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文檔簡介
關(guān)于生殖細(xì)胞的發(fā)生線蟲、昆蟲、脊椎動(dòng)物和其他許多動(dòng)物的生殖細(xì)胞(germcell)和體細(xì)胞(somaticcell)在很早期的發(fā)育階段就有明顯的分化。
也有不少動(dòng)物如腔腸動(dòng)物、扁蟲等,其體細(xì)胞與生殖細(xì)胞的分化并不確定,在一定的條件下能夠轉(zhuǎn)化為生殖細(xì)胞。
第2頁,共91頁,2024年2月25日,星期天1.
生殖質(zhì)與生殖細(xì)胞的分化
2.原始生殖細(xì)胞的遷移
3.精子發(fā)生(spermatogenesis)
4.卵子發(fā)生(oogenesis)
第3頁,共91頁,2024年2月25日,星期天第一節(jié)生殖細(xì)胞的起源與分化
原生殖細(xì)胞(PGC)在胚胎發(fā)育初期生殖細(xì)胞就已經(jīng)決定的動(dòng)物,其生殖細(xì)胞來源于原生殖細(xì)胞(primordialgermcell,PGC)。原生殖細(xì)胞經(jīng)過遷移,進(jìn)入發(fā)育中的生殖腺原基—生殖嵴(genitalridge)分化成為生殖細(xì)胞。而原生殖細(xì)胞的起源可以追溯到更早期的胚胎發(fā)育階段。第4頁,共91頁,2024年2月25日,星期天生殖質(zhì)有些動(dòng)物的卵細(xì)胞質(zhì)中存在著具有一定形態(tài)結(jié)構(gòu)、可識(shí)別的特殊細(xì)胞質(zhì)——生殖質(zhì)(germplasm)。生殖質(zhì)由蛋白質(zhì)和RNA組成顆粒狀結(jié)構(gòu),定位于卵質(zhì)的特殊區(qū)域,隨著胚胎發(fā)育的進(jìn)行,生殖質(zhì)逐漸地被分配到一定的細(xì)胞中。具有生殖質(zhì)的細(xì)胞是新一代生殖細(xì)胞的發(fā)源處;將分化成為原生殖細(xì)胞。
各類動(dòng)物生殖質(zhì)的形態(tài)結(jié)構(gòu)和特性、原生殖細(xì)胞的形成及其遷移有較大的差異。第5頁,共91頁,2024年2月25日,星期天一、生殖質(zhì)與生殖細(xì)胞分化線蟲的P顆粒
線蟲第4次卵裂結(jié)束時(shí),便產(chǎn)生了生殖細(xì)胞譜系,所有的生殖細(xì)胞都來自P4分裂球。線蟲未受精卵中均勻分布的生殖質(zhì)—P顆粒(posteriorgranules)
,在受精后迅速地集中到預(yù)定胚胎的后部。生殖細(xì)胞形成和P顆粒分布的關(guān)系說明,P顆??赡軐?duì)于生殖細(xì)胞的分化具有重要的作用。第6頁,共91頁,2024年2月25日,星期天P顆粒原生殖細(xì)胞第7頁,共91頁,2024年2月25日,星期天26細(xì)胞期時(shí)全部P顆粒都在P4細(xì)胞中第8頁,共91頁,2024年2月25日,星期天第9頁,共91頁,2024年2月25日,星期天果蠅的極質(zhì)
卵細(xì)胞內(nèi)特殊的生殖質(zhì)決定生殖細(xì)胞的發(fā)育命運(yùn),最清楚的例子來自對(duì)果蠅的研究。果蠅的原始生殖細(xì)胞最早發(fā)現(xiàn)于受精后90min,這些原生殖細(xì)胞位于胚胎的后端。胚胎后端的細(xì)胞質(zhì)內(nèi)含有特殊的極質(zhì)(poleplasm)顆粒,其內(nèi)含有蛋白質(zhì)和多種RNA。第10頁,共91頁,2024年2月25日,星期天果蠅的極質(zhì)A.果蠅極細(xì)胞極質(zhì)的透射電鏡照片。B.卵裂結(jié)束前的早期果蠅胚胎極細(xì)胞的掃描電鏡照片。第11頁,共91頁,2024年2月25日,星期天兩個(gè)主要的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了極質(zhì)(poleplasm)可以促進(jìn)生殖細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)的特化。第一,如果用紫外線照射卵的后端,破壞極質(zhì)的活性,便沒有生殖細(xì)胞形成。第二,移植果蠅的極質(zhì)能夠引起生殖細(xì)胞分化。
如果將卵的后極移植到另一個(gè)胚胎的前端,極質(zhì)所包圍的細(xì)胞核便分化形成生殖細(xì)胞。如果將卵前端這些細(xì)胞移植到將來發(fā)育為生殖腺的區(qū)域,它們就可以發(fā)育為有功能的生殖細(xì)胞。第12頁,共91頁,2024年2月25日,星期天移植果蠅的極質(zhì)能夠引起生殖細(xì)胞分化:第13頁,共91頁,2024年2月25日,星期天移植果蠅極細(xì)胞質(zhì)能夠治愈射線照射引起的生殖細(xì)胞不發(fā)育。第14頁,共91頁,2024年2月25日,星期天生殖質(zhì)在爪蟾受精卵中的存在:位置:植物極;構(gòu)成:富含RNA和蛋白質(zhì)的一團(tuán)特殊細(xì)胞質(zhì);功能:決定原始生殖細(xì)胞(PGC)的形成和發(fā)育。第15頁,共91頁,2024年2月25日,星期天兩棲類原生殖細(xì)胞的發(fā)生部位定位在卵細(xì)胞的植物極,在這一部位發(fā)現(xiàn)有類似于果蠅P顆粒染色性質(zhì)的胞質(zhì)成分存在。(Bounoure,1934)第16頁,共91頁,2024年2月25日,星期天蛙受精的合子中生殖質(zhì)成分(種質(zhì))靠近植物極。第17頁,共91頁,2024年2月25日,星期天桑椹胚內(nèi)胚層區(qū)里含有種質(zhì)成分的細(xì)胞的有絲分裂。第18頁,共91頁,2024年2月25日,星期天在原腸胚形成啟動(dòng)時(shí),靠近囊胚腔底面的原始生殖細(xì)胞。第19頁,共91頁,2024年2月25日,星期天小鼠:
沒有證據(jù)表明小鼠與其他哺乳動(dòng)物生殖細(xì)胞發(fā)生與生殖質(zhì)的關(guān)系。小鼠生殖細(xì)胞發(fā)生涉及細(xì)胞之間的相互作用。小鼠胚胎中最早能夠識(shí)別的PGC位于原條后端。第20頁,共91頁,2024年2月25日,星期天不同動(dòng)物在生殖腺原基發(fā)生時(shí),原生殖細(xì)胞以不同的方式遷移進(jìn)入生殖腺原基,在那里進(jìn)行生殖細(xì)胞的分化。二、原生殖細(xì)胞的遷移第21頁,共91頁,2024年2月25日,星期天PGC形成后,遷移到生殖嵴,在性腺中分化為卵子或精子。PGC的遷移路線隨動(dòng)物類群不同而有所不同:雞:PGC血島性腺;果蠅、爪蟾和小鼠:
PGC先集中于原腸胚期后腸的內(nèi)胚層,遷入生殖嵴,從而產(chǎn)生卵子或精子。第22頁,共91頁,2024年2月25日,星期天1.兩棲類原生殖細(xì)胞(PGC)的遷移生殖質(zhì)聚集沿分裂溝遷移囊胚腔底部原腸腔底部內(nèi)胚層中背側(cè)腸系膜生殖嵴生殖腺。第23頁,共91頁,2024年2月25日,星期天第24頁,共91頁,2024年2月25日,星期天兩棲動(dòng)物的生殖質(zhì)定位在卵的植物極,用紫外線照射胚胎植物極之后,生殖腺中將缺少生殖細(xì)胞。原始生殖細(xì)胞遷移路線:植物極---囊胚腔底部細(xì)胞的分裂溝附近---原腸腔底部內(nèi)胚層--幼蟲后腸聚集-沿腸背部遷移至生殖嵴中。每個(gè)生殖嵴有~30PGC。生殖嵴細(xì)胞內(nèi)的一些因子是PGCs定向遷移的重要因素。第25頁,共91頁,2024年2月25日,星期天2.哺乳動(dòng)物原生殖細(xì)胞的遷移在尿囊與后腸交接處,PGC聚集卵黃囊附近再分成2群沿卵黃囊尾部通過新形成的后腸沿背側(cè)腸系膜向上遷移左、右生殖嵴第26頁,共91頁,2024年2月25日,星期天A.在卵黃囊靠近后腸和尿囊連接處可觀察到原始的生殖細(xì)胞。B.原始生殖細(xì)胞經(jīng)過腸、腸系膜的背面遷移到生殖嵴。第27頁,共91頁,2024年2月25日,星期天第28頁,共91頁,2024年2月25日,星期天第29頁,共91頁,2024年2月25日,星期天3.鳥類和爬行類原生殖細(xì)胞的遷移鳥類的PGC最早起源于明區(qū)中央的上胚層細(xì)胞。在原腸作用中遷移至明區(qū)的前部邊緣的下胚層,形成生殖新月區(qū)(germinalcrescent),這些細(xì)胞繁殖成為PGC。
生殖新月區(qū)形成血管時(shí),PGC進(jìn)入血管,通過血液循環(huán)遷移進(jìn)入生殖嵴。第30頁,共91頁,2024年2月25日,星期天PGC來自外胚層細(xì)胞生殖新月生殖腺第31頁,共91頁,2024年2月25日,星期天雞原條期胚胎的背面觀,示原始生殖細(xì)胞發(fā)生的生殖新月區(qū)、暗區(qū)、明區(qū)和亨氏節(jié)。第32頁,共91頁,2024年2月25日,星期天第33頁,共91頁,2024年2月25日,星期天第34頁,共91頁,2024年2月25日,星期天4.果蠅原始生殖細(xì)胞的的遷移果蠅原始生殖細(xì)胞起源于胚胎后端,經(jīng)后中腸穿過腸壁和中胚層,形成兩個(gè)分離的隊(duì)列,最終聚集在生殖腺中。第35頁,共91頁,2024年2月25日,星期天原生殖細(xì)胞進(jìn)入生殖腺原基后不斷進(jìn)行有絲分裂,產(chǎn)生生殖干細(xì)胞后代。生殖干細(xì)胞必須經(jīng)過減數(shù)分裂才能分化形成雌性配子或雄性配子,染色體數(shù)目由雙倍體變成單倍體。三、減數(shù)分裂(meiosis)第36頁,共91頁,2024年2月25日,星期天
進(jìn)入
有絲分裂
PGC
生殖腺原基生殖干細(xì)胞
減數(shù)分裂
♀♂配子通過聯(lián)會(huì)配對(duì)、同源染色體間遺傳信息的交換和重組,可產(chǎn)生大量不同的含有不同染色體組合的生殖細(xì)胞。第37頁,共91頁,2024年2月25日,星期天第38頁,共91頁,2024年2月25日,星期天減數(shù)分裂第一次減數(shù)分裂(2nn)第二次減數(shù)分裂(nn)前期中期后期末期前期中期后期末期細(xì)線期偶線期粗線期染色體雙線期交叉終變期減數(shù)分裂期第39頁,共91頁,2024年2月25日,星期天遷移進(jìn)入生殖腺原基的原生殖細(xì)胞具備兩種發(fā)育潛能,由生殖腺內(nèi)的微環(huán)境決定分化成為精子或卵子。這里涉及兩種決定:第一種決定是生殖干細(xì)胞是進(jìn)入減數(shù)分裂進(jìn)行配子發(fā)生還是進(jìn)行有絲分裂成為生殖干細(xì)胞。第二種決定是進(jìn)行減數(shù)分裂的細(xì)胞是發(fā)育為卵子還是精子。四、生殖細(xì)胞定向分化的決定第40頁,共91頁,2024年2月25日,星期天PGC具備兩種發(fā)育潛能:(1)生殖干細(xì)胞是減數(shù)分裂:配子發(fā)生
有絲分裂:生殖干細(xì)胞(2)進(jìn)行減數(shù)分裂的細(xì)胞是發(fā)育成卵子或精子。第41頁,共91頁,2024年2月25日,星期天位于線蟲生殖腺末端的遠(yuǎn)端細(xì)胞對(duì)生殖干細(xì)胞進(jìn)行有絲分裂還是減數(shù)分裂具有調(diào)控作用。第42頁,共91頁,2024年2月25日,星期天離開生殖腺末端的細(xì)胞進(jìn)入減數(shù)分裂,而留在末端的細(xì)胞繼續(xù)有絲分裂。末端的單個(gè)遠(yuǎn)端細(xì)胞(distaltipcell)的纖毛含lag-2蛋白,它與GC上的受體glp-1結(jié)合后抑制GC發(fā)生減數(shù)分裂。用激光使遠(yuǎn)端細(xì)胞失活可導(dǎo)致所有GC進(jìn)入減數(shù)分裂;將該細(xì)胞移植到其它處,則可使附近細(xì)胞繼續(xù)有絲分裂。glp-1基因在生殖細(xì)胞對(duì)遠(yuǎn)端細(xì)胞的信號(hào)作出反應(yīng)的過程中起作用。第43頁,共91頁,2024年2月25日,星期天一、精子的結(jié)構(gòu)第二節(jié)精子發(fā)生第44頁,共91頁,2024年2月25日,星期天人類精子結(jié)構(gòu)示意圖第45頁,共91頁,2024年2月25日,星期天第46頁,共91頁,2024年2月25日,星期天第47頁,共91頁,2024年2月25日,星期天精子鞭毛的結(jié)構(gòu)第48頁,共91頁,2024年2月25日,星期天二、精子發(fā)生(spermatogenesis
)精子發(fā)生:由PGC發(fā)育到精原細(xì)胞,再發(fā)育到精子成熟并排出體外的過程。
脊椎動(dòng)物的PGCs到達(dá)雄性胚胎的生殖腺原基后,立即進(jìn)入性索,然后停留在那里直到成熟。性索發(fā)育成為生精小管,其管上皮細(xì)胞分化形成支持細(xì)胞(sertolicell)。PGCs分裂形成精原細(xì)胞。
第49頁,共91頁,2024年2月25日,星期天精子發(fā)生階段:原生殖細(xì)胞精原細(xì)胞增殖期初級(jí)精母細(xì)胞生長期成熟分裂期精子形成期第50頁,共91頁,2024年2月25日,星期天哺乳動(dòng)物支持細(xì)胞和精子的發(fā)育,細(xì)胞在成熟過程中不斷向生精小管腔推進(jìn)。第51頁,共91頁,2024年2月25日,星期天基膜生殖干細(xì)胞第52頁,共91頁,2024年2月25日,星期天人約需74天第53頁,共91頁,2024年2月25日,星期天第54頁,共91頁,2024年2月25日,星期天三、精子形成頂體形成:由高爾基復(fù)合體構(gòu)建成的囊狀結(jié)構(gòu),似一個(gè)“帽子”覆蓋于精子核頂部,頂體內(nèi)具有:透明質(zhì)酸酶、蛋白酶、酸性磷酸酶、芳基硫酸酶、
β-葡萄糖醛酸酶、β-葡萄糖胺酶、磷脂酶等(2)精子核發(fā)生旋轉(zhuǎn),使頂體面向生精小管的基膜(3)細(xì)胞核染色質(zhì)凝集,大部分細(xì)胞質(zhì)成分被拋棄,線粒體環(huán)繞鞭毛基部形成環(huán)狀,形成的精子進(jìn)入管腔。
第55頁,共91頁,2024年2月25日,星期天精子形成(spermiogenesis)高爾基體形成頂體泡,中心粒產(chǎn)生精子鞭毛,線粒體整合入鞭毛,核濃縮,胞質(zhì)廢棄,最后產(chǎn)生成熟的精子。第56頁,共91頁,2024年2月25日,星期天精子細(xì)胞經(jīng)分化過程才能成為成熟的精子,具備運(yùn)動(dòng)、受精能力。第57頁,共91頁,2024年2月25日,星期天各類動(dòng)物精子形態(tài)特征第58頁,共91頁,2024年2月25日,星期天第三節(jié)卵子發(fā)生(oogenesis)一、卵子的結(jié)構(gòu)特征體積大:>10000倍(精子體積);成熟卵子中具有蛋白質(zhì)、RNA、保護(hù)性化學(xué)物質(zhì)和形態(tài)形成因子;細(xì)胞核:卵核n;質(zhì)膜:受精時(shí)可調(diào)控特定的離子在卵子內(nèi)外的流動(dòng);卵黃膜(透明帶):識(shí)別同一物種的精子;輻射冠:哺乳動(dòng)物卵子外緊靠著透明帶的一層濾泡細(xì)胞,對(duì)卵子具有營養(yǎng)作用。第59頁,共91頁,2024年2月25日,星期天第60頁,共91頁,2024年2月25日,星期天卵子的構(gòu)造
卵質(zhì)-卵細(xì)胞質(zhì):含大量卵黃
卵核-卵細(xì)胞核(n)(1)初級(jí)卵膜:輻射帶(2)次級(jí)卵膜:絨毛膜、透明帶卵膜-卵細(xì)胞膜(3)三級(jí)卵膜:保護(hù)性、營養(yǎng)性膜結(jié)構(gòu)第61頁,共91頁,2024年2月25日,星期天二、卵細(xì)胞的極性及卵子的類型蛙胚卵裂第62頁,共91頁,2024年2月25日,星期天
卵子的類型
均黃卵:卵黃含量少且均勻分布在卵質(zhì)中,海綿、腔腸、蠕形、軟體、棘皮、頭索、哺乳類的卵子。
端黃卵:卵黃含量很多且呈極性分布,有動(dòng)物極、植物極之分。如軟骨魚類、硬骨魚類、爬行類、鳥類及卵生哺乳類。
中黃卵:卵黃含量多且分布在卵子中央,細(xì)胞質(zhì)分布在卵子表層,如昆蟲卵。
間黃卵:卵黃含量介于均黃卵與端黃卵之間,卵黃比較集中的在植物極,原生質(zhì)則集中在動(dòng)物極,環(huán)節(jié)動(dòng)物、兩棲類等。第63頁,共91頁,2024年2月25日,星期天三、卵母細(xì)胞的減數(shù)分裂卵子發(fā)生除了形成單倍體的細(xì)胞核之外,還要建立一個(gè)由酶、mRNA、細(xì)胞器和代謝產(chǎn)物等組成的細(xì)胞質(zhì)庫,具備十分復(fù)雜的胞質(zhì)體系。其次卵母細(xì)胞有很長的減數(shù)分裂前期,使卵母細(xì)胞充分生長。第64頁,共91頁,2024年2月25日,星期天原生殖細(xì)胞進(jìn)入胚胎卵巢后分化成為卵原細(xì)胞(oogonia)。卵原細(xì)胞分裂增殖,進(jìn)入第一次減數(shù)分裂前期,形成初級(jí)卵母細(xì)胞(primaryoocyte)。初級(jí)卵母細(xì)胞停止在第一次減數(shù)分裂的前期,這種阻斷的情況一直維持到青春期。隨著青春期的開始,初級(jí)卵母細(xì)胞在卵巢內(nèi)激素的作用進(jìn)一步發(fā)育成熟,階段性地恢復(fù)減數(shù)分裂,接著第二次減數(shù)分裂發(fā)生,進(jìn)行排卵。成熟的卵處于第二次減數(shù)分裂的中期。第65頁,共91頁,2024年2月25日,星期天第66頁,共91頁,2024年2月25日,星期天人類卵巢中生殖細(xì)胞數(shù)目的變化第67頁,共91頁,2024年2月25日,星期天昆蟲的卵子發(fā)生
滋養(yǎng)型方式:果蠅卵子發(fā)生的初期在卵巢中進(jìn)行,起源于卵巢一端的生殖系干細(xì)胞經(jīng)過4次分裂形成由細(xì)胞質(zhì)橋相互連接的16細(xì)胞合胞體。其中只有位于胞囊后端的一個(gè)細(xì)胞形成卵母細(xì)胞,其余15個(gè)細(xì)胞則形成滋養(yǎng)細(xì)胞。第68頁,共91頁,2024年2月25日,星期天第69頁,共91頁,2024年2月25日,星期天滋養(yǎng)細(xì)胞的核DNA經(jīng)過多次復(fù)制,形成多倍體的核。由于滋養(yǎng)細(xì)胞多倍體核具有高轉(zhuǎn)錄活性,可合成和提供卵子發(fā)育所需的RNA和蛋白質(zhì)。滋養(yǎng)細(xì)胞合成mRNA,rRNA,甚至是完整的核糖體,并通過細(xì)胞間橋的胼合體,單向轉(zhuǎn)運(yùn)到卵母細(xì)胞(1#)里第70頁,共91頁,2024年2月25日,星期天滋養(yǎng)細(xì)胞合成的基因產(chǎn)物中,有發(fā)育控制分子如bicoidmRNA
,它儲(chǔ)存在卵的前極。還有namos
和oskarmRNAs,它們轉(zhuǎn)移并積累在后極。這些RNA會(huì)決定頭和腹的發(fā)生位置,使卵子產(chǎn)生前后軸的極性。第71頁,共91頁,2024年2月25日,星期天
兩棲類卵母細(xì)胞的成熟魚類和兩棲類的卵子由生殖干細(xì)胞—卵原細(xì)胞分化而來。當(dāng)卵母細(xì)胞到達(dá)減數(shù)分裂前期的雙線期時(shí),卵黃發(fā)生開始。卵黃的主要成分為卵黃蛋白原(vitellogenin),主要在肝臟中合成,通過血液循環(huán)進(jìn)入卵巢,再卵巢濾泡細(xì)胞間轉(zhuǎn)運(yùn)和借助胞飲作用進(jìn)入卵母細(xì)胞。第72頁,共91頁,2024年2月25日,星期天非洲爪蟾的卵黃蛋白原裂解形成卵黃高磷蛋白和卵黃磷脂蛋白,二者形成卵黃小板(yolkplatelet)第73頁,共91頁,2024年2月25日,星期天非洲爪蟾卵母細(xì)胞卵黃小板由動(dòng)物極向植物極的轉(zhuǎn)運(yùn)以及動(dòng)植物極性的建立第74頁,共91頁,2024年2月25日,星期天PGC第75頁,共91頁,2024年2月25日,星期天魚(Coregonus)卵母細(xì)胞極體的形成,示卵母細(xì)胞的兩次成熟分裂并非是均等分裂。第76頁,共91頁,2024年2月25日,星期天減數(shù)分裂的阻斷和繼續(xù)孕酮能促進(jìn)卵母細(xì)胞繼續(xù)減數(shù)分裂。其作用機(jī)理:孕酮使卵內(nèi)一種編碼pp39mos
的mRNA開始翻譯,而pp39mos能抑制一種專一性降解細(xì)胞周期蛋白(cyclin)的蛋白酶。如果cyclin不降解,蛋白質(zhì)激酶促成熟因子(maturationpromotingfactor,MPF)就會(huì)保持其活性,使阻斷的減數(shù)分裂繼續(xù)。第77頁,共91頁,2024年2月25日,星期天卵子的發(fā)生特點(diǎn)
成熟卵子的數(shù)目少;卵子發(fā)生不經(jīng)過變態(tài)期;生長期明顯:小生長期-細(xì)胞的生長;大生長期-卵黃的積累;二次成熟分裂可在卵巢中或卵巢外進(jìn)行;
2次成熟分裂后,形成1個(gè)卵細(xì)胞和3個(gè)極體。第78頁,共91頁,2024年2月25日,星期天四、精子發(fā)生與卵子發(fā)生的比較共同點(diǎn):①經(jīng)過減數(shù)分裂,染色體數(shù)目減半,同源染色體間發(fā)生交換、重組;②發(fā)生了廣泛的形態(tài)學(xué)分化:精子:鞭毛生長、核凝縮、細(xì)胞質(zhì)外排和頂體泡形成;卵子:大小劇增、營養(yǎng)積聚、外殼保護(hù)層形成、皮質(zhì)顆粒組裝;③受精未發(fā)生之前,均不能長時(shí)間存活。第79頁,共91頁,2024年2月25日,星期天差異點(diǎn):①卵細(xì)胞含有啟動(dòng)發(fā)育和維持代謝所需要的全部元件。②卵母細(xì)胞有一個(gè)很長的減數(shù)分裂前期,使卵母細(xì)胞充分生長。③產(chǎn)卵量大的動(dòng)物,卵原細(xì)胞在整個(gè)生命周期中能夠分裂產(chǎn)生大量的生殖干細(xì)胞;產(chǎn)卵量少的動(dòng)物,卵原細(xì)胞的增殖只發(fā)生在早期,形成一定數(shù)量的前體細(xì)
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