Стволовите клетки се различават от останалите клетки. Всички стволови клетки, без значение какъв е източника им, имат три основни качества – те са способни да се делят и самообновяват за дълъг период от време, не са специализирани и могат да генерират специализирани клетки.
Защо стволовите клетки са способни да се делят и самообновяват за дълъг период от време?
За разлика от мускулните клетки, кръвните клетки и нервните клетки – които обикновено не се репликират – стволовите клетки могат да се репликират многократно, или още, да се размножават. Началото на една популация от стволови клетки, които се размножават в продължение на месеци дори и в лабораторни условия може да генерира милиони клетки. Ако получените клетки останат неспециализирани, като главните стволови клетки, те са способни на дългосрочно самообновяване.
Учените се опитват да си обяснят две фундаментални явления, характерни за стволовите клетки, и причината за дългосрочното им самообновяване:

  1. Защо ембрионалните стволови клетки могат да се размножават в продължение на година и повече при лабораторни условия, без да се специализират, докато повечето стволови клетки на възрастни индивиди не могат?
  2. Какви са факторите при живите организми, които обикновено регулират размножаването на клетките и тяхното самообновяването?

Веднъж открити отговорите на тези въпроси ще направят възможно разбирането за това как се случва размножаването на клетките по време на ембрионалното развитие, както и това на анормалното клетъчно делене, което води до рак на ембриона. Подобна информация ще помогне на учените по-ефективно да култивират ембрионални и неембрионални стволови клетки. Специфичните фактори и условия, които позволяват на стволовите клетки да останат неспециализирани са една от най-важните за учените загадки. Дългогодишни експерименти са били нужни на науката, за да установи как се добиват стволови клетки, без да се допуска спонтанната им специализация в една конкретна тъкан. Така например, отне две десетилетия, за да се установи как се развиват човешки ембрионални стволови клетки при лабораторни условия, използвайки същите обстоятелства като тези при добиването на миши стволови клетки. Навярно учените ще трябва първо да открият сигналите, които позволяват на неембрионалните (възрастни) стволови клетки да се размножават и да останат неспециализирани и да се възпроизведат в други неспециализирани възрастни стволови клетки. Една от най-важните характеристики на стволовите клетки е това, че те не съставят една конкретна тъкан, а се развиват като част от различни тъкани, които извършват специализирани функции в организма. Така например, една стволова клетка не може да образува група с околни клетки и да започне да придвижва кръв из тялото, както би направила една сърдечна кръвна клетка. Освен това тези клетки не биха могли да пренасят молекули с кислород в кръвообращението, както правят червените кръвни телца. Въпреки това стволовите клетки могат да дадат началото на специализирани клетки, включително сърдечни, мускулни, нервни и кръвни стволови клетки.
Как стволовите клетки дават тласък на специализирани клетки?
Когато са неспециализирани стволовите клетки преминават през процес, наречен диференциация. Докато се диференцира клетката обикновено преминава през няколко етапа, ставайки по-специализирана с всеки следващ етап. Отскоро учените започнаха да разчитат сигналите извън и вътре в самата клетка, които отключват процеса на диференциация. Вътрешните сигнали са контролирани от гените на клетката, които са разпръснати в ДНК-веригите и носят кодирани инструкции за всички клетъчни структури и функции. Външните фактори за диференциацията включват химикали, които се отделят от самите стволови клетки, физически контакт с околните клетки, както и някои молекули в микросредата. Взаимодействието на сигналите при процеса на диференциране предизвиква ДНК на стволовите клетки да придобие епигенетични белези, които ограничават ДНК проявите в клетката и могат да бъдат прехвърлени чрез клетъчно делене.
Много от въпросите по отношение на диференциацията на стволовите клетки остават без отговор. Например, доколко вътрешните и външните сигнали на диференциране са едни и същи за всички видове стволови клетки? Могат ли да бъдат идентифицирани конкретни групи сигнали, които програмират диференцирането в определена група на клетките? Намирането на тези отговори може да помогне на учените да открият начини за контролиране на специализацията на стволовите клетки при лабораторни условия. По този начин развиването на тъкани и органи може да се използва за терапии, базирани на стволови клетки, както и за изпробване на нови лекарства и медикаменти.
Възрастните стволови клетки обикновено се превръщат в клетъчната група, в близост до която се намират. Така например, кръвообразуваща възрастна стволова клетка в костния мозък обикновено произвежда кръвни клетки. По презумпция се възприема, че кръвообразуващи клетки в костния мозък, още познати като хемопоетични стволови клетки, не могат да продуцират различни клетки, като нервни или мозъчни клетки, например.