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Gènes, forces et formes : aspects mécaniques du développement cranio-facial prénatal

Abstract
Current knowledge of molecular signaling during craniofacial development is advancing rapidly. We know that cells can respond to mechanical stimuli by biochemical signaling. Thus, the link between mechanical stimuli and gene expression has become a new and important area of the morphological sciences. This field of research seems to be a revival of the old approach of developmental mechanics, which goes back to the embryologists His [Unsere Körperform und das physiologische Problem ihrer Entstehung. Leipzig: FCW Vogel, 1874.], Carey [J Gen Physiol 1920;2:357-372. and J Gen Physiol 1920;3:61-83.], and Blechschmidt [Mechanische Genwirkungen Funktionentwicklung I. Göttingen: Musterschmidt, 1948.]. These researchers argued that forces play a fundamental role in tissue differentiation and morphogenesis. They understood morphogenesis as a closed system with living cells as the active part and biological, chemical, and physical laws as the rules. This review reports on linking mechanical aspects of developmental biology with the contemporary knowledge of tissue differentiation. We focus on the formation of cartilage (in relation to pressure), bone (in relation to shearing forces), and muscles (in relation to dilation forces). The cascade of molecules may be triggered by forces, which arise during physical cell and tissue interaction. Detailed morphological knowledge is mandatory to elucidate the exact location and timing of the regions where forces are exerted. Because this finding also holds true for the exact timing and location of signals, more 3D images of the developmental processes are required. Further research is also required to create methods for measuring forces within a tissue. The molecules whose presence and indispensability we are investigating appear to be mediators rather than creators of form.

Résumé
La connaissance actuelle de la signalisation moléculaire au cours du développement cranio-facial progresse rapidement. Nous savons que les cellules peuvent répondre aux stimuli mécaniques par une signalisation biochimique. Ainsi, le lien entre les stimuli mécaniques et l'expression génétique est devenu un domaine nouveau et important des sciences morphologiques. Ce thème de recherche semble être la reprise d'une ancienne approche de la mécanique du développement, remontant aux embryologistes His [Unsere Körperform und das physiologische Problem ihrer Entstehung. Leipzig: FCW Vogel, 1874.], Carey [J Gen Physiol 1920;2:357-372. et J Gen Physiol 1920;3:61-83.], et Blechschmidt [Mechanische Genwirkungen Funktionentwicklung I. Göttingen: Musterschmidt, 1948.]. Pour ces chercheurs, les forces jouent un rôle fondamental dans la différenciation tissulaire et dans la morphogenèse. Ils conçoivent la morphogenèse comme un système fermé, les cellules vivantes en constituant la part active, ses règles relevant des lois de la biologie, de la chimie et de la physique. Cette revue de la littérature porte sur les liens reliant les aspects mécaniques de la biologie du développement avec les connaissances actuelles de la différenciation tissulaire. Nous faisons le point sur la formation du cartilage (en rapport avec la pression), de l'os (en rapport avec les forces de cisaillement), et des muscles (en rapport avec les forces de dilatation). La cascade de molécules peut être déclenchée par les forces qui apparaissent au cours de l'interaction physique cellulaire et tissulaire. Préciser l'emplacement exact et la chronologie des régions où ces forces s'exercent requiert une connaissance morphologique détaillée. Cette conclusion restant également valable pour la chronologie et l'emplacement exacts des signaux, une meilleure connaissance 3D des processus du développement s'impose. Une recherche complémentaire s'impose également pour développer des méthodes de mesure des forces au sein d'un tissu. Les molécules dont nous vérifions la présence et la nécessité indispensable paraissent plus médiatrices que créatrices de la forme.