Tightly orchestrated gene expression programs enable proper neuronal development as well as the synaptic adaptations that are responsible for learning and memory processes. MicroRNAs (miRNAs) are a class of short regulatory RNA molecules which negatively affect the translation of target mRNAs, thereby contributing to the regulation of gene expression during brain development and cognitive functions. In the present cumulative thesis, I summarize my contributions to three research articles which describe the impact of specific miRNAs and an upstream regulator, the nuclear receptor co-activator 3 (Ncoa3), on neuronal growth and synaptic function. In the first publication, we identified miR-181a to be enriched at synaptic sites of the nucleus accumbens, a brain region of the dopaminergic mesolimbic system which is involved in the development of addiction. Using primary neurons, we demonstrated that miR-181a directly regulates the expression of the AMPA-receptor (AMPA-R) subunit GluA2. Neuromorphological analysis and electrophysiological measurements showed that miR-181a affects transmission at excitatory synapses. Dopamine signaling stimulated the expression of miR-181a which further influenced the dopamine-dependent control of GluA2 expression. Treatment of mice with several drugs of abuse specifically upregulated miR-181a levels in different brain regions. Taken together, this publication established miR-181a as novel regulator of synaptic efficacy and in the context of the present literature as a potential modulator of addiction behavior. Based on previous findings that showed the synaptic localization of miR-137 and that identified mutations in the MIR137 gene associated with schizophrenia and cognitive disabilities, we investigated the postsynaptic functions of miR-137 in the second publication. Manipulations of miR-137 expression provided evidence that the AMPA-R subunit GluA1 mRNA is a direct target of miR-137. Intriguingly, morphological and electrophysiological measurements revealed that miR-137 regulates the number but not the strength of excitatory synapses. MiR-137 further promoted the formation of silent synapses, since miR-137 manipulations affected AMPA-R-, but not NMDA-receptor (NMDA-R)-dependent currents. Furthermore, induction of miR-137 expression was required for mGluR-dependent long term depression (LTD). Therefore, this research article provides experimental support for a postsynaptic function of miR-137 in the regulation of synapse formation and plasticity, with possible implications for schizophrenia and cognitive disabilities. In the third publication, which includes the main part of my PhD project, 10 novel regulators of miRNA-dependent gene silencing in neurons were identified by performing an RNAi-based screen. One of the newly ascertained proteins was Ncoa3, a transcription co-activator whose function in hippocampal neurons was not studied. Reporter gene assays showed that Ncoa3 was required for miRNA-mediated repression of a specific set of miRNA target genes, including Limk1. In addition, Ncoa3-knockdown increased endogenous Limk1 protein levels and interfered with miR-134-induced spine shrinkage. At the same time, Ncoa3 deficiency by itself reduced the size of dendritic spines and the amplitude of miniature excitatory postsynaptic currents (mEPSCs) while it stimulated dendrite growth. The latter phenotype was dependent on proper miRNA-expression. Ago2 is a central effector of miRNA repression and we established it further as a direct transcriptional target gene of Ncoa3. Epistasis experiments confirmed that both impaired dendritogenesis and miRNA function upon Ncoa3 knockdown were a result of reduced Ago2 expression. Thus, this publication uncovered a novel transcriptional mechanism for the control of miRNA-dependent repression during neuronal development. In summary, these findings decipher neuronal gene expression programs which control synaptic adaptations and thus are potentially involved in learning and memory processes., Präzise koordinierte Genexpressionsprogramme ermöglichen korrekte neuronale Entwicklung und synaptische Anpassungen, die für Lern- und Gedächtnisprozesse verantwortlich sind. MicroRNAs (miRNAs) sind eine Klasse kurzer regulatorischer RNA-Moleküle, welche die Translation von spezifischen Ziel-mRNAs unterdrücken und dadurch zur Regulation der Genexpression während der Entwicklung des Gehirns und kognitiver Fähigkeiten beitragen. In der vorliegenden kumulativen Dissertation fasse ich meinen Beitrag zu drei Forschungsartikeln zusammen. Sie beschreiben den Einfluss von bestimmten miRNAs, sowie eines vorgeschalteten Regulators (Nuclear receptor co-activator 3 (Ncoa3)) auf neuronales Wachstum und synaptische Funktion. In der ersten Veröffentlichung entdecken wir eine Anreicherung von miR-181a an Synapsen des Nucleus Accumbens, einer Hirnregion des dopaminergen mesolimbischen Systems, die an der Entwicklung von Suchterkrankungen beteiligt ist. Mittels primärer Neuronen wiesen wir nach, dass miR-181a die Expression der AMPA-Rezeptor(AMPA-R)-Untereinheit GluA2 direkt reguliert. Neuromorphologische Analysen und elektrophysiologische Messungen zeigten zudem, dass miR-181a die Reizübertragung an exzitatorischen Synapsen beeinflusst. Aktivierung des Dopamin-Signalwegs stimulierte die Expression von miR-181a, was sich wiederum auf die Dopamin-abhängige Kontrolle der GluA2 Expression auswirkte. Die Gabe von unterschiedlichen psychoaktiven Substanzen führte bei Mäusen ebenfalls zu einer spezifischen Erhöhung der miR-181a Expression in verschiedenen Hirnregionen. Zusammengefasst etabliert diese Veröffentlichung miR-181a als neuen Regulator von synaptischer Übertragung und im Kontext aktueller Literatur als potentiellen Modulator von Suchtverhalten. Basierend auf früheren Befunden, welche die synaptische Lokalisierung von miR-137 zeigten, und eine Assoziation von Mutationen im MIR137 Gen mit Schizophrenie und geistiger Behinderung identifizierten, untersuchten wir in der zweiten Veröffentlichung die postsynaptische Funktion von miR-137. Einflussnahme auf die miR-137 Expressionslevels belegte, dass die AMPA-R-Untereinheit GluA1 mRNA ein direktes Ziel von miR-137 ist. Interessanterweise zeigten morphologische und elektrophysiologische Messungen, dass miR-137 nur die Anzahl, nicht jedoch die Stärke von exzitatorischen Synapsen reguliert. Ferner begünstigte miR-137 die Bildung von stummen Synapsen, da veränderte miR-137 Expression zwar AMPA-R-abhängige, nicht jedoch NMDA-Rezeptor(NMDA-R)-abhängige Ströme beeinflusste. Außerdem war der Anstieg von miR-137 notwendig für mGluR-abhängige Langzeit-Depression (LTD). Diese Publikation untermauert somit eine postsynaptische Funktion von miR-137 in der Regulation von Synapsenbildung und –plastizität, sowie eine damit verbundene mögliche Bedeutung für Schizophrenie und geistige Behinderung. In der dritten Veröffentlichung, die den Hauptteil meiner Doktorarbeit beinhaltet, wurden mittels einem RNAi-basierten Screen zehn neue Regulatoren der miRNA-abhängiger Geneexpressionshemmung in Neuronen identifiziert. Eines der neu ermittelten Proteine war Ncoa3, ein Transkriptionscoaktivator dessen Funktion in Hippocampus-Neuronen bislang noch nicht untersucht war. Reportergen-Assays zeigten, dass Ncoa3 für miRNA-vermittelte Repression bei einer spezifischen Gruppe von miRNA-Zielgenen, inklusive Limk1, erforderlich ist. Zusätzlich hatte Ncoa3-knockdown zur Folge, dass endogene Limk1 Proteinmengen erhöht waren, und dass das miR-134-induzierte Schrumpfen von dendritischen Dornfortsätzen gestört war. Alleinige Ncoa3-Defizienz war zudem ausreichend die Größe von dendritischen Dornfortsätzen und die Amplitude von Miniatur exzitatorischen postsynaptischen Strömen (mEPSCs) zu reduzieren, während sie das Dendritenwachstum stimulierte. Dieser letztere Phänotyp war abhängig von ordnungsgemäßer miRNA-Expression. Ago2 ist ein zentraler Effektor von miRNA-Repression und wir etablierten es ferner als direktes transkriptionelles Zielgen von Ncoa3. Epistase-Experimente bestätigten, dass sowohl das durch Ncoa3-knockdown beeinträchtigte Dendritenwachstum, als auch die gestörte miRNA-Funktion, ein Ergebnis der reduzierten Ago2 Expression ist. Folglich enthüllt diese Veröffentlichung einen neuen transkriptionellen Mechanismus für die Kontrolle von miRNA-abhängiger Repression in neuronaler Entwicklung. Zusammenfassend entziffern diese Befunde neuronale Genexpressionsprogramme, die synaptische Anpassungen kontrollieren und so möglicherweise in Lern- und Gedächtnisprozessen involviert sind.