Il fenomeno per cui da una cellula iniziale, di solito lo zigote, si originano gradualmente tipi cellulari diversi, seppure muniti dello stesso genoma, è detto differenziamento.
L'organismo pluricellulari è fatto da tipi cellulari diversi i quali, modulando in modo diverso l'attività di singoli gruppi genici, si specializzano ciascuno per determinate funzioni e quindi ricavano vantaggi dalla collaborazione reciproca all'interno di un unico individuo. In un organismo adulto le cellule dei vari tessuti differiscono tra loro per forma e funzioni. A livello molecolare tali differenze riguardano soprattutto proteine di carattere strutturale o enzimatico. La fibra muscolare è enormemente più ricca di mioglobina, miosina, actina ed altre proteine contrattili di qualsiasi altra cellula, mentre un globulo rosso non produce altro che emoglobina.

Programmazione dell'attività genetica

Alla base del differenziamento c'è quindi una particolare programmazione dell'attività genetica, che prima determina la formazione di tipi cellulari differenti, quindi li mette in grado di rimanere specializzati, mantenendo costantemente represse le sintesi che non sono specifiche di quel tipo cellulare. Il nucleo non è il solo responsabile di questa programmazione: infatti, le cellule dei vari tessuti di un organismo hanno tutte lo stesso DNA. La possibilità di modulare nel tempo e nello spazio l'attività dei vari gruppi di geni nucleari è stata probabilmente alla base della grande fioritura evolutiva degli eucarioti, molti dei quali, grazie a tale possibilità, sono divenuti pluricellulari. Un batterio, il cui genoma è continuamente attivo, dà origine solo a cellule sempre eguali fra loro, che non traggono vantaggi dall'associazione perché tutte esercitano le stesse attività.

Comunicazione cellulare

La diversa regolazione dell'attività genetica che si attua nei vari tipi cellulari dipende da segnali chimici che giungono al nucleo dal citoplasma, oppure, sempre mediati dal citoplasma, da cellule circostanti o anche dall'ambiente esterno alla cellula. I principali eventi che caratterizzano le attività vitali della cellula sono dunque il risultato di interazioni talora complesse fra nucleo, citoplasma e ambiente che circonda la cellula.