Los ejes hipotálamo-hipófisis-órgano diana de todos los vertebrados son similares. El sistema neurosecretor hipotalámico está poco desarrollado en el más primitivo de los vertebrados vivientes de Agnatha, los mixinos, pero todos los rudimentos básicos están presentes en las lampreas estrechamente relacionadas. En la mayoría de los peces con mandíbulas más avanzadas hay varios centros neurosecretores (núcleos) bien desarrollados en el hipotálamo que producen neurohormonas. Estos centros se definen más claramente y aumentan en número de núcleos distintos a medida que se examinan los anfibios y reptiles, y son tan extensos en las aves como en los mamíferos. Algunas de las mismas neurohormonas que se encuentran en los humanos han sido identificadas en los no mamíferos, y estas neurohormonas producen efectos similares en las células de la hipófisis a los descritos anteriormente para los mamíferos.

Dos o más péptidos neurohormonales con propiedades químicas y biológicas similares a las de la oxitocina y la vasopresina de los mamíferos son secretados por el hipotálamo de los vertebrados (excepto en los peces Agnatha, que sólo producen uno). El péptido similar a la oxitocina suele ser la isotocina (la mayoría de los peces) o la mesotocina (anfibios, reptiles y aves). El segundo péptido es la vasotocina arginina, que se encuentra en todos los vertebrados no mamíferos, así como en los mamíferos fetales. Desde el punto de vista químico, la vasotocina es un híbrido de oxitocina y vasopresina, y parece tener las propiedades biológicas tanto de la oxitocina (que estimula la contracción de los músculos del tracto reproductivo, por lo que desempeña un papel en la puesta de huevos o el parto) como de la vasopresina (con propiedades diuréticas o antidiuréticas). Se desconocen las funciones de las sustancias similares a la oxitocina en los no mamíferos.

Las glándulas pituitarias de todos los vertebrados producen esencialmente las mismas hormonas trópicas: tirotropina (TSH), corticotropina (ACTH), melanotropina (MSH), prolactina (PRL), hormona del crecimiento (GH) y una o dos gonadotropinas (normalmente hormonas similares a la FSH y la LH). La producción y liberación de estas hormonas trópicas están controladas por neurohormonas procedentes del hipotálamo. Sin embargo, las células de los peces teleósteos están inervadas directamente. Por lo tanto, estos peces pueden depender de neurohormonas así como de neurotransmisores para estimular o inhibir la liberación de hormonas trópicas.

Entre los órganos diana que constituyen el eje hipotálamo-hipófisis-órgano diana se encuentran la tiroides, las glándulas suprarrenales y las gónadas. Sus funciones individuales se analizan a continuación.

El eje tiroideo

La tirotropina secretada por la hipófisis estimula la glándula tiroides para que libere hormonas tiroideas, que ayudan a regular el desarrollo, el crecimiento, el metabolismo y la reproducción. En los seres humanos, estas hormonas tiroideas se conocen como triyodotironina (T3) y tiroxina (T4). La evolución de la glándula tiroidea se puede rastrear en el desarrollo evolutivo de los invertebrados a los vertebrados. La glándula tiroidea evolucionó a partir de una glándula que atrapa el yoduro y segrega glicoproteínas de los protocordados (todos los miembros no vertebrados del filo Chordata). La capacidad de muchos invertebrados para concentrar el yoduro, un importante ingrediente de las hormonas tiroideas, se produce generalmente en la superficie del cuerpo. En los protocordados, esta capacidad de unir el yoduro a una glicoproteína y producir hormonas tiroideas se especializó en el endostilo, una glándula situada en la región faríngea de la cabeza. Cuando estas proteínas yodadas son ingeridas y descompuestas por las enzimas, se liberan los aminoácidos yodados conocidos como hormonas tiroideas. Las larvas de las lampreas vertebradas primitivas también tienen un endostilo como el de los protocordados. Cuando una larva de lamprea sufre la metamorfosis en una lamprea adulta, el endostilo se rompe en fragmentos. Los grupos resultantes de células del endostilo se diferencian en los folículos separados de la glándula tiroidea. Las hormonas tiroideas dirigen realmente la metamorfosis en las larvas de lampreas, peces óseos y anfibios. Los tiroides de los peces consisten en folículos dispersos en la región faríngea. En los tetrápodos y en unos pocos peces, el tiroides queda encapsulado por una capa de tejido conectivo.

El eje suprarrenal

Los ejes suprarrenales de los mamíferos y de los no mamíferos no están construidos de la misma manera. En los mamíferos, la corteza suprarrenal es una estructura separada que rodea la médula suprarrenal interna; la glándula suprarrenal está situada encima de los riñones. Dado que las células de la corteza suprarrenal y de la médula suprarrenal no forman estructuras separadas en los no mamíferos como lo hacen en los mamíferos, a menudo se denominan con términos diferentes; las células que corresponden a la corteza suprarrenal en los mamíferos se llaman células interrenales, y las células que corresponden a la médula suprarrenal se llaman células cromafines. En los no mamíferos primitivos las glándulas suprarrenales se denominan a veces glándulas interrenales.

En los peces las células interrenales y cromafines suelen estar incrustadas en los riñones, mientras que en los anfibios se distribuyen de forma difusa a lo largo de la superficie de los riñones. Los reptiles y las aves tienen glándulas suprarrenales diferenciadas, pero la relación anatómica es tal que a menudo la «corteza» y la «médula» no son unidades distintas. Bajo la influencia de la hormona adrenocorticotropina hipofisaria, las células interrenales producen esteroides (normalmente corticosterona en los tetrápodos y cortisol en los peces) que influyen en el equilibrio del sodio, el equilibrio del agua y el metabolismo.

El eje gonadal

Las gonadotropinas secretadas por la hipófisis son básicamente similares a la LH y/o a la FSH en sus acciones sobre las gónadas de los vertebrados. En general, las hormonas similares a la FSH promueven el desarrollo de óvulos y espermatozoides y las hormonas similares a la LH provocan la ovulación y la liberación de espermatozoides; ambos tipos de gonadotropinas estimulan la secreción de las hormonas esteroides (andrógenos, estrógenos y, en algunos casos, progesterona) de las gónadas. Estos esteroides producen efectos similares a los descritos para los humanos. Por ejemplo, la progesterona es esencial para la gestación normal en muchos peces, anfibios y reptiles en los que las crías se desarrollan en el tracto reproductivo de la madre y nacen vivas. Los andrógenos (a veces la testosterona, pero a menudo son más importantes otros esteroides) y los estrógenos (normalmente el estradiol) influyen en las características y el comportamiento de los machos y las hembras.

Control de la pigmentación

La melanotropina (hormona estimulante de los melanocitos o MSH) segregada por la hipófisis regula las células en forma de estrella que contienen grandes cantidades del pigmento oscuro melanina (melanóforos), especialmente en la piel de los anfibios, así como en algunos peces y reptiles. Al parecer, la luz reflejada en la superficie estimula los fotorreceptores, que envían información al cerebro y a su vez al hipotálamo. La melanotropina hipofisaria hace entonces que el pigmento de los melanóforos se disperse y la piel se oscurezca, a veces de forma drástica. Al liberar más o menos melanotropina, un animal es capaz de adaptar su coloración a su entorno.

Hormona del crecimiento y prolactina

Las funciones de la hormona del crecimiento y de la prolactina segregadas por la hipófisis se solapan considerablemente, aunque la prolactina suele regular el equilibrio hídrico y salino, mientras que la hormona del crecimiento influye principalmente en el metabolismo de las proteínas y, por tanto, en el crecimiento. La prolactina permite a los peces migratorios, como el salmón, adaptarse del agua salada al agua dulce. En los anfibios, la prolactina se ha descrito como una hormona de crecimiento larvario, y también puede impedir la metamorfosis de la larva en adulto. El comportamiento de búsqueda de agua (el llamado impulso de agua) de los anfibios adultos, observado a menudo antes de la cría en estanques, también está controlado por la prolactina. La producción de una secreción rica en proteínas por parte de la piel del pez disco (llamada «leche de disco») que se utiliza para alimentar a las crías es causada por una hormona similar a la prolactina. Del mismo modo, la prolactina estimula las secreciones del saco del buche de las palomas (leche «de paloma» o «de buche»), que sirven para alimentar a las crías recién nacidas. Esta acción recuerda a la de la prolactina en la glándula mamaria de los mamíferos lactantes. La prolactina también parece estar implicada en la diferenciación y función de muchas estructuras sexuales accesorias en los no mamíferos, y en la estimulación de la glándula prostática de los mamíferos. Por ejemplo, la prolactina estimula las glándulas cloacales responsables de las secreciones reproductivas especiales. La prolactina también influye en las características sexuales externas, como las almohadillas nupciales (para sujetar a la hembra) y la altura de la cola en las salamandras macho.