无论在何种组织中，成体干细胞的数量通常都维持在一个相对较低的恒定水平。鉴于成体干细胞具有活跃的分裂能力，这些细胞的失控将会对动植物造成致命的伤害。另一方面，每一个干细胞都需要进行自我更新，并产生具有快速分裂与分化能力的子细胞——祖细胞，从而进一步产生大量细胞，以组成功能器官或组织。为了对骨髓中的类似现象进行解释，雷·斯科菲尔德（Ray Schofield）提出了一个假设，即干细胞聚集在一个特化的部位或龛中。干细胞龛由一组细胞所构成，可以为干细胞提供适宜的微环境（如图17所示），类似于“大本营”的作用。干细胞龛可以将干细胞很好地保护起来，成为机体持续性组织再生的储存库，并通过调控干细胞自我更新与分化之间的平衡，在其命运控制与数量维系等方面起到至关重要的作用。在大多数情况下，位于干细胞龛中的成体干细胞处于休眠状态，只有当细胞从微环境中接收到刺激信号时才会进行分裂。但目前关于这一信号的具体分子基础仍不清楚。当干细胞进行分裂后，子细胞中的其中一个将作为干细胞继续留在干细胞龛中，而另一个子细胞将离开干细胞龛并快速分裂分化形成成熟细胞。如果微环境受到进一步刺激，例如施加生长促进蛋白，则可以大大加快该过程的速度。干细胞龛模型已经在部分系统（例如果蝇卵巢、植物子房以及哺乳动物的结肠隐窝）的干细胞相关研究中得到了证实，但其是否适用于所有干细胞仍不清楚。

图17 干细胞龛的一个简单模型

龛中的细胞处于休眠状态，直到其被特定刺激唤醒（目前尚未完全阐明）。完成分裂后，干细胞龛只能容纳一个子细胞，而其余的细胞则成为祖细胞，继续分裂并转化形成大量完全分化的细胞

成体干细胞具有可塑性或转分化的特性。简单来说，这一特性是指某一类型的干细胞可以在不同的条件下转化为另一种细胞类型。例如，小鼠及人类的胚胎干细胞、骨髓干细胞、成体肝祖细胞以及其他干细胞均可以产生成熟的肝细胞。在实验室中通过将生长因子蛋白注入干细胞中可以实现这一转化过程。此外，将干细胞移植至肝脏中也可诱导其增殖，在某些情况下甚至还可以改善肝功能。

在胚胎中，一共存在三种原胚层细胞，包括外胚层（可产生神经系统、牙齿珐琅质、头发和皮肤的角质细胞）、内胚层（可发育形成肠道、呼吸系统和**）以及中胚层（可发育成骨骼、肌肉、结缔组织、皮肤中间层、肝脏和骨髓）。令人惊讶的是，三种胚层中的细胞还可以产生理应来自不同谱系的成熟细胞。

目前干细胞转分化的机制仍不清楚。干细胞的分化命运一方面取决于分裂时的遗传特征，另一方面也取决于其所接收到的外部信号特点。如果接收的外部信号与其内在特征不相符，干细胞将改变其遗传特征并转化为其他类型的细胞。由于细胞体积相对较小并且结构不够分明，因此很难通过直观的方式直接鉴别出真正的成体干细胞。目前认为组织内存在两个或多个干细胞群体，这或许可以用来解释干细胞的可塑性特点。例如，成体干细胞可以产生成熟细胞，而少数生殖干细胞仍可以产生所有类型的细胞。此外，还存在另一个模型以解释骨髓、毛囊与肠道中的干细胞是如何在自我更新与分化之间保持平衡的。该模型提出干细胞可以以两种不同的状态存在于机体内，其中一种为休眠态，此时细胞保留着完整的发育潜力；而另一种为活跃态，可以产生大量的分化细胞。休眠干细胞与活跃干细胞之间的平衡由多种发育信号蛋白所控制。这些蛋白最初在果蝇中被鉴定出来，但目前发现它们在所有动物细胞中均发挥着至关重要的作用。

在正常的代谢活动（尤其是在DNA复制过程）中，如果遭受致癌化学物质、紫外线与辐射等环境因素的影响，细胞将会发生DNA损伤。据计算，每个细胞每天有多达100万个分子可能遭受了损伤。细胞内存在着一系列方法来识别并修复这些受损的DNA。大多数DNA的改变不会对细胞造成损害，有一些甚至可能是我们个体差异的来源。但有些改变，例如DNA链的化学交联或断裂等，将会导致DNA分子结构的严重破坏，并对细胞存活产生影响。细胞内p53蛋白（在第3章中有所提及）可以识别到失败的DNA修复过程，进而促使细胞进入永久休眠状态（称为衰老），或引起细胞凋亡。在缺乏p53反应的情况下，受损细胞可能会出现失控的细胞分裂行为，从而导致癌症的发生。

所有动物细胞都有内在的衰老时钟。在每个染色体的末端，有一种被称为端粒的保护结构，该结构由TTAGGG的DNA重复序列组成。端粒可防止染色体末端融合，抑制环状染色体的形成。细胞在每次进行分裂时，此序列的一或两个拷贝将无法完成复制。因此，在经过多次分裂后，端粒的保护作用将开始消失。此时染色体末端将出现“磨损”，细胞也无法再次分裂。胚胎干细胞通过产生端粒酶以对端粒的损伤进行修复，从而保证胚胎干细胞在早期发育可以进行多次分裂而不受分裂次数的限制。在成年组织中，需要持续分裂的细胞（例如免疫细胞与器官特异性干细胞）也存在表达水平较高的端粒酶，而在大多数其他类型细胞中，端粒酶的表达水平往往较低。此外，在迅速分裂的肿瘤细胞中，通常也可以检测到高表达的端粒酶。

位于植物生长尖端的干细胞在其整个生命周期中都处于活跃状态。对于某些树木而言，其生命周期可能长达数世纪。在此期间，这些树木将持续地暴露于可引起DNA损伤与突变的环境中。所有植物都具有对DNA损伤（无论来自辐射还是有毒化学物质）高度敏感的响应机制，并可及时发出诱导早期细胞死亡的信号。在小鼠骨髓干细胞中，研究者也观察到了类似的现象。在这些关键细胞群中所进化出的这种严格保持基因组完整性的方式，与正常的程序性细胞死亡完全不同。另一方面，许多哺乳动物组织中成体干细胞的数量会随着时间推移而减少，这可能是低水平DNA损伤所引起的。这将促使干细胞进入休眠状态，从而影响高龄动物的细胞分裂能力。干细胞龛的数量也可能会随着年龄增加而减少。而我们之所以会变老，一部分原因也正是因为在年轻时我们的干细胞参与抑制了癌细胞的生长，这导致了干细胞的衰老。