基因表达系统概述
基因工程中的基因高效表达是指将外源基因导入某种宿主细胞，使其能获得具有生物活性，又可高产的表达产物的活动。其主要过程包括获得和制备外源基因片段、表达载体的构建、导入一定的宿主细胞中表达等，这种表达外源基因的宿主细胞及其相应的表达载体就称为表达系统。
对于功能性基因表达，理想的表达系统一般具备4个特征：目的基因的表达产量高、表达产物稳定、生物活性高和表达产物容易分离纯化。
一般来说，基因表达系统由基因表达控制系统（简称“表达载体”）和宿主系统共同组成，大肠杆菌、枯草杆菌、酵母、昆虫细胞、培养的哺乳类动物细胞，甚至整体动物都可以用于表达系统的宿主系统，不同的宿主系统需要构建不同的表达载体。外源基因可以通过特定的表达载体导入一定的宿主细胞中进行表达，虽然表达载体是基因表达系统的核心部分，但是一定表达载体必须依赖一定的宿主系统才能实现高效表达。所以要实现基因的高效表达，这两个系统必须相互配合。
在不同的表达系统中成功表达克隆外源基因的把握，取决于我们对这些系统中宿主的基因表达调控规律的认识程度。对于功能性基因表达的理想宿主细胞应最大限度地满足以下要求：容易获得较高浓度的细胞；能利用易得、廉价的培养原料；无致病性、不产生内毒素；发热量低、需氧低、适当的发酵温度和细胞形态；容易进行细胞的代谢调控；外源基因的表达产物产量、产率高，容易提取纯化；有良好的遗传操作系统或者转化系统进行DNA重组技术操作等。
用于基因工程表达系统的宿主细胞可以分为原核细胞和真核细胞两大类，常用的原核细胞有大肠杆菌、芽孢杆菌属的细菌和链霉菌等；常用的真核细胞有酵母、丝状真菌、昆虫、植物细胞和哺乳动物细胞等。
大肠杆菌的基因组DNA中有470万个碱基对，内含4 288个基因。基因组中还包含有许多插入序列，如λ噬菌体片段和一些其他特殊组分的片段，这些插入片段都是由基因的水平转移和基因重组形成的，由此表明基因组具有可塑性。正是由于大肠杆菌有高效的遗传转化体系，分子遗传学研究深入，遗传背景清楚，技术操作简单，培养条件简单，大规模发酵经济，所以它是应用最广泛、最成功的表达体系，常作为高效表达的首选体系。
特别是经过遗传改造之后，大肠杆菌已发展为一种安全的基因工程实验系统，拥有丰富的载体系列和不同菌株。基因工程中，经常使用的大肠杆菌几乎都来自K-12菌株，也使用来源于B株和C株的大肠杆菌。出于生物安全考虑，生物工程用的菌株是在不断筛选后被挑选出的菌株，这些菌株由于失去了细胞壁的重要组分，所以在自然条件下已无法生长，甚至普通的清洁剂都可以轻易地杀灭它们，这样，即便操作不慎导致活菌从实验室流出，也不易导致生化危机。此外，生物工程用的菌株基因组都被优化过，所以都带有不同的基因型（例如β-半乳糖苷酶缺陷型），可以更好地用于分子克隆实验，是用于科研目的功能型基因表达的首选表达体系。
大肠杆菌作为表达宿主的不足表现在以下几个方面：表达基因产物形式多样，包括细胞内不溶性表达（包涵体）、细胞内可溶性表达、细胞周质表达等；大肠杆菌中的表达不存在信号肽，产品多为胞内产物，提取困难；分泌能力不足，来自真核生物特别是哺乳动物的基因表达产物的蛋白质常形成不溶性的包涵体，表达产物需经变性、复性才能恢复活性；表达的蛋白质不能糖基化，通常产物蛋白质N端多余一个蛋氨酸残基；此外还存在表达产物中的内毒素很难除去等缺陷。
1978年人胰岛素基因在大肠杆菌中获得成功表达，1982年美国食品药品管理局（FDA）批准重组人胰岛素上市，这标志着全球首个基因工程药物诞生，同时大肠杆菌也被FDA批准为安全的基因工程受体生物。随着对生物制品安全的要求不断提高，2006年以来全世界越来越多的国家不再允许把大肠杆菌用于生产食品和药用蛋白。
芽孢杆菌属属于革兰氏阳性菌，具有分泌能力强、蛋白质不形成包涵体的特点，产物蛋白质不能糖基化，属于非致病性微生物，安全性高，可用于食品和药物等的工业生产，被美国FDA和中国农业农村部等部门批准为食品级安全生物。
芽孢杆菌属作为表达宿主的缺点是：有很强的胞外蛋白酶，可降解产物，能自发形成感受态的菌株少，内在的限制和修饰系统会导致质粒的不稳定性。相对于大肠杆菌表达系统，芽孢杆菌表达系统的研究还较少，存在的问题也还很多，但是随着研究的深入，其优势会逐步显现，是最具潜力的表达系统。
链霉菌是一类好氧、丝状的革兰氏阳性菌，是非常重要的工业微生物，是大规模工业生产抗生素的主要微生物，此外还用于生产一些重要的工业用酶，例如纤维素酶、半纤维素酶、蛋白酶、木质素酶、木聚糖酶、淀粉酶、胰蛋白酶等。链霉菌作为外源基因的表达宿主受到重视是因为其具有不致病、使用安全、分泌能力强、表达产物可糖基化等特点。此外，相对于真核生物来说，链霉菌的遗传背景较清楚；相对于大肠杆菌来说，它具有高效的分泌机制，同时具有成熟的大规模发酵工艺。虽然已有多种外源基因在链霉菌中成功表达，但链霉菌表达系统也有缺点，主要是能进行遗传操作的菌株很少，遗传操作较困难，和其他原核生物细胞一样，链霉菌表达系统不具有真核生物的蛋白质糖基化功能，这些都需要进一步研究和改进。
酵母是一种单细胞真菌。酿酒酵母是研究基因表达最有效的单细胞真核微生物，其基因组小，世代时间短，有单倍体、双倍体两种形式，繁殖迅速，无毒性，能外分泌，产物可糖基化，已有不少真核基因在酵母中成功表达。
丝状真菌即霉菌，是一类形成分枝菌丝真菌的统称，其作为表达宿主具有分泌能力强、能正确进行翻译后加工（肽剪切糖基化）等优点，也有成熟的发酵和后处理工艺。
哺乳动物细胞作为表达宿主，表达产物可由重组转化细胞分泌到培养液中，纯化容易，产物糖基化，接近天然产物；缺点是生长慢，生产率低，培养条件苛刻，费用高，培养液浓度低等。