維生素b12和葉酸缺乏，胸腺嘧啶核苷酸減少，DNA合成速度減慢，而細胞內尿嘧啶脫氧核苷酸（dUMP）和脫氧三磷酸尿苷（dUTP）增多。胸腺嘧啶脫氧核苷三磷酸（dTTP）減少，使尿嘧啶摻合入DNA，使DNA呈片段狀，DNA復制減慢，核分裂時間延長（S期和G1期延長），故細胞核比正常大，核染色質呈疏松點網狀，缺乏濃集現象，而胞質內RNA及蛋白質合成并無明顯障礙。隨著核分裂延遲和合成量增多，形成胞體巨大，核漿發育不同步，核染色質疏松，所謂“老漿幼核”改變的巨型血細胞。巨型改變以幼紅細胞系列最顯著，具特征性，稱巨幼紅細胞系列。細胞形態的巨型改變也見于粒細胞、巨核細胞系列，甚至某些增殖性體細胞。該巨幼紅細胞易在骨髓內破壞，出現無效性紅細胞生成。最終導致紅細胞數量不足，表現貧血癥狀。