回到其未分化状态，这一过程称为去分化（dedifferentiation）。
细胞分化的特点包括：①细胞分化的潜能随个体发育进程逐渐“缩窄”，在胚胎发育过程中，细胞逐渐由“全能”到“多能”，最后向“单能”的趋向，是细胞分化的一般规律；②细胞分化具有时空性，在个体发育过程中，多细胞生物细胞既有时间上的分化，也有空间上的分化；③细胞分化与细胞的分裂状态和速度相适应，分化必须建立在分裂的基础上，即分化必然伴随着分裂，但分裂的细胞不一定就分化。分化程度越高，分裂能力也就越差；④细胞分化具有高度的稳定性，正常生理条件下，已经分化为某种特异的、稳定类型的细胞一般不可能逆转到未分化状态或者成为其他类型的分化细胞；⑤细胞分化具有可塑性，已分化的细胞在特殊条件下重新进入未分化状态或转分化为另一种类型细胞的现象。
近年研究发现，一些“诱导”因子能够将小鼠和人的体细胞（如皮肤成纤维细胞）直接重编程（reprogramming）而去分化为具有多向分化潜能的诱导多能干细胞（inducedpluripotentstemcells，iPS细胞），其中小鼠的iPS细胞已被证明具有发育全能性。
细胞分化受多种因素影响。胚胎时期，胚胎细胞间相互作用影响其分化的方向，胚胎细胞存在诱导、竞争和抑制的关系。不相邻的远距离的细胞主要通过激素作为相互作用的分化调节因子。细胞分化的方向可因为环境因素的影响而改变。
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