Bakterier er små (helt ned til 0,1 µm) og kerneløse. Planteceller er typisk firkantede og indeholder grønkorn, der gør det muligt at omsætte solenergi. En typisk kropscelle har en diameter på mellem 0,01 mm og 0,02 mm, mens humane nerveceller kan blive op til 1 m lange. I den følgende beskrivelse af cellen og dens bestanddele fokuseres primært på humane celler.
Alle celler er omkranset af en membran, kaldet plasmamembranen, der er en form for hinde, som holder cellens indre adskilt fra omverdenen. Cellemembranen består primært af fosforholdige fedtstoffer - såkaldte fosforlipider, der har en hydrofob (vandskyende) ende og en hydrofil (vandelskende) ende. I cellemembranen er fosforlipiderne organiseret i et dobbelt lag, så lipidernes hydrofobe ender peger ind mod hinanden, mens lipidernes hydrofile ender er orienteret mod det vandige miljø, der findes i cellens indre og i omgivelserne.

Cellens opbygning (illustration: Peter Waldorph)

Cellemembranens struktur tillader, at små uladede molekyler som vand, ilt og nitrogen kan passere uhindret ud og ind af cellen, mens alle øvrige molekyler transporteres gennem proteinkomplekser, der er indlejret i cellemembranen. På den vis regulerer cellemembranen, hvilke stoffer der passerer ud og ind af cellen og muliggør derved, at miljøet inde i cellen adskiller sig fra miljøet uden for cellen.

Celler indeholder en flydende substans kaldet cytosol samt organeller - som er små strukturer, der ligesom cellerne hver især er omsluttet af en membran. Organel betyder lille organ. Der findes ca. 6 forskellige typer af organeller, som hver især udfører bestemte funktioner i cellen.

Cellens største organel er kernen, der indeholder en fuldkommen kopi af organismens arvemateriale, DNA. Det meste af tiden forefindes DNA'et som lange tynde tråde, men ved celledeling samles DNA'et til de strukturer, vi kender som kromosomer. DNA'et bærer de informationer, der er bestemmende for organismes egenskaber, men er ikke i sig selv aktivt. Det udøver sin funktion ved, at informationerne i DNA'et oversættes til protein, der indgår i og er styrende for stort set alle processerne i kroppen. Det er for eksempel proteiner, der nedbryder den mad, vi spiser, og proteiner der sender signaler mellem hjernecellerne og dermed bestemmer, hvordan vores hjerner fungerer.
På den måde kan proteinerne siges at være bindeledet mellem vores gener og vores egenskaber. DNA'et rummer informationerne om, hvilke opgaver der kan udføres, men det er proteinerne, der udfører opgaverne. Inde i cellerne er det små cellulære komplekser - såkaldte ribosomer, der producerer proteinerne efter vejledning fra DNA'et.

Cellernes øvrige organeller står primært for stofskifte og molekyletransport. Lysosomerne er små membranomsluttede hulrum, der ved hjælp af enzymer nedbryder den mad, vi spiser, til mindre dele. Mitokondrierne er relativt store organeller, der virker ved at generere energi i form af ATP ud fra oxygen og de delvist nedbrudte madmolekyler. Det endoplasmatiske retikulum er foldede membranstrukturer, der er specialiseret til at producere fedtstoffer og membranproteiner. Og golgiapparatet er flade membranstrukturer, der står for at transportere molekyler rundt mellem organellerne og til og fra cellemembranen.
Uden på cellemembranen sidder forskellige molekyler. Nogle binder cellerne sammen, mens andre gør, at cellen kan kommunikere med andre celler og omverdenen, ved at molekylerne registrerer og reagerer på forskellige stoffer. For eksempel sidder der nogle molekyler på cellerne i munden, der registrerer, når vi spiser, og derfor får cellerne til at producere spyt.

Ligesom et menneske er et levende individ, der har de egenskaber, der skal til for at forblive levende og kommunikere med omverdenen, har hver enkelt celle altså også et eget stofskifte og fungerer på den vis som selvstændig enhed, der modtager signaler fra og reagerer på omverdenen.

Ligeledes ved man meget lidt om, hvordan det sikres, at cellerne bevæger sig de rigtige steder hen under udviklingen, så kroppen får den rigtige form. Et af problemerne er, at det er svært at forske i humane embryoner. Det skyldes dels, at embryonernes udvikling er vanskelig at studere, da man af etiske årsager ikke kan lave systematiske forsøg med mennesker. Og dels at forskerne har haft - og til dels stadig har - svært ved at dyrke humane stamceller. Faktisk var det først i 1998, at det for første gang lykkedes forskere at tage embryonale stamceller fra menneske­lige befrugtede æg og dyrke dem i laboratoriet.
Den viden, der i dag eksisterer om styringen af fosterudviklingen, stammer derfor primært fra forsøg med dyr. Da den menneskelige fosterudvikling adskiller sig væsentligt fra andre arters, kan dyreforsøgene imidlertid kun i begrænset omfang bruges til at sige noget om, hvordan den humane fosterudvikling styres. Men forskerne har efterhånden et godt billede af, hvilke faktorer der spiller ind.

En af de faktorer, der er afgørende for celledifferentieringen i forbindelse med fosterudviklingen, er de såkaldte homeobox gener. Homeobox-generne findes både hos pattedyr, insekter, svampe og planter og virker ved at kode for proteiner, der aktiverer eller deaktiverer grupper af andre gener. Homeobox generne styrer således det overordnede udviklingsforløb ved at koordinere, at grupper af andre udviklingsgener bliver udtrykt. I et forsøg med frøer har man således påvist, at man ved at fjerne celler, der udtrykker et særligt homeobox-gen, får fremstillet hovedløse frøer.
En anden vigtig faktor for celledifferentieringen er de såkaldte epigenetiske reguleringsmekanismer, der refererer til forandringer knyttet til cellers kromosomer og DNA. Forandringerne er stabile ved celledelinger, men involverer ikke ændringer af organismens DNA-sekvens. De epigenetiske reguleringsmekanismer dækker over en række forskellige forandringer, der har det tilfælles, at de er afgørende for, hvilke gener der bliver udtrykt, og hvilke der ikke gør. Det kan for eksempel være små kemiske forbindelser, der påhæftes de strukturer, som DNA’et er viklet op om, og som bevirker at DNA’et åbner sig og dermed muliggør, at et gen kan udtrykkes. Epigenetiske forandringer af cellernes DNA bevares gennem cellegenerationer og akkumuleres efterhånden som cellerne differentieres. Dermed sikrer den epigenetiske regulering, at celler kan udvikle sig forskelligt og bevare deres identitet, selvom de alle har identisk arvemateriale.

Isoleret set kan hverken homeobox-generne eller de epigenetiske faktorer imidlertid forklare, hvordan helt ens celler med identisk DNA kan udvikle sig i forskellige retninger. Når en celle skal til at dele sig, pakker DNA'et sig sammen i kromosomer. Kromosomerne laver dernæst en nøjagtig kopi af sig selv. Og lige før cellen deler sig, trækker de to kromosomkopier sig fra hinanden, så begge de to nye celler kommer til at indeholde en kopi af den "originale" DNA kode. Alle kroppens celler indeholder altså den samme DNA information - så hvad styrer, at nogen celler ender som knogleceller, mens andre ender som hjerneceller?

I forsøg med mus har man observeret de første tegn på, at cellerne begynder at differentieres ved 16 cellestadiet. I dette stadie polariseres cellerne, således at indholdet af makromolekyler, som proteiner, fedtstoffer og kulhydrater, er uens fordelt i de enkelte celler. Når cellerne efterfølgende deler sig, vil indholdet af makromolekyler i dattercellerne følgelig være forskelligt. Man regner derfor med, at det er interaktioner mellem cellerne, der skaber polariseringen og dermed de første differentieringer. Når man dyrker embryonale stamcellelinier, er man derfor nødt til hele tiden at adskille cellerne for at bevare dem udifferentierede. Får de lov at blive sammen med deres normale naboceller, vil interaktionen mellem cellerne få dem til at differentiere.

Efter den første celledifferentiering har cellerne altså forskelligt indhold af makromolekyler, og man regner med, at det er en afgørende faktor i den videre udvikling. Alt efter hvilke makromolekyler cellerne indeholder, vil homeobox generne påvirkes på forskellig vis, og cellerne vil reagere forskelligt på påvirkninger udefra. På den vis synes det altså at være et komplekst samspil mellem cellernes indhold af makromolekyler, interaktioner mellem cellerne, de epigenetisk reguleringsmekanismer og homeobox-generne, der er ansvarlige for, hvilken retning de forskellige celler udvikles i.

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.

Celledifferentiering - vækstfaktorer og ændret genaktivitet: Når udifferentierede celler, fx stamceller, deler sig og efterhånden differentieres til specialiserede (differentierede) celler, sker det bl.a. fordi cellerne undervejs påvirkes af forskellige vækstfaktorer (på tegningen kaldet VF1, VF2 og VF3). Når en celle påvirkes af en vækstfaktor, medfører det typisk at bestemte gener aktiveres - fordi der er blevet dannet bestemte transkriptionsfaktorer i cellen. Efterhånden som flere gener aktiveres, kan cellen udføre nye funktioner. På figuren er genaktiviteten i de forskellige celler illustreret med farver. Vækstfaktoren VF1 påvirker celler så et bestemt gen bliver aktivt (blå farve), vækstfaktoren VF2 aktiverer et andet gen (rød farve), og VF3 aktiverer et tredje gen (lilla farve). (illustration: Peter Waldorph)

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.