幹細胞生物學的核心問題是：細胞如何在自我更新和分化之間做出穩定且可逆的抉擇？這涉及表觀遺傳景觀（epigenetic landscape）、轉錄因子網路動力學和微環境信號的整合。
多能性的分子電路
ESC 多能性由 OCT4-SOX2-NANOG 核心轉錄因子迴路維持（Boyer et al., 2005, Cell）。三者互相結合到對方的增強子上形成正回饋迴路，並共同佔據數千個靶基因啟動子，活化多能性基因、抑制分化基因。此迴路的穩定性由超級增強子（super-enhancers）強化——大型、高密度的 Mediator/BRD4 聚集區域驅動核心因子的高水平表達（Whyte et al., 2013, Cell）。
多能性並非單一狀態。小鼠 ESC 在含 LIF/2i（MEK 和 GSK3β 抑制劑）條件下處於「天真態」（naïve state），對應著植入前內細胞團；在 FGF/Activin 條件下處於「激發態」（primed state），對應植入後上胚層（EpiSC）（Nichols & Smith, 2009, Cell Stem Cell）。人類傳統 ESC 更接近 primed 狀態，近年開發的 5iLAF 或 PXGL 培養基可將人類 ESC 轉為 naïve 態（Theunissen et al., 2014, Cell Stem Cell）。
不對稱分裂的分子機制
果蠅神經母細胞是不對稱分裂的經典模型。分裂前，Par 複合體（Par3/Par6/aPKC）極化到頂端，而命運決定子 Miranda-Prospero 和 Numb 被分配到基側。aPKC 磷酸化 Lgl 和 Numb 驅動其基側定位（Betschinger et al., 2003, Nature）。分裂後，繼承 Prospero 的子細胞退出細胞週期並分化為神經元，繼承 Par 複合體的子細胞維持幹性。
在哺乳類 HSC 中，不對稱分裂的機制更為複雜。活體影像追蹤（Ting et al., 2012, Science）顯示 Numb 和 CD133 在 HSC 分裂時的不對稱分配與子細胞命運相關，但 HSC 也能進行對稱自我更新（兩個子細胞都保持幹性）或對稱分化，取決於 niche 信號的強度。
幹細胞微環境（Niche）的分子解碼
Schofield（1978, Blood Cells）首先提出「niche 假說」——幹細胞的行為取決於其所處的微環境而非內在程式。現代研究用 scRNA-seq 系統性解構 niche 成分：骨髓 niche 包含骨內膜區的 Lepr+ 間質幹細胞（分泌 SCF 和 CXCL12）、竇狀內皮細胞、Schwann 細胞（活化 TGF-β 維持靜止態）和巨噬細胞（Morrison & Scadden, 2014, Nature）。CXCL12 基因在 Lepr+ 細胞中條件性敲除導致 HSC 動員至外周血，證實此 niche 成分的功能必要性（Ding & Morrison, 2013, Nature）。
重新程式設計與表觀遺傳障壁
Yamanaka 的四因子（OSKM）重新程式設計效率極低（<1%），反映了表觀遺傳障壁的強大。重新程式設計過程中，體細胞必須：（1）沉默體細胞基因的增強子（H3K9me3 沉積）；（2）去甲基化多能性基因的啟動子；（3）重設 X 染色體不活化（女性細胞）；（4）重建端粒長度。MBD3/NuRD 去乙醯化酶複合體是主要障壁之一——MBD3 敲除可將 iPSC 效率提升至接近 100%（Rais et al., 2013, Nature）。
最新進展包括化學重新程式設計（chemical reprogramming）——鄧宏魁團隊用純小分子雞尾酒（不需要轉錄因子）將小鼠和人類體細胞轉為 CiPSC（Hou et al., 2013, Science; Guan et al., 2022, Nature），為臨床安全的細胞來源開闢道路。