Under fosterudviklingen, hvor der foregår celledifferentiering i stor stil, deler cellerne sig som nævnt tidligere ved mitose (modsat meiose, som er celledeling hvor antallet af kromosomer halveres som det sker i vores reproduktionsorganer, se Stamceller og fosterudvikling). Resultatet af mitose er to datterceller som er genetisk identiske med den oprindelige celle. Når en mindre differentieret celle, fx en embryonal stamcelle (fosterstamcelle), deler sig og der dannes datterceller som er mere differentierede, så er det altså ikke ændringer i selv genernes dna-sekvens der er involveret. Differentieringen hænger derimod sammen med at bestemte geners aktivitet er ændret.
Nogle gener aktiveres, eller "tændes", under cellers differentiering så der produceres protein fra dem. Andre gener deaktiveres, eller "slukkes", under cellers differentiering så der ikke længere produceres protein fra dem.
Man ved efterhånden en hel del om nøjagtig hvilke gener der tændes og slukkes hvornår under forskellige celletypers differentiering. Og man ved en hel del om hvad det er der tænder og slukker for generne. Det er blandt andet signalmolekyler som kaldes vækstfaktorer. Vækstfaktorer er proteiner (med navne som epidermal growth factor og nerve growth factor) der udskilles fra nogle celler og binder sig specifikt til overfladeproteiner, såkaldte receptorer, på andre celler.
Når en vækstfaktor binder sig til sin receptor på en celle, fungerer det som et startsignal der igangsætter bestemte rækkefølger af kemiske reaktioner i cellen. Disse rækkefølger, hvor produktet af én kemisk reaktion igangsætter en anden kemiske reaktion, hvis produkt igen igangsætter en tredje kemisk reaktion osv., kaldes reaktionskaskader.
Kaskaderne begynder typisk med at et bestemt protein i cellen fosforyleres, det vil sige der sættes en fosfatgruppe på det. Det medfører en aktivering af proteinet så det selv får evnen til at fosforylere andre proteiner osv.
Kaskaden ender oftest med at der i cellen dannes bestemte proteiner kaldet transkriptionsfaktorer. Transkriptionsfaktorer er meget centrale molekyler i cellerne for de kan binde sig til dna-sekvenser i generne og derved tænde eller slukke for generne.
Alle transkriptionsfaktorer har et såkaldt dna-bindende domæne i deres struktur. Det er denne del af transkriptionsfaktor-molekylet der kan binde sig til dna-molekylet. Transkriptionsfaktorer kan kun binde sig til særlige dna-sekvenser i generne: promotorer og enhancere. Når en transkriptionsfaktor har bundet sig til fx en promotor som hører til et bestemt gen, vil der ske ændringer i genets funktion - typisk ændringer som resulterer i mindre eller større produktion af protein fra genet.
Nogle transkriptionsfaktorer sørger for at de enzymer der spiller en central rolle for transkriptionen (processen hvor genets dna-sekvens bliver aflæst og der dannes messenger-rna, det vil sige den første delproces i proteindannelsen) - herunder især enzymet rna-polymerase - lettere kan binde sig til dna-molekylet. Disse transkriptionsfaktorer resulterer i at genet tændes, altså i en øget genaktivitet.
Andre transkriptionsfaktorer gør det sværere for rna-polymerase og andre centrale enzymer at komme i kontakt med dna-molekylet og påbegynde transkriptionen. Disse transkriptionsfaktorer har derfor den effekt at genet slukkes (mindre genaktivitet).
På denne måde spiller vækstfaktorerne altså en afgørende rolle for cellernes differentiering: De leverer startsignalerne til komplicerede processer der i sidste ende resulterer i at der tændes eller slukkes for bestemte gener i cellerne.
Et af utallige eksempler på celledifferentiering handler om muskelstamceller som kaldes satellitceller. Det er såkaldte voksenstamceller, det vil sige stamceller som findes i udvoksede organismer. Satellitceller er inaktive stamceller som findes i færdigudviklet muskelvæv. Når muskelceller beskadiges, bliver satellitcellerne aktiveret, og de udvikler sig - altså differentierer - til celler der kan danne færdige muskelceller ved at smelte sammen.
I de inaktive satellitceller er bestemte transkriptionsfaktorer, blandt andet MyoD og Myf5, stort set fraværende. I satellitceller som er blevet aktiveret og er i gang med deres differentieringsproces, kan man måle forøget aktivitet af blandt andet disse transkriptionsfaktorer. Generne der koder for MyoD og Myf5, bliver altså tilsyneladende tændt når en satellitcelle går fra at være inaktiv til at differentiere sig. Tilstedeværelsen af transkriptionsfaktorerne MyoD og Myf5 (og flere andre transkriptionsfaktorer) regulerer efterfølgende aktiviteten af andre gener som er afgørende for at satellitcellerne kan udvikle sig og bidrage til blandt andet reparation af beskadigede muskelceller.
Nogle forskere arbejder på at forsøge at anvende satellitceller isoleret fra muskelvæv fra dyr til at producere kød. Læs mere om det i casen om stamcellekød.
Når der er meget fokus på at forstå celledifferentieringsprocessen, er det blandt andet fordi denne forståelse kan anvendes til at producere bestemte celletyper og bestemte væv ud fra udifferentierede celler. Arbejdet med at styre udifferentierede cellers differentiering i bestemte, ønskede retninger omtales ofte som dirigeret differentiering.
Der er blandt andet stor interesse for at udvikle insulinproducerende celler som har potentiale til at blive transplanteret ind i patienter med diabetes af type 1 (den type sukkersyge hvor der ikke længere produceres insulin i tilstrækkelig grad). Nogle forskere har arbejdet med at udvikle insulinproducerende celler ud fra embryonale stamceller - de allermest udifferentierede celler - fra mennesker. Det er lykkedes forskerne at udvikle en opskrift på hvordan man kan dirigere differentieringen af de embryonale stamceller gennem en række udviklingsstadier, herunder endoderm, så der til sidst dannes insulinproducerende celler. Opskriften specificerer hvordan forskellige vækstfaktorer og andre stoffer skal være til stede, eller fraværende, på bestemte tidspunkter under cellernes dyrkning og udvikling.
For mange typer celler er man dog stadig langt fra fuldstændigt at kunne kontrollere cellernes differentiering nøjagtigt så kun de celler og det væv man ønsker, udvikles. Det skyldes at man stadig er meget langt fra at have en fuldstændig viden om hvad der får celledifferentieringen til at foregå som den gør.
Inden for forskningsfeltet "tissue engineering" interesserer man sig for at danne levende væv in vitro, det vil sige uden for kroppen, med henblik på at implantere vævet i patienter hvis eget væv er blevet ødelagt. Når forskerne forsøger at producere væv, foregår det typisk ved at få stamceller til at vokse og differentiere sig på specielle skabeloner der giver det færdig væv den ønskede struktur.
Man anvender både stamceller fra fostre og voksenstamceller som udgangspunkt for vævsproduktionen. Der er lavet en række forskellige typer væv ved tissue engineering, blandt andet knoglevæv, bruskvæv, nervevæv, blodkar og hud.
Et af de helt store gennembrud i denne forskning kom i 2006, hvor amerikanske forskere rapporterede at de havde produceret blærevæv og implanteret det med held i syv patienters blærer. Forskerne dyrkede blærevævet ud fra to slags celler som de forinden havde udtaget fra patienternes egne blærer: muskelceller og urotelceller (en speciel type celler som beklæder blærens indre overflade).
Cellerne blev først dyrket, og efterfølgende blev de placeret på en blæreformet skabelon hvor de udviklede sig videre. I løbet af nogle ugers vækst på skabelonen havde cellerne differentieret sig og udviklet sig til kunstigt blærevæv. Forskerne høstede omkring en million blæreceller fra hver patient, og det væv der blev implanteret - ved at blive syet sammen med patientens egen blære - bestod af omkring halvanden milliard celler.
Det er på lignende måde lykkedes forskere at producere kunstige blodårer ved at dyrke glatte muskelceller og endotelceller (celler der sidder på indersiden af blodårer) på rørformede skabeloner. Andre forskere har med held produceret kunstig hud ved at dyrke celler isoleret fra forsøgspersoners hud på skabeloner af proteinet kollagen.
Et alternativ til at dyrke væv uden for kroppen er at indføre celler direkte i beskadiget væv i kroppen - i håb om at cellerne her udvikler sig til funktionelt væv og dermed kompenserer for det beskadigede vævs nedsatte eller manglende funktion. Dette er blandt andet afprøvet ved hjertesygdomme hvor hjertemuskulaturen af forskellige grunde ikke fungerer så godt som den skal - sygdomme der rammer forholdsvis mange mennesker.
Der er opnået lovende resultater ved at indsprøjte celler direkte ind i hjertemuskulaturen på patienter med dårligt hjerte. Forskerne bag disse forsøg isolerede muskelstamceller (satellitceller) fra en lille muskelbiopsi taget fra en muskel i patienternes lår, dyrkede dem og injicerede dem derefter. Efterfølgende målinger viste at hjertet hos de fleste af patienterne havde en markant bedre funktion efter celleinjektionen end før.
Der forskes også i produktion af hele organer. Ved at isolere det væv fra fostre som indeholder anlæggene for dannelse af bestemte organer, og implantere det i voksne dyr, er det lykkedes at producere hele funktionelle organer in situ (det vil sige på det sted i organismen hvor organet normalt udvikler sig). Fx har man transplanteret de fosteranlæg der udgør forstadierne til nyrer, fra rottefostre ind i voksne rotter og mus. Her differentierede fosteranlæggene sig normalt således at der blev udviklet funktionelle nyrer. Der er foretaget lignede eksperimenter hvor man har transplanteret fosteranlæg som kan udvikle sig til en bugspytkirtel, ind i voksne individer. Disse eksperimenter resulterede i udvikling af funktionelle bugspytkirtler som blandt andet kan producere insulin.