AG Cabrera

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Proteine vermitteln einen Großteil aller biologischen Prozesse im Körper und interagieren dabei typischerweise mit anderen Proteinen und/oder anderen Makromolekülen. Störungen dieser Interaktionen, wie sie zum Beispiel durch genetische Mutationen verursacht werden können, können die Bildung von Proteinkomplexen beeinträchtigen und so zu zellulärer Dysfunktion und physiologischen Defekten führen. Trotz bemerkenswerter Fortschritte in der (Epi)Genetik, Transkriptomik und Signaltransduktionsforschung bleiben biochemische und proteomische Ansätze entscheidend, um zu verstehen, wie das zelluläre Interaktom auf pathophysiologische Bedingungen reagiert und sich anpasst. Obwohl mit diesen Strategien erhebliche Fortschritte erzielt wurden, fehlt den großen Mengen generierter Daten oft eine funktionelle Validierung, was die Interpretation in physiologischen Kontexten erschwert. Unsere Gruppe kombiniert Expertise in Biochemie, Zellmetabolismus und Proteomik, um diese Herausforderungen zu bewältigen. Wir konzentrieren uns dabei auf die Charakterisierung der Struktur und die Funktion von mitochondrialen Proteinkomplexen, die mit Krankheiten in Verbindung stehen, sowie auf die Weiterentwicklung massenspektrometrie-basierter Ansätze zur Identifizierung und Validierung von Proteininteraktionen sowohl unter normalen Bedingungen als auch in Zuständen zellulären Stresses und metabolischer Dysfunktion.

Forschungsgebiete unserer Arbeitsgruppe

Entschlüsselung des zellulären Komplexoms in Gesundheit und Krankheit

Die Entschlüsselung des zellulären Komplexoms in Gesundheit und Krankheit. Proteine sind für alle biologischen Systeme essenziell und arbeiten oft in Komplexen mit anderen Proteinen und Makromolekülen wie DNA, RNA und Lipiden zusammen, um zelluläre Funktionen zu erfüllen. Die Sammlung von Proteinkomplexen, die entweder unter einer bestimmten Bedingung transient oder stabil interagieren können, wird kollektiv als Komplexom bezeichnet. Störungen in Proteinkomplexen können zelluläre Prozesse beeinträchtigen und zu verschiedenen Gesundheitsproblemen beitragen. Ein umfassendes Verständnis von Komplexomen und Proteininteraktionsnetzwerken ist entscheidend für das Aufdecken der molekularen Mechanismen, die der Zellphysiologie und Krankheit zugrunde liegen. Unsere Gruppe untersucht Proteininteraktionen mittels Complexome Profiling (CP), einem systematischen, unvoreingenommenen Ansatz, der die native Proteintrennung mit der Tandem-Massenspektrometrie kombiniert [Cabrera-Orefice et al., 2022]. Die computergestützte Clusteranalyse der Daten ermöglicht es uns, die Zusammensetzung, Häufigkeit und Organisation von Proteinkomplexen in biologischen Proben zu kartieren. Ursprünglich für die mitochondriale Forschung entwickelt, hat CP wichtige Einblicke in die oxidative Phosphorylierung und die molekulare Grundlage verschiedener mitochondrialer Störungen geliefert. Allerdings ist CP nicht auf Mitochondrien beschränkt; es ist ein leistungsfähiges Werkzeug zur Untersuchung von Protein-Protein-Interaktionen in verschiedenen zellulären Kompartimenten, Zelltypen, Geweben und Spezies. Wir heißen Kooperationen mit Forschungsgruppen willkommen, die nach einer einfachen, flexiblen und sicheren Methode suchen, um Größe, Zusammensetzung und Dynamik von Proteinkomplexen zu untersuchen. Diese bahnbrechende Methodik steht nun über unsere Proteomik-Kernforschungseinrichtung für Forschungsgruppen an der JLU, UKGM und darüber hinaus zur Verfügung.

Ein mesoskalarisches Modell eines Mitochondriums / Bildrechte: www.cellscape.co.uk

Complexome Profiling: Herausforderungen meistern und Anwendungen erweitern

Obwohl Complexome Profiling (CP) eine leistungsstarke Methode ist, erfordert es erhebliche Zeit und Ressourcen, insbesondere für die Massenspektrometrie (MS)-Datenakquisition (~1 Stunde pro Fraktion). Dies bringt besondere Herausforderungen mit sich, wenn mehrere experimentelle Bedingungen analysiert werden sollen, da jede Probe typischerweise 32–60 Fraktionen erfordert. Die Erfassung dieser großen Datenmengen erfordert mehrere Tage.

Um die Durchsatzrate zu verbessern und die MS-Messzeiten zu verkürzen, bieten Strategien wie Duplexing und Triplexing mit stabiler Isotopenmarkierung (SILAC, SILAM) [Palenikova et al., 2021] sowie Multiplexing mit isobaren Markierungsverbindungen (TMTs) [Guerrero-Castillo et al., 2021] vielversprechende Lösungen. Diese Ansätze erhöhen die Effizienz und verbessern die proteomische Quantifizierung. SILAC ist eine kostengünstige, weit verbreitete Methode für die meisten Zellkulturbedingungen, während TMT-Markierung das Multiplexing für Tier- und Patientenproben ermöglicht. Unsere aktuelle MS-Einrichtung unterstützt beide Strategien, um eine nahtlose Integration in CP-Studien zu ermöglichen.

Durch jüngste Kooperationen haben wir die Anwendungen von CP erweitert, um DNA- und RNA-interagierende Proteinkomplexe untersuchen zu können, wodurch eine nahezu vollständige Analyse des mitochondrialen [Potter et al., 2023] und nukleären [Prieto-Garcia et al., 2024] Komplexoms innerhalb eines einzigen Experiments ermöglicht wird. Wir sind zuversichtlich, dass weitere Fortschritte in diesem Ansatz neue und bedeutungsvolle interdisziplinäre Kooperationen fördern werden, sowohl intern als auch extern.

Potter, A., Cabrera-Orefice, A.*, & Spelbrink, J. N.* (2023). Nucleic acids research, 51(19), 10619–10641.

Zusätzlich zur Erhöhung des Durchsatzes bleibt die Automatisierung der Nachbearbeitung, Visualisierung und tiefgehenden Analyse von Complexome-Daten eine Priorität für unsere Gruppe. Obwohl verschiedene Apps und Skripte für die CP-Analyse existieren, besteht weiterhin Bedarf an einer benutzerfreundlichen, all-in-one-Softwarelösung. Wenn Sie sich dieser Herausforderung stellen möchten und glauben, dass Sie zur Entwicklung beitragen können, ermutigen wir Sie, Kontakt mit uns aufzunehmen!

Verstehen der Biogenese des Membranarms des mitochondrialen Komplex I

Mitochondrialer Komplex I (CI) ist das erste und größte Enzym in der Atmungskette, das die Elektronenübertragung von NADH auf Ubichinon katalysiert, gekoppelt an den Protonentransport durch die innere mitochondriale Membran. Bei Säugetieren besteht CI aus 44 verschiedenen Untereinheiten, einschließlich 14 Kernuntereinheiten und 30 accessorischen Untereinheiten mit weitgehend unklaren Funktionen. Unsere Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf die Assembly-Faktoren, die die Bildung des Membranarms von CI vermitteln.

Struktur des mitochondrialen Komplex I. CI besteht aus zwei Hauptkomponenten: dem peripheren Arm, der sich in die mitochondriale Matrix (MM) erstreckt und die N- und Q-Module für die NADH-Oxidation und Ubichinon-Reduktion enthält, sowie dem Membranarm, der in die innere mitochondriale Membran (IMM) eingebettet ist und die proximalen (PP) und distalen (PD) P-Module umfasst, die für den Protonentransport in den intermembranösen Raum (IMS) verantwortlich sind.

Bis zu 18 CI-Assembly-Faktoren wurden bei verschiedenen Arten identifiziert, die an der Reifung, Faltung und dem Assembly der Untereinheiten beteiligt sind. Während hochauflösende Strukturen von CI bestimmt wurden, sind die Strukturen und Bindungsstellen der meisten Assembly-Faktoren weiterhin unbekannt, mit Ausnahme einiger weniger (z.B. pilzlicher N7BML, NDUFAF1, CIA84 und menschliches ACAD9/ECSIT). Das Vorhandensein oder Fehlen spezifischer Assembly-Faktoren variiert zwischen den Arten, was die direkte Extrapolation der CI-Assembly-Schritte erschwert.

Mutationen in CI-Assembly-Faktoren sind mit mitochondrialen Erkrankungen verbunden, darunter Leigh-Syndrom, Krebs und neurologische sowie metabolische Störungen. Ihre molekularen Mechanismen bleiben jedoch unklar. Das Verständnis ihrer präzisen Rollen und Wechselwirkungen mit CI-Intermediaten ist entscheidend, um den Assembly-Weg in einen physiologischen Kontext zu integrieren, möglicherweise neue therapeutische Ziele aufzudecken und zu klären, wie ihre Dysregulation zur Krankheit beiträgt.

Interessanterweise bleibt die Gesamtstruktur von CI trotz des Fehlens bestimmter CI-Assembly-Faktoren in einigen Taxa (z.B. Pflanzen und Pilzen) hoch konserviert. Dies wirft grundlegende Fragen über artspezifische Proteine auf, die an der CI-Assembly beteiligt sind. Langfristig streben wir danach zu erforschen, ob Assembly-Faktoren, die beim Menschen fehlen, als Arzneimittelziele (z.B. für CI-enthaltende Pathogene) dienen könnten oder zur Gentherapie genutzt werden könnten, um die CI-Assembly bei Patienten mit mitochondrialen Störungen zu verbessern.

Dr. Alfredo Cabrera-Orefice / Bildrechte: privat

Gruppenleiter und Leiter der Proteomics Core Facility am Institut für Biochemie der JLU seit Juni 2024. Seine Expertise umfasst Biochemie, Bioenergetik, Proteomik und mitochondriale Physiologie, mit einem besonderen Fokus auf die Assemblierung mitochondrialer Proteine, molekulare Mechanismen und metabolisches Remodeling. Alfredo hat Forschungsarbeiten in Mexiko, den Niederlanden und Deutschland durchgeführt und wesentliche Beiträge zur mitochondrialen Bioenergetik sowie zum Complexome Profiling geleistet. Seine aktuelle Forschung nutzt das Complexome Profiling zur Untersuchung der Assemblierung des respiratorischen Komplexes I, insbesondere im Hinblick auf die molekularen Funktionen, Regulation und Koordination spezifischer Assemblierungsfaktoren, insbesondere solcher, die mit dem Membranarm assoziiert sind. Er erforscht die komplexe Rolle der Mitochondrien in Säugetieren und Hefespezies und analysiert proteomische sowie metabolische Anpassungen. Sein Ziel ist es, die mitochondriale Funktion in umfassendere zelluläre und physiologische Kontexte zu integrieren, um komplexe biologische Prozesse und Krankheitsmechanismen besser zu verstehen. Darüber hinaus engagiert sich Alfredo für die Weiterentwicklung massenspektrometrischer Methoden zur Untersuchung des zellulären Komplexoms. Er fördert aktiv nationale und internationale Kooperationen, da er überzeugt ist, dass wissenschaftlicher Fortschritt durch Zusammenarbeit vorangetrieben wird. Seine Forschung wurde in renommierten Fachzeitschriften wie Nature Communications, EMBO Journal, Nucleic Acids Research, Cell Metabolism und Science veröffentlicht. Neben seiner Forschungstätigkeit ist er ein erfahrener Dozent und Mentor und hat bereits zahlreiche Doktoranden und Studierende betreut.

Ausgewählte Publikationen:

1. Liang, C., Padavannil, A., Zhang, S., Beh, S., Robinson, D. R. L., Meisterknecht, J., Cabrera-Orefice, A., Koves, T. R., … Ho, L. (2025). Formation of I₂+III₂supercomplex rescues respiratory chain defects. Cell metabolism, 37(2), 441–459.e11
2. Prieto-Garcia, C., Matkovic, V., Mosler, T., Li, C., Liang, J., Oo, J. A., Haidle, F., Mačinković, I., Cabrera-Orefice, A., Berkane, R., … Dikic, I. (2024). Pathogenic proteotoxicity of cryptic splicing is alleviated by ubiquitination and ER-phagy. Science,386(6723), 768–776.
3. Heidler, J.*, Cabrera-Orefice, A.*, Wittig, I.*, Heyne, E., Tomczak, J. N., … Szibor, M. (2024). Hyperbaric oxygen treatment reveals spatiotemporal OXPHOS plasticity in the porcine heart. PNAS nexus, 3(6), pgae210. *Equal contribution.
4. Castañeda-Tamez, P., Chiquete-Félix, N., Uribe-Carvajal, S.*, & Cabrera-Orefice, A.* (2024). The mitochondrial respiratory chain from Rhodotorula mucilaginosa, an extremophile yeast. Biochim Biophys Acta Bioenergetics, 1865(2), 149035. *Shared corresponding authorship.
5. Potter, A., Cabrera-Orefice, A.*, & Spelbrink, J. N.* (2023). Let's make it clear: systematic exploration of mitochondrial DNA- and RNA-protein complexes by complexome profiling. Nucleic acids research, gkad697. *Shared corresponding authorship.
6. Salscheider, S. L.*, Gerlich, S.*, Cabrera-Orefice, A.*, Peker, E., … Riemer, J. (2022). AIFM1 is a component of the mitochondrial disulfide relay that drives complex I assembly through efficient import of NDUFS5. The EMBO journal, e110784. *Equal contribution
7. Cabrera-Orefice, A.*, Potter, A., Evers, F., Hevler, J. F., Guerrero-Castillo, S*. (2022). Complexome Profiling-Exploring Mitochondrial Protein Complexes in Health and Disease.  Cell Dev. Biol.9:796128. *Shared corresponding authorship
8. Evers, F., Cabrera-Orefice, A., Elurbe, D. M., Kea-Te Lindert, M., Boltryk, S. D., Voss, T. S., Huynen, M. A., Brandt, U., Kooij, T. (2021) Composition and stage dynamics of mitochondrial complexes in falciparum. Nature Communications 12, 3820.
9. Cabrera-Orefice A., Yoga E. G., Wirth C., Siegmund K., Zwicker K., Guerrero-Castillo S., Zickermann V., Hunte C., Brandt U. (2018) Locking loop movement in the ubiquinone pocket of complex I disengages the proton pumps. Nature communications 9(1): 4500.
10. Cabrera-Orefice A, Chiquete-Félix N, Espinasa-Jaramillo J, Rosas-Lemus M, Guerrero-Castillo S, Peña A, Uribe-Carvajal S. (2014) The branched mitochondrial respiratory chain from Debaryomyces hansenii: Components and supramolecular organization. Biochim Biophys Acta Bioenergetics 1837(1):73-84.

Eine vollständige Liste der Publikationen von Dr. Alfredo Cabrera-Orefice finden Sie bei PubMed

Teammitglieder

• Dr. Jan Dreute – Postdoktorand
• Biol. Uwe Schubert – Laborleiter
• Kristina Simonova, M.Sc. - Wissenschaftliche Mitarbeiterin
• Tanvika Katyayan, B.Sc. – Studentische Hilfskraft

Forschungsaufenthalte / Gastwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler

• Dr. Esperanza López – Postdoktorandin - CIB, CSIC, Madrid, Spain

Möchten Sie Teil unserer Gruppe werden? Senden Sie bitte eine Mail mit Ihrem Lebenslauf an Dr. Cabrera-Orefice!

Medizinstudierende: Bitte erkundigen Sie sich nach freien Stellen für MD-Abschlüsse!

Diplom-/Masterstudierende sind herzlich eingeladen, unser Team zu verstärken!

Wir sind jederzeit an Bewerbungen von potenziellen Promotionsstudierenden und/oder Postdocs interessiert, die bereit sind, einem produktiven und wettbewerbsfähigen Team mit einer freundlichen Atmosphäre beizutreten.

Kontakt: alfredo.cabrera