胞直径约爲14μm，而鼠胚胎干细胞直径约爲8μm。胚胎干细胞的细胞核一般较大，核仁明显，而细胞质相对较少。人和小鼠的胚胎干细胞都能在培养皿上形成圆形、边界清晰、表面光滑的细胞集落。
分子细胞生物学.胚胎干细胞多能性的维持依赖于Sox2、Oct4、Nanog等因子构成的转录网络，确保与细胞自我更新能力有关的基因能够持续高水平表达，并抑制与分化、自噬相关的基因转录。在胚胎干细胞的分化过程中，细胞的基因表达情况会发生很大变化，尤其是与胚胎干细胞自我更新能力维持有关的基因。胚胎干细胞的