Die Hypothalamus-Hypophysen-Zielorgan-Achsen aller Wirbeltiere sind ähnlich. Das hypothalamische neurosekretorische System ist bei den primitivsten der lebenden Agnatha-Wirbeltiere, den Schleimaalen, nur schwach entwickelt, aber alle grundlegenden Rudimente sind bei den eng verwandten Neunaugen vorhanden. Bei den meisten fortgeschrittenen Kieferfischen gibt es mehrere gut entwickelte neurosekretorische Zentren (Kerne) im Hypothalamus, die Neurohormone produzieren. Bei Amphibien und Reptilien sind diese Zentren klarer definiert und die Anzahl der einzelnen Kerne nimmt zu, und bei Vögeln sind sie ebenso umfangreich wie bei Säugetieren. Einige der gleichen Neurohormone, die beim Menschen vorkommen, wurden bei Nicht-Säugetieren identifiziert, und diese Neurohormone haben ähnliche Wirkungen auf Zellen der Hypophyse, wie sie oben für Säugetiere beschrieben wurden.

Zwei oder mehr neurohormonale Peptide mit chemischen und biologischen Eigenschaften, die denen von Oxytocin und Vasopressin bei Säugetieren ähneln, werden vom Hypothalamus der Wirbeltiere sezerniert (außer bei Agnatha-Fischen, die nur eines produzieren). Das Oxytocin-ähnliche Peptid ist normalerweise Isotocin (die meisten Fische) oder Mesotocin (Amphibien, Reptilien und Vögel). Das zweite Peptid ist Arginin-Vasotocin, das in allen Wirbeltieren, die keine Säugetiere sind, sowie in fötalen Säugetieren vorkommt. Chemisch gesehen ist Vasotocin eine Mischung aus Oxytocin und Vasopressin, und es scheint die biologischen Eigenschaften von Oxytocin (das die Kontraktion der Muskeln des Fortpflanzungstraktes stimuliert und somit eine Rolle bei der Eiablage oder der Geburt spielt) und Vasopressin (mit diuretischen oder antidiuretischen Eigenschaften) zu besitzen. Die Funktionen der Oxytocin-ähnlichen Substanzen bei Nicht-Säugetieren sind unbekannt.

Die Hypophysen aller Wirbeltiere produzieren im Wesentlichen dieselben tropischen Hormone: Thyreotropin (TSH), Corticotropin (ACTH), Melanotropin (MSH), Prolaktin (PRL), Wachstumshormon (GH) und ein oder zwei Gonadotropine (in der Regel FSH- und LH-ähnliche Hormone). Die Produktion und Freisetzung dieser tropischen Hormone wird durch Neurohormone aus dem Hypothalamus gesteuert. Die Zellen von Teleostfischen werden jedoch direkt innerviert. Daher können diese Fische sowohl auf Neurohormone als auch auf Neurotransmitter angewiesen sein, um die Freisetzung tropischer Hormone zu stimulieren oder zu hemmen.

Zu den Zielorganen, die die Hypothalamus-Hypophysen-Zielorgan-Achse bilden, gehören die Schilddrüse, die Nebennieren und die Keimdrüsen. Ihre individuelle Rolle wird im Folgenden erörtert.

Die Schilddrüsenachse

Das von der Hypophyse ausgeschüttete Thyrotropin regt die Schilddrüse zur Ausschüttung von Schilddrüsenhormonen an, die zur Regulierung von Entwicklung, Wachstum, Stoffwechsel und Fortpflanzung beitragen. Beim Menschen sind diese Schilddrüsenhormone als Trijodthyronin (T3) und Thyroxin (T4) bekannt. Die Entwicklung der Schilddrüse lässt sich in der evolutionären Entwicklung von Wirbeltieren zu Wirbeltieren nachvollziehen. Die Schilddrüse entwickelte sich aus einer Jodid einschließenden, Glykoproteine absondernden Drüse der Protochordaten (alle nicht wirbeltierischen Mitglieder des Stammes Chordata). Die Fähigkeit vieler wirbelloser Tiere, Jodid, einen wichtigen Bestandteil der Schilddrüsenhormone, zu konzentrieren, kommt im Allgemeinen an der Oberfläche des Körpers vor. Bei den Protochordaten spezialisierte sich diese Fähigkeit, Jodid an ein Glykoprotein zu binden und Schilddrüsenhormone zu produzieren, im Endostylus, einer Drüse in der Rachenregion des Kopfes. Wenn diese jodhaltigen Proteine verschluckt und durch Enzyme aufgespalten werden, werden die jodhaltigen Aminosäuren, die als Schilddrüsenhormone bekannt sind, freigesetzt. Die Larven der primitiven Wirbeltiere haben ebenfalls einen Endostil wie die der Protochordaten. Wenn sich eine Neunaugenlarve in ein erwachsenes Neunauge verwandelt, zerbricht der Endostylus in Fragmente. Die dabei entstehenden Klumpen von Endostylenzellen differenzieren sich zu den einzelnen Follikeln der Schilddrüse. Schilddrüsenhormone steuern die Metamorphose in den Larven von Neunaugen, Knochenfischen und Amphibien. Die Schilddrüsen von Fischen bestehen aus verstreuten Follikeln in der Rachengegend. Bei Tetrapoden und einigen Fischen wird die Schilddrüse von einer Bindegewebsschicht eingekapselt.

Die Nebennierenachse

Die Nebennierenachsen bei Säugetieren und Nicht-Säugetieren sind nicht gleich aufgebaut. Bei Säugetieren ist die Nebennierenrinde eine separate Struktur, die das innere Nebennierenmark umgibt; die Nebenniere befindet sich oberhalb der Nieren. Da die Zellen der Nebennierenrinde und des Nebennierenmarks bei Nicht-Säugetieren nicht wie bei Säugetieren getrennte Strukturen bilden, werden sie oft mit unterschiedlichen Begriffen bezeichnet; die Zellen, die bei Säugetieren der Nebennierenrinde entsprechen, werden als Nebennierenzellen bezeichnet, die Zellen, die dem Nebennierenmark entsprechen, als chromaffine Zellen. Bei primitiven Nicht-Säugetieren werden die Nebennieren manchmal als Nebennieren bezeichnet.

Bei Fischen sind die Nebennieren- und Chromaffinzellen oft in die Nieren eingebettet, während sie bei Amphibien diffus über die Nierenoberfläche verteilt sind. Reptilien und Vögel haben getrennte Nebennieren, aber die anatomische Beziehung ist so, dass die „Rinde“ und das „Mark“ oft keine getrennten Einheiten sind. Unter dem Einfluss des Hypophysenhormons Adrenocorticotropin produzieren die Nebennierenzellen Steroide (normalerweise Corticosteron bei Tetrapoden und Cortisol bei Fischen), die den Natrium- und Wasserhaushalt sowie den Stoffwechsel beeinflussen.

Die Gonadenachse

Die von der Hypophyse ausgeschütteten Gonadotropine sind in ihrer Wirkung auf die Gonaden der Wirbeltiere im Wesentlichen LH- und/oder FSH-ähnlich. Im Allgemeinen fördern die FSH-ähnlichen Hormone die Entwicklung von Eiern und Spermien und die LH-ähnlichen Hormone bewirken den Eisprung und die Freisetzung von Spermien; beide Arten von Gonadotropinen stimulieren die Sekretion von Steroidhormonen (Androgene, Östrogene und in einigen Fällen Progesteron) aus den Gonaden. Diese Steroide haben ähnliche Wirkungen wie die beim Menschen beschriebenen. Progesteron ist beispielsweise bei vielen Fischen, Amphibien und Reptilien für eine normale Trächtigkeit unerlässlich, bei der sich die Jungen im Fortpflanzungstrakt der Mutter entwickeln und lebend zur Welt kommen. Androgene (manchmal Testosteron, aber oft sind andere Steroide wichtiger) und Östrogene (meist Östradiol) beeinflussen männliche und weibliche Merkmale und Verhaltensweisen.

Steuerung der Pigmentierung

Das von der Hypophyse ausgeschüttete Melanotropin (Melanozyten-stimulierendes Hormon oder MSH) reguliert die sternförmigen Zellen, die große Mengen des dunklen Pigments Melanin enthalten (Melanophoren), insbesondere in der Haut von Amphibien sowie in einigen Fischen und Reptilien. Offenbar stimuliert das von der Oberfläche reflektierte Licht Fotorezeptoren, die Informationen an das Gehirn und damit an den Hypothalamus senden. Das Melanotropin der Hypophyse bewirkt dann, dass sich das Pigment in den Melanophoren ausbreitet und die Haut dunkler wird, manchmal sogar sehr stark. Durch die Freisetzung von mehr oder weniger Melanotropin kann ein Tier seine Färbung an seinen Hintergrund anpassen.

Wachstumshormon und Prolaktin

Die Funktionen von Wachstumshormon und Prolaktin, die von der Hypophyse ausgeschüttet werden, überschneiden sich erheblich, wobei Prolaktin in der Regel den Wasser- und Salzhaushalt reguliert, während das Wachstumshormon vor allem den Eiweißstoffwechsel und damit das Wachstum beeinflusst. Prolaktin ermöglicht wandernden Fischen wie dem Lachs die Anpassung von Salzwasser an Süßwasser. Bei Amphibien ist Prolaktin als Larvenwachstumshormon beschrieben worden, und es kann auch die Metamorphose der Larve zum Erwachsenen verhindern. Auch das Wassersuchverhalten (der so genannte Wassertrieb) erwachsener Amphibien, das häufig vor der Fortpflanzung in Teichen beobachtet wird, wird durch Prolaktin gesteuert. Die Produktion eines eiweißreichen Sekrets durch die Haut des Diskusfisches (Diskusmilch“ genannt), das zur Ernährung des Nachwuchses dient, wird durch ein Prolaktin-ähnliches Hormon verursacht. In ähnlicher Weise stimuliert Prolaktin die Sekrete aus dem Kropf von Tauben („Tauben-“ oder „Kropfmilch“), die an die frisch geschlüpften Jungen verfüttert werden. Diese Wirkung erinnert an die Wirkung von Prolaktin auf die Brustdrüse von säugenden Säugetieren. Prolaktin scheint auch bei Nicht-Säugetieren an der Differenzierung und Funktion zahlreicher sexueller Hilfsstrukturen sowie an der Stimulation der Prostata von Säugetieren beteiligt zu sein. So stimuliert Prolaktin beispielsweise die Kloakendrüsen, die für spezielle Fortpflanzungssekrete verantwortlich sind. Prolaktin beeinflusst auch äußere Geschlechtsmerkmale, wie z. B. die Nuptialpolster (zum Umklammern des Weibchens) und die Höhe des Schwanzes bei männlichen Salamandern.