Protein aggregation on the plasma membrane (PM) is of critical importance to many cellular processes such as cell adhesion, endocytosis, fibrillar conformation, and vesicle transport. Lateral diffusion of protein aggregates or clusters on the surface of the PM plays an important role in governing their heterogeneous surface distribution. However, the stability behavior of the surface distribution of protein aggregates remains poorly understood. Therefore, understanding the spatial patterns that can emerge on the PM solely through protein–protein interaction, lateral diffusion, and feedback is an important step toward a complete description of the mechanisms behind protein clustering on the cell surface. In this work, we investigate the pattern formation of a reaction–diffusion model that describes the dynamics of a system of ligand–receptor complexes. The purely diffusive ligand in the cytosol can bind receptors in the PM and the resultant ligand–receptor complexes not only diffuse laterally but can also form clusters resulting in different oligomers. Finally, the largest oligomers recruit ligands from the cytosol using positive feedback. From a methodological viewpoint, we provide theoretical estimates for diffusion-driven instabilities of the protein aggregates based on the Turing mechanism. Our main result is a threshold phenomenon, in which a sufficiently high recruitment of ligands promotes the input of new monomeric components and consequently drives the formation of a single-patch spatially heterogeneous steady state.

中文翻译：

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膜蛋白聚类的体表面反应模型的稳定性分析

质膜 (PM) 上的蛋白质聚集对许多细胞过程至关重要，例如细胞粘附、内吞作用、纤维构象和囊泡运输。PM 表面上蛋白质聚集体或簇的横向扩散在控制其异质表面分布方面起着重要作用。然而，蛋白质聚集体表面分布的稳定性行为仍然知之甚少。因此，仅通过蛋白质-蛋白质相互作用、横向扩散和反馈了解 PM 上可能出现的空间模式是完整描述细胞表面蛋白质聚集背后机制的重要一步。在这项工作中，我们研究了反应扩散模型的模式形成，该模型描述了配体 - 受体复合物系统的动力学。胞质溶胶中的纯扩散配体可以结合 PM 中的受体，由此产生的配体 - 受体复合物不仅可以横向扩散，而且还可以形成簇，从而产生不同的寡聚体。最后，最大的寡聚体使用正反馈从胞质溶胶中募集配体。从方法论的角度来看，我们提供了基于图灵机制的蛋白质聚集体扩散驱动不稳定性的理论估计。我们的主要结果是阈值现象，其中足够高的配体募集促进了新单体成分的输入，从而推动了单片空间异质稳态的形成。胞质溶胶中的纯扩散配体可以结合 PM 中的受体，由此产生的配体 - 受体复合物不仅可以横向扩散，而且还可以形成簇，从而产生不同的寡聚体。最后，最大的寡聚体使用正反馈从胞质溶胶中募集配体。从方法论的角度来看，我们提供了基于图灵机制的蛋白质聚集体扩散驱动不稳定性的理论估计。我们的主要结果是阈值现象，其中足够高的配体募集促进了新单体成分的输入，从而推动了单片空间异质稳态的形成。胞质溶胶中的纯扩散配体可以结合 PM 中的受体，由此产生的配体 - 受体复合物不仅可以横向扩散，而且还可以形成簇，从而产生不同的寡聚体。最后，最大的寡聚体使用正反馈从胞质溶胶中募集配体。从方法论的角度来看，我们提供了基于图灵机制的蛋白质聚集体扩散驱动不稳定性的理论估计。我们的主要结果是阈值现象，其中足够高的配体募集促进了新单体成分的输入，从而推动了单片空间异质稳态的形成。最后，最大的寡聚体使用正反馈从胞质溶胶中募集配体。从方法论的角度来看，我们提供了基于图灵机制的蛋白质聚集体扩散驱动不稳定性的理论估计。我们的主要结果是阈值现象，其中足够高的配体募集促进了新单体成分的输入，从而推动了单片空间异质稳态的形成。最后，最大的寡聚体使用正反馈从胞质溶胶中募集配体。从方法论的角度来看，我们提供了基于图灵机制的蛋白质聚集体扩散驱动不稳定性的理论估计。我们的主要结果是阈值现象，其中足够高的配体募集促进了新单体成分的输入，从而推动了单片空间异质稳态的形成。