Die Differenzierung von sichtbar undifferenzierten Vorläuferzellen erfolgt während der Embryonalentwicklung, während der Metamorphose von Larvenformen und nach der Trennung von Teilen in der asexuellen Reproduktion. Es findet auch in erwachsenen Organismen während der Erneuerung von Geweben und der Regeneration fehlender Teile statt. Daher ist die Zelldifferenzierung ein wesentlicher und fortlaufender Prozess in allen Lebensphasen.
Die sichtbare Differenzierung von Zellen ist nur die letzte einer fortschreitenden Abfolge von Zuständen., In jedem Zustand wird die Zelle zunehmend zu einem Zelltyp verpflichtet, in den sie sich entwickeln kann. Verpflichtungszustände werden manchmal als „Spezifikation“ bezeichnet, die eine reversible Art von Verpflichtung darstellt, und als „Entschlossenheit“, eine irreversible Verpflichtung darzustellen. Obwohl beide Zustände der Spezifikation und Bestimmung eine differenzielle Genaktivität darstellen, sind die Eigenschaften embryonaler Zellen nicht notwendigerweise dieselben wie die von vollständig differenzierten Zellen. Insbesondere Zellen in bestimmten Zuständen sind in der Regel über längere Zeiträume nicht stabil.,
Zwei Mechanismen bewirken veränderte Reaktionen in den verschiedenen Regionen des frühen Embryos: zytoplasmatische Lokalisation und Induktion. Die zytoplasmatische Lokalisation zeigt sich in den frühesten Entwicklungsstadien des Embryos. Während dieser Zeit teilt sich der Embryo ohne Wachstum und durchläuft Spaltungsabteilungen, die separate Zellen produzieren, die als Blastomere bezeichnet werden. Jedes Blastomer erbt eine bestimmte Region des ursprünglichen Eizytoplasmas, die eine oder mehrere regulatorische Substanzen enthalten kann, die als zytoplasmatische Determinanten bezeichnet werden., Wenn der Embryo zu einer festen Masse von Blastomeren (Morula genannt) geworden ist, besteht er im Allgemeinen aus zwei oder mehr unterschiedlich engagierten Zellpopulationen—ein Ergebnis der Blastomere, die verschiedene zytoplasmatische Determinanten eingebaut haben. Zytoplasmatische Determinanten können in einem bestimmten Aktivierungszustand aus mRNA oder Protein bestehen. Ein Beispiel für den Einfluss einer zytoplasmatischen Determinante ist ein Rezeptor namens Toll, der sich in den Membranen von Drosophila-Eiern (Fruchtfliege) befindet., Die Aktivierung von Toll stellt sicher, dass sich die Blastomere zu ventralen (Unter -) Strukturen entwickeln, während Blastomere, die inaktive Toll enthalten, Zellen produzieren, die sich zu dorsalen (Rücken -) Strukturen entwickeln.
In der Induktion verändert der zweite Mechanismus der Bindung, eine Substanz, die von einer Gruppe von Zellen sezerniert wird, die Entwicklung einer anderen Gruppe. In der frühen Entwicklung ist die Induktion normalerweise lehrreich; Das heißt, das Gewebe nimmt in Gegenwart des Signals einen anderen Zustand der Bindung an als in Abwesenheit des Signals., Induktive Signale haben oft die Form von Konzentrationsgradienten von Substanzen, die bei unterschiedlichen Konzentrationen eine Reihe unterschiedlicher Reaktionen hervorrufen. Dies führt zur Bildung einer Sequenz von Zellgruppen, die sich jeweils in einem anderen Zustand der Spezifikation befinden. Zum Beispiel enthält der frühe Embryo in Xenopus (Krallenfrosch) ein Signalzentrum, das als Organisator bezeichnet wird und Inhibitoren von knochenmorphogenetischen Proteinen (BMPs) absondert, was zu einem ventralen zu dorsalen (Bauch-zu-Rücken) Gradienten der BMP-Aktivität führt., Die Aktivität von BMP im ventralen Bereich des Embryos unterdrückt die Expression von Transkriptionsfaktoren, die an der Bildung des Zentralnervensystems und segmentierter Muskeln beteiligt sind. Die Unterdrückung stellt sicher, dass diese Strukturen nur auf der dorsalen Seite gebildet werden, wo eine verminderte BMP-Aktivität vorliegt.
Das Endstadium der Differenzierung beinhaltet oft die Bildung mehrerer Arten differenzierter Zellen aus einer Vorläufer-oder Stammzellpopulation. Terminale Differenzierung tritt nicht nur in der Embryonalentwicklung auf, sondern auch in vielen Geweben im postnatalen Leben., Die Kontrolle dieses Prozesses hängt von einem System der lateralen Hemmung ab, in dem Zellen, die sich entlang eines bestimmten Weges differenzieren, Signale aussenden, die eine ähnliche Differenzierung durch ihre Nachbarn unterdrücken. Zum Beispiel entstehen im sich entwickelnden Zentralnervensystem von Wirbeltieren Neuronen aus einer einfachen Neuroepithelröhre, deren Zellen einen Oberflächenrezeptor namens Notch besitzen. Diese Zellen besitzen auch ein anderes Zelloberflächenmolekül namens Delta, das an benachbarte Zellen binden und diese aktivieren kann., Die Aktivierung von Notch initiiert eine Kaskade intrazellulärer Ereignisse, die zur Unterdrückung der Deltaproduktion und zur Unterdrückung der neuronalen Differenzierung führt. Dies bedeutet, dass das Neuroepithel nur wenige Zellen mit hoher Delta-Expression erzeugt, die von einer größeren Anzahl von Zellen mit geringer Delta-Expression umgeben sind. Hohe Delta-Produktion und niedrige Kerbeaktivierung lassen die Zellen zu Neuronen entwickeln. Eine geringe Delta-Produktion und eine hohe Kerbeaktivierung lassen die Zellen als Vorläuferzellen verbleiben oder zu glialen (unterstützenden) Zellen werden., Es ist bekannt, dass ein ähnlicher Mechanismus die endokrinen Zellen der Bauchspeicheldrüse und die Becherzellen des Darmepithels produziert. Solche lateralen Hemmungssysteme funktionieren, weil Zellen in einer Population zunächst nie ganz identisch sind. Es gibt immer kleine Unterschiede, z. B. in der Anzahl der Delta-Moleküle, die auf der Zelloberfläche angezeigt werden. Der Mechanismus der lateralen Hemmung verstärkt diese kleinen Unterschiede und nutzt sie, um eine differentielle Genexpression herbeizuführen, die zu stabilen und anhaltenden Zuständen der Zelldifferenzierung führt.