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细胞分化（cellular differentiation），指的是在多细胞生物中，一个干细胞在分裂的时候，其子细胞的基因表达受到调控，例如DNA甲基化，变成不同细胞类型的过程。类如全能（totipotent）的受精卵在分裂到一定程度时，其子细胞就会开始向特定的方向分化，形成胎儿的肌肉，骨骼，毛发等器官。分化后的细胞在其结构，功能上都会出现差异，而且成为了所谓的“单能性”细胞（unipotent），就是其只能分裂得出同等细胞类型的子细胞。但是所有这些子细胞的基因组（Genome）却是与“祖宗”的干细胞一样的。研究细胞分化，对理解疾病的发生，如癌症的出现有着重要意义。
从分子水平看，细胞分化意味着各种细胞内合成了不同的专一蛋白质医学|教育网搜集整理（如水晶体细胞合成晶体蛋白，红细胞合成血红蛋白，肌细胞合成肌动蛋白和肌球蛋白等），而专一蛋白质的合成是通过细胞内一定基因在一定的时期的选择性表达实现的。因此，基因调控是细胞分化的核心问题。
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