Hypothalamus-hypofyse-målorganaksen hos alle hvirveldyr er ens. Det hypothalamiske neurosekretoriske system er dårligt udviklet i det mest primitive af de levende Agnatha-hvirveldyr, haglfiskene, men alle de grundlæggende rudimenter er til stede i de nært beslægtede lampretter. Hos de fleste af de mere avancerede kæbefisk findes der flere veludviklede neurosekretoriske centre (kerner) i hypothalamus, der producerer neurohormoner. Disse centre bliver mere klart defineret og stiger i antallet af særskilte kerner, efterhånden som padder og krybdyr undersøges, og de er lige så omfattende hos fugle som hos pattedyr. Nogle af de samme neurohormoner, som findes hos mennesker, er blevet identificeret hos ikke-pattedyr, og disse neurohormoner har samme virkning på hypofysens celler som beskrevet ovenfor for pattedyr.

To eller flere neurohormonale peptider med kemiske og biologiske egenskaber svarende til pattedyrenes oxytocin og vasopressin udskilles af hvirveldyrenes hypothalamus (undtagen hos Agnatha-fisk, som kun producerer et enkelt). Det oxytocinlignende peptid er normalt isotocin (de fleste fisk) eller mesotocin (padder, krybdyr og fugle). Det andet peptid er arginin vasotocin, som findes hos alle hvirveldyr, der ikke er pattedyr, samt hos føtale pattedyr. Kemisk set er vasotocin en hybrid af oxytocin og vasopressin, og det synes at have de biologiske egenskaber af både oxytocin (som stimulerer sammentrækning af musklerne i reproduktionskanalen og dermed spiller en rolle i forbindelse med æglægning eller fødsel) og vasopressin (med enten diuretiske eller antidiuretiske egenskaber). Funktionerne af de oxytocinlignende stoffer hos andre dyr end pattedyr er ukendte.

Hypofyserne hos alle hvirveldyr producerer stort set de samme tropiske hormoner: thyrotropin (TSH), corticotropin (ACTH), melanotropin (MSH), prolaktin (PRL), væksthormon (GH) og et eller to gonadotropiner (normalt FSH-lignende og LH-lignende hormoner). Produktionen og frigivelsen af disse tropiske hormoner styres af neurohormoner fra hypothalamus. Cellerne hos teleostfisk er imidlertid direkte innerveret. Disse fisk kan således være afhængige af neurohormoner såvel som neurotransmittere til at stimulere eller hæmme frigivelsen af tropiske hormoner.

Blandt de målorganer, der udgør hypothalamus-hypofyse-målorgan-aksen, er skjoldbruskkirtlen, binyrerne og kønskirtlerne. Deres individuelle roller diskuteres nedenfor.

Skjoldbruskkirtelaksen

Thyrotropin, der udskilles af hypofysen, stimulerer skjoldbruskkirtlen til at frigive skjoldbruskkirtelhormoner, som er med til at regulere udvikling, vækst, stofskifte og reproduktion. Hos mennesker er disse skjoldbruskkirtelhormoner kendt som triiodothyronin (T3) og thyroxin (T4). Udviklingen af skjoldbruskkirtlen kan spores i den evolutionære udvikling fra hvirvelløse dyr til hvirveldyr. Skjoldbruskkirtlen udviklede sig fra en jodid-fangende, glycoproteinudskillende kirtel hos protochordaterne (alle ikke-ryghvirvelløse medlemmer af phylum Chordata). Mange hvirvelløse dyrs evne til at koncentrere jodid, som er en vigtig bestanddel i skjoldbruskkirtelhormoner, findes generelt på hele kroppens overflade. Hos protochordaterne blev denne evne til at binde jodid til et glykoprotein og producere skjoldbruskkirtelhormoner specialiseret i endostylen, en kirtel, der er placeret i hovedets svælgregion. Når disse jodholdige proteiner sluges og nedbrydes af enzymer, frigives de jodholdige aminosyrer, der er kendt som skjoldbruskkirtelhormoner. Larver af primitive hvirveldyrs lampretter har også en endostyle som hos protochordaterne. Når en lampretlarve gennemgår en metamorfose til en voksen lampret, brydes endostylet i fragmenter. De resulterende klumper af endostyleceller differentierer sig til de separate follikler i skjoldbruskkirtlen. Skjoldbruskkirtelhormoner styrer faktisk metamorfosen hos larver af lampretter, benede fisk og padder. Skjoldbruskkirtler hos fisk består af spredte follikler i svælgregionen. Hos tetrapoder og nogle få fisk bliver skjoldbruskkirtlen indkapslet af et lag bindevæv.

Binyreaksen

Binyreaksen hos pattedyr og hos ikke-pattedyr er ikke opbygget efter samme mønster. Hos pattedyr er binyrebarken en separat struktur, der omgiver den indre binyremarv; binyrerne er placeret oven på nyrerne. Fordi cellerne i binyrebarken og binyremarven ikke danner separate strukturer hos ikke-pattedyr som hos pattedyr, omtales de ofte med forskellige betegnelser; de celler, der svarer til binyrebarken hos pattedyr, kaldes interrenale celler, og de celler, der svarer til binyremarven, kaldes chromaffinceller. Hos primitive ikke-pattedyr kaldes binyrerne undertiden for interrenale kirtler.

I fisk er de interrenale celler og chromaffincellerne ofte indlejret i nyrerne, mens de hos padder er spredt fordelt diffust langs nyrernes overflade. Krybdyr og fugle har diskrete binyrerne, men det anatomiske forhold er sådan, at “cortex” og “medulla” ofte ikke er adskilte enheder. Under påvirkning af hypofysens adrenocorticotropinhormon producerer binyrebarkcellerne steroider (normalt kortikosteron hos tetrapoder og kortisol hos fisk), der påvirker natriumbalancen, vandbalancen og stofskiftet.

Gonadaksen

Gonadotropiner, der udskilles af hypofysen, er grundlæggende LH-lignende og/eller FSH-lignende i deres virkning på hvirveldyrs gonader. Generelt fremmer de FSH-lignende hormoner udviklingen af æg og sædceller, og de LH-lignende hormoner forårsager ægløsning og frigivelse af sædceller; begge typer gonadotropiner stimulerer sekretionen af steroidhormoner (androgener, østrogener og i nogle tilfælde progesteron) fra gonaderne. Disse steroider har virkninger, der svarer til dem, der er beskrevet for mennesker. F.eks. er progesteron afgørende for normal drægtighed hos mange fisk, padder og krybdyr, hvor ungerne udvikles i moderens forplantningstrakt og fødes levende. Androgener (undertiden testosteron, men ofte er andre steroider vigtigere) og østrogener (normalt østradiol) påvirker han- og hunkøns karakteristika og adfærd.

Kontrol af pigmentering

Melanotropin (melanocyt-stimulerende hormon, eller MSH), der udskilles af hypofysen, regulerer de stjerneformede celler, der indeholder store mængder af det mørke pigment melanin (melanophorer), især i huden hos padder samt hos nogle fisk og krybdyr. Tilsyneladende stimulerer det lys, der reflekteres fra overfladen, fotoreceptorer, som sender information til hjernen og dermed til hypothalamus. Hypofysens melanotropin får derefter pigmentet i melanophorerne til at sprede sig, og huden bliver mørkere, nogle gange ganske dramatisk. Ved at frigive mere eller mindre melanotropin kan et dyr tilpasse sin farvetegning til sin baggrund.

Væksthormon og prolaktin

Væksthormonets og prolaktins funktioner, der udskilles af hypofysen, overlapper hinanden betydeligt, selv om prolaktin normalt regulerer vand- og saltbalancen, mens væksthormonet primært påvirker proteinmetabolismen og dermed væksten. Prolaktin gør det muligt for vandrende fisk som f.eks. laks at tilpasse sig fra saltvand til ferskvand. Hos padder er prolaktin blevet beskrevet som et væksthormon for larver, og det kan også forhindre metamorfose fra larve til voksen. Den vandsøgningsadfærd (den såkaldte vanddrift) hos voksne padder, som ofte observeres før yngletiden i damme, styres også af prolaktin. Produktionen af et proteinrigt sekret fra diskusfiskens hud (kaldet “diskusmælk”), som bruges til at ernære ungernes afkom, er forårsaget af et prolaktinlignende hormon. På samme måde stimulerer prolaktin sekretionerne fra duers kornsæk (“duemælk” eller “kornmælk”), som gives til nyudklækkede unger. Denne virkning minder om prolaktins virkning på brystkirtlen hos ammende pattedyr. Prolaktin synes også at være involveret i differentieringen og funktionen af mange kønsrelaterede strukturer hos andre dyr end pattedyr og i stimuleringen af pattedyrs prostata. Prolaktin stimulerer f.eks. kloakkirtler, der er ansvarlige for særlige reproduktive sekreter. Prolaktin påvirker også ydre kønskarakteristika som f.eks. brudepuder (til omklamring af hunnen) og halehøjden hos han-salamandre.