De hypothalamus-hypofyse-doelorgaan-assen van alle gewervelde dieren zijn vergelijkbaar. Het hypothalamus-neurosecretiesysteem is slecht ontwikkeld bij de primitiefste van de levende gewervelde Agnatha-dieren, de slijmprikken, maar alle elementaire rudimenten zijn aanwezig bij de nauw verwante lampreien. Bij de meeste meer ontwikkelde kaakvissen zijn er verschillende goed ontwikkelde neurosecretorische centra (kernen) in de hypothalamus die neurohormonen produceren. Deze centra worden duidelijker omschreven en nemen in aantal toe naarmate amfibieën en reptielen worden onderzocht, en zij zijn even uitgebreid bij vogels als bij zoogdieren. Sommige van dezelfde neurohormonen die bij de mens worden aangetroffen, zijn geïdentificeerd bij niet-zoogdieren, en deze neurohormonen veroorzaken soortgelijke effecten op cellen van de hypofyse als hierboven beschreven voor zoogdieren.

Twee of meer neurohormonale peptiden met chemische en biologische eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van oxytocine en vasopressine van zoogdieren, worden afgescheiden door de gewervelde hypothalamus (behalve bij Agnatha-vissen, die er slechts één produceren). Het oxytocine-achtige peptide is gewoonlijk isotocine (de meeste vissen) of mesotocine (amfibieën, reptielen en vogels). Het tweede peptide is arginine vasotocine, dat wordt aangetroffen in alle gewervelde zoogdieren, met uitzondering van zoogdieren, en in foetale zoogdieren. Chemisch gezien is vasotocine een hybride van oxytocine en vasopressine, en het lijkt de biologische eigenschappen te hebben van zowel oxytocine (dat de samentrekking van de spieren van het voortplantingskanaal stimuleert, en zo een rol speelt bij het leggen van eieren of de geboorte) als vasopressine (met diuretische of antidiuretische eigenschappen). De functies van de oxytocine-achtige stoffen bij niet-zoogdieren zijn onbekend.

De hypofyses van alle gewervelde dieren produceren in hoofdzaak dezelfde tropische hormonen: thyrotropine (TSH), corticotropine (ACTH), melanotropine (MSH), prolactine (PRL), groeihormoon (GH), en een of twee gonadotropines (gewoonlijk FSH-achtige en LH-achtige hormonen). De produktie en afgifte van deze tropische hormonen worden geregeld door neurohormonen uit de hypothalamus. De cellen van teleostvissen worden echter rechtstreeks geïnnerveerd. Deze vissen kunnen dus zowel neurohormonen als neurotransmitters gebruiken om de afgifte van tropische hormonen te stimuleren of te remmen.

Onder de doelorganen die de hypothalamus-hypofyse-doelorgaan-as vormen zijn de schildklier, de bijnieren, en de geslachtsklieren. Hun individuele rol wordt hieronder besproken.

De schildklieras

Thyrotropine, afgescheiden door de hypofyse, stimuleert de schildklier om schildklierhormonen af te geven, die helpen bij het reguleren van ontwikkeling, groei, metabolisme en voortplanting. Bij de mens staan deze schildklierhormonen bekend als triiodothyronine (T3) en thyroxine (T4). De evolutie van de schildklier is traceerbaar in de evolutionaire ontwikkeling van ongewervelden tot gewervelden. De schildklier is geëvolueerd uit een jodide-vangende, glycoproteïne-secreterende klier van de protochordaten (alle ongewervelde leden van het phylum Chordata). Het vermogen van veel ongewervelde dieren om jodide, een belangrijk bestanddeel van schildklierhormonen, te concentreren, doet zich in het algemeen voor over de oppervlakte van het lichaam. Bij de protochordaten heeft dit vermogen om jodide aan een glycoproteïne te binden en schildklierhormonen te produceren zich gespecialiseerd in de endostylus, een klier die zich in het keelholtegebied van het hoofd bevindt. Wanneer deze gejodeerde eiwitten worden ingeslikt en door enzymen worden afgebroken, komen de gejodeerde aminozuren vrij die bekend staan als schildklierhormonen. De larven van primitieve gewervelde lampreien hebben ook een endostylus zoals die van de protochordaten. Wanneer een lampreilarve de metamorfose ondergaat tot een volwassen lamprei, breekt de endostylus in fragmenten. De resulterende klompjes endostylcellen differentiëren zich tot de afzonderlijke follikels van de schildklier. Schildklierhormonen sturen de metamorfose in de larven van lampreien, beenvissen en amfibieën. De schildklieren van vissen bestaan uit verspreide follikels in het keelholtegebied. Bij viervoeters en enkele vissen wordt de schildklier ingekapseld door een laag bindweefsel.

De bijnieras

De bijnierassen bij zoogdieren en bij niet-zoogdieren zijn niet volgens dezelfde lijnen opgebouwd. Bij zoogdieren is de bijnierschors een afzonderlijke structuur die het inwendige bijniermerg omgeeft; de bijnier bevindt zich boven op de nieren. Omdat de cellen van de bijnierschors en het bijniermerg bij niet-zoogdieren geen afzonderlijke structuren vormen zoals bij zoogdieren, worden zij vaak met verschillende benamingen aangeduid; de cellen die bij zoogdieren overeenkomen met de bijnierschors worden interrenale cellen genoemd, en de cellen die overeenkomen met het bijniermerg worden chromaffinecellen genoemd. Bij primitieve niet-zoogdieren worden de bijnieren soms interrenale klieren genoemd.

Bij vissen zijn de interrenale en chromaffinecellen vaak ingebed in de nieren, terwijl zij bij amfibieën diffuus verspreid zijn langs het oppervlak van de nieren. Reptielen en vogels hebben afzonderlijke bijnieren, maar de anatomische relatie is zodanig dat de “cortex” en de “medulla” vaak geen afzonderlijke eenheden zijn. Onder invloed van het hypofyse-hormoon adrenocorticotropine produceren de interrenale cellen steroïden (gewoonlijk corticosteron bij de viervoeters en cortisol bij de vissen) die de natriumbalans, de waterhuishouding en de stofwisseling beïnvloeden.

De gonadale as

Gonadotropines die door de hypofyse worden afgescheiden, hebben in principe LH- en/of FSH-achtige werkingen op de gewervelde geslachtsklieren. In het algemeen bevorderen de FSH-achtige hormonen de ontwikkeling van eicellen en zaadcellen en veroorzaken de LH-achtige hormonen de eisprong en het vrijkomen van zaadcellen; beide soorten gonadotrofinen stimuleren de afscheiding van de steroïdhormonen (androgenen, oestrogenen en, in sommige gevallen, progesteron) uit de gonaden. Deze steroïden veroorzaken effecten die vergelijkbaar zijn met die welke bij de mens zijn beschreven. Zo is progesteron bij veel vissen, amfibieën en reptielen essentieel voor een normale dracht, waarbij de jongen zich in het voortplantingskanaal van de moeder ontwikkelen en levend ter wereld komen. Androgenen (soms testosteron, maar vaak zijn andere steroïden belangrijker) en oestrogenen (meestal estradiol) beïnvloeden mannelijke en vrouwelijke kenmerken en gedrag.

Controle van pigmentatie

Melanotropine (melanocyten-stimulerend hormoon, of MSH), afgescheiden door de hypofyse, reguleert de stervormige cellen die grote hoeveelheden van het donkere pigment melanine bevatten (melanoforen), vooral in de huid van amfibieën en ook bij sommige vissen en reptielen. Blijkbaar stimuleert het door het oppervlak weerkaatste licht de fotoreceptoren, die informatie naar de hersenen sturen en op hun beurt naar de hypothalamus. Het melanotropine van de hypofyse zorgt er dan voor dat het pigment in de melanoforen zich verspreidt en dat de huid donkerder wordt, soms heel dramatisch. Door meer of minder melanotropine vrij te geven, kan een dier zijn kleur aanpassen aan zijn achtergrond.

Groeihormoon en prolactine

De functies van groeihormoon en prolactine, afgescheiden door de hypofyse, overlappen elkaar aanzienlijk, hoewel prolactine gewoonlijk de water- en zouthuishouding regelt, terwijl groeihormoon hoofdzakelijk het eiwitmetabolisme en dus de groei beïnvloedt. Prolactine stelt trekvissen zoals zalm in staat zich aan te passen van zout water naar zoet water. Bij amfibieën is prolactine beschreven als een groeihormoon voor larven, en het kan ook de metamorfose van de larve tot de volwassene verhinderen. Het waterzoekend gedrag (de zogenaamde waterdrift) van volwassen amfibieën, dat vaak wordt waargenomen vóór de voortplanting in vijvers, wordt ook gecontroleerd door prolactine. De productie van een eiwitrijke afscheiding door de huid van de discusvis (“discusmelk” genoemd), die wordt gebruikt om jonge nakomelingen te voeden, wordt veroorzaakt door een prolactine-achtig hormoon. Evenzo stimuleert prolactine de afscheiding uit de kropzak van duiven (“duivenmelk” of “kropmelk”), die aan pas uitgekomen jongen wordt gegeven. Deze werking doet denken aan de werking van prolactine op de borstklier van zogende zoogdieren. Prolactine blijkt ook betrokken te zijn bij de differentiatie en functie van vele geslachtsorganen bij niet-zoogdieren, en bij de stimulatie van de prostaatklier bij zoogdieren. Zo stimuleert prolactine de cloacale klieren die verantwoordelijk zijn voor speciale reproductieve afscheidingen. Prolactine beïnvloedt ook uiterlijke geslachtskenmerken, zoals nuptial pads (voor het omklemmen van het vrouwtje) en de hoogte van de staart bij mannelijke salamanders.