Axa hipotalamo-hipofizară-organe-țintă a tuturor vertebratelor este similară. Sistemul neurosecretor hipotalamic este slab dezvoltat la cea mai primitivă dintre vertebratele Agnatha în viață, peștele hagiu, dar toate rudimentele de bază sunt prezente la lampiridele înrudite îndeaproape. La majoritatea peștilor cu fălci mai avansate există mai mulți centri neurosecretorii (nuclei) bine dezvoltați în hipotalamus care produc neurohormoni. Acești centri devin mai clar definiți și își măresc numărul de nuclei distincți pe măsură ce sunt examinați amfibienii și reptilele, iar la păsări sunt la fel de extinse ca la mamifere. Unii dintre aceiași neurohormoni care se găsesc la om au fost identificați la nemamifere, iar acești neurohormoni produc efecte similare asupra celulelor hipofizei, așa cum au fost descrise mai sus pentru mamifere.

Două sau mai multe peptide neurohormonale cu proprietăți chimice și biologice similare cu cele ale oxitocinei și vasopresinei de la mamifere sunt secretate de hipotalamusul vertebratelor (cu excepția peștilor Agnatha, care produc doar una singură). Peptida asemănătoare oxitocinei este de obicei izotocina (majoritatea peștilor) sau mezotocina (amfibieni, reptile și păsări). Cea de-a doua peptidă este vasotocina arginină, care se găsește la toate vertebratele nemamifere, precum și la mamiferele fetale. Din punct de vedere chimic, vasotocina este un hibrid de oxitocină și vasopresină și pare să aibă proprietățile biologice atât ale oxitocinei (care stimulează contracția mușchilor tractului reproducător, jucând astfel un rol în depunerea ouălor sau în naștere), cât și ale vasopresinei (cu proprietăți diuretice sau antidiuretice). Funcțiile substanțelor asemănătoare oxitocinei la nemamifere sunt necunoscute.

Glandele hipofizare ale tuturor vertebratelor produc, în esență, aceiași hormoni tropici: tirotropina (TSH), corticotropina (ACTH), melanotropina (MSH), prolactina (PRL), hormonul de creștere (GH) și una sau două gonadotropine (de obicei hormoni asemănători FSH și LH). Producția și eliberarea acestor hormoni tropici sunt controlate de neurohormoni din hipotalamus. Cu toate acestea, celulele peștilor teleostești sunt inervate direct. Astfel, acești pești se pot baza pe neurohormoni, precum și pe neurotransmițători pentru stimularea sau inhibarea eliberării de hormoni tropici.

Printre organele țintă care constituie axa hipotalamo-hipofizară-organe țintă se numără tiroida, glandele suprarenale și gonadele. Rolurile lor individuale sunt discutate mai jos.

Axa tiroidiană

Tirotropina secretată de hipofiză stimulează glanda tiroidă să elibereze hormoni tiroidieni, care ajută la reglarea dezvoltării, creșterii, metabolismului și reproducerii. La om, acești hormoni tiroidieni sunt cunoscuți sub numele de triiodotironină (T3) și tiroxină (T4). Evoluția glandei tiroide poate fi urmărită în dezvoltarea evolutivă de la nevertebrate la vertebrate. Glanda tiroidă a evoluat pornind de la o glandă secretoare de glicoproteine, care captează iodură, a protocordatelor (toți membrii nevertebrați ai phylum Chordata). Capacitatea multor nevertebrate de a concentra iodură, un ingredient important al hormonilor tiroidieni, se manifestă în general pe suprafața corpului. La protocordate, această capacitate de a lega iodura de o glicoproteină și de a produce hormoni tiroidieni s-a specializat în endostyle, o glandă situată în regiunea faringiană a capului. Atunci când aceste proteine iodate sunt înghițite și descompuse de enzime, sunt eliberați aminoacizii iodați cunoscuți sub numele de hormoni tiroidieni. Larvele de lamprei vertebrate primitive au, de asemenea, un endostil ca cel al protocordatelor. Atunci când o larvă de lamprei suferă metamorfoza în lamprei adulți, endostyle-ul se rupe în fragmente. Grupurile de celule endostyle rezultate se diferențiază în foliculii separați ai glandei tiroide. Hormonii tiroidieni dirijează de fapt metamorfoza la larvele de lamprei, pești osoși și amfibieni. Tiroidele peștilor constau în foliculi împrăștiați în regiunea faringiană. La tetrapode și la câțiva pești, tiroida devine încapsulată de un strat de țesut conjunctiv.

Axa suprarenalei

Axele suprarenale la mamifere și la nemamifere nu sunt construite după aceleași linii. La mamifere, cortexul suprarenal este o structură separată care înconjoară medula suprarenală internă; glanda suprarenală este situată deasupra rinichilor. Deoarece celulele cortexului suprarenal și ale măduvei suprarenale nu formează structuri separate la non-mamifere, așa cum o fac la mamifere, acestea sunt adesea denumite în termeni diferiți; celulele care corespund cortexului suprarenal la mamifere se numesc celule interrenale, iar celulele care corespund măduvei suprarenale se numesc celule cromafine. La nemamiferele primitive, glandele suprarenale se numesc uneori glande interrenale.

La pești, celulele interrenale și cromafine sunt adesea înglobate în rinichi, în timp ce la amfibieni ele sunt distribuite difuz de-a lungul suprafeței rinichilor. Reptilele și păsările au glande suprarenale discrete, dar relația anatomică este de așa natură încât adesea „cortexul” și „medulla” nu sunt unități distincte. Sub influența hormonului hipofizar adrenocorticotropină, celulele interrenale produc steroizi (de obicei corticosteron la tetrapode și cortizol la pești) care influențează echilibrul sodiului, echilibrul apei și metabolismul.

Axa gonadică

Gonadotropinele secretate de hipofiză sunt în principiu asemănătoare LH și/sau FSH în acțiunile lor asupra gonadelor vertebrate. În general, hormonii asemănători FSH promovează dezvoltarea ovulelor și a spermatozoizilor, iar hormonii asemănători LH determină ovulația și eliberarea spermatozoizilor; ambele tipuri de gonadotropine stimulează secreția de hormoni steroizi (androgeni, estrogeni și, în unele cazuri, progesteron) din gonade. Acești steroizi produc efecte similare cu cele descrise în cazul oamenilor. De exemplu, progesteronul este esențial pentru gestația normală la mulți pești, amfibieni și reptile, în care puii se dezvoltă în tractul reproducător al mamei și sunt născuți vii. Androgenii (uneori testosteronul, dar adesea alți steroizi sunt mai importanți) și estrogenii (de obicei estradiolul) influențează caracteristicile și comportamentul masculilor și femelelor.

Controlul pigmentării

Melanotropina (hormonul de stimulare a melanocitelor, sau MSH) secretată de hipofiză reglează celulele în formă de stea care conțin cantități mari de pigment întunecat melanină (melanofori), în special în pielea amfibienilor, precum și la unii pești și reptile. Aparent, lumina reflectată de la suprafață stimulează fotoreceptorii, care trimit informații la creier și, la rândul lor, la hipotalamus. Melanotropina hipofizară determină apoi pigmentul din melanofori să se disperseze și pielea să se întunece, uneori în mod dramatic. Prin eliberarea unei cantități mai mari sau mai mici de melanotropină, un animal este capabil să-și adapteze coloritul la mediul în care trăiește.

Hormonul de creștere și prolactina

Funcțiile hormonului de creștere și ale prolactinei secretate de hipofiză se suprapun considerabil, deși prolactina reglează de obicei echilibrul apei și al sării, în timp ce hormonul de creștere influențează în primul rând metabolismul proteic și, prin urmare, creșterea. Prolactina permite peștilor migratori, cum ar fi somonul, să se adapteze de la apa sărată la apa dulce. La amfibieni, prolactina a fost descrisă ca un hormon de creștere a larvelor și poate, de asemenea, să împiedice metamorfoza larvei în adult. Comportamentul de căutare a apei (așa-numitul „water drive”) al amfibienilor adulți, observat adesea înainte de reproducere în iazuri, este, de asemenea, controlat de prolactină. Producerea unei secreții bogate în proteine de către pielea peștelui discus (numită „lapte de discus”), care este folosită pentru a hrăni puii, este cauzată de un hormon asemănător prolactinei. În mod similar, prolactina stimulează secrețiile din sacul de recoltă al porumbeilor (laptele „de porumbel” sau „de recoltă”), care sunt hrănite de puii abia ieșiți din ouă. Această acțiune amintește de acțiunea prolactinei asupra glandei mamare a mamiferelor care alăptează. Prolactina pare să fie, de asemenea, implicată în diferențierea și funcționarea multor structuri accesorii sexuale la nemamifere și în stimularea prostatei mamiferelor. De exemplu, prolactina stimulează glandele cloacale responsabile de secrețiile reproductive speciale. Prolactina influențează, de asemenea, caracteristicile sexuale externe, cum ar fi tampoanele nupțiale (pentru încleștarea femelei) și înălțimea cozii la salamandrele masculi.