Hypotalamus-hypofysens målorganaxel är likartad hos alla ryggradsdjur. Det hypotalamiska neurosekretoriska systemet är dåligt utvecklat hos det mest primitiva av de levande Agnatha-kotkropparna, hagfiskarna, men alla grundläggande rudiment finns hos de närbesläktade nejonögonen. Hos de flesta av de mer avancerade fiskarna med käkar finns det flera välutvecklade neurosekretoriska centra (kärnor) i hypotalamus som producerar neurohormoner. Dessa centra blir tydligare definierade och ökar i antal distinkta kärnor när amfibier och reptiler undersöks, och de är lika omfattande hos fåglar som hos däggdjur. Några av samma neurohormoner som finns hos människor har identifierats hos icke-däggdjur, och dessa neurohormoner ger liknande effekter på hypofysens celler som beskrivs ovan för däggdjur.

Två eller fler neurohormonella peptider med kemiska och biologiska egenskaper som liknar däggdjurens oxytocin och vasopressin utsöndras av ryggradsdjurens hypothalamus (utom hos Agnatha-fiskar, som bara producerar en). Den oxytocinliknande peptiden är vanligtvis isotocin (de flesta fiskar) eller mesotocin (amfibier, reptiler och fåglar). Den andra peptiden är arginin vasotocin, som finns i alla ryggradsdjur som inte är däggdjur samt i däggdjursfoster. Kemiskt sett är vasotocin en hybrid av oxytocin och vasopressin, och det verkar ha biologiska egenskaper hos både oxytocin (som stimulerar sammandragning av musklerna i fortplantningsorganet och därmed spelar en roll vid äggläggning eller födsel) och vasopressin (med antingen diuretiska eller antidiuretiska egenskaper). Funktionerna hos de oxytocinliknande ämnena hos icke-däggdjur är okända.

Hypofysen hos alla ryggradsdjur producerar i stort sett samma tropiska hormoner: tyrotropin (TSH), kortikotropin (ACTH), melanotropin (MSH), prolaktin (PRL), tillväxthormon (GH) och ett eller två gonadotropiner (vanligen FSH-liknande och LH-liknande hormoner). Produktionen och frisättningen av dessa tropiska hormoner styrs av neurohormoner från hypotalamus. Cellerna hos teleostfiskar är dock direkt innerverade. Därför kan dessa fiskar vara beroende av neurohormoner samt neurotransmittorer för att stimulera eller hämma frisättningen av tropiska hormoner.

Av de målorgan som utgör hypotalamus-hypofys-målorgan-axeln är sköldkörteln, binjurarna och könskörtlarna. Deras individuella roller diskuteras nedan.

Sköldkörtelaxeln

Thyrotropin som utsöndras av hypofysen stimulerar sköldkörteln att frisätta sköldkörtelhormoner, som bidrar till att reglera utveckling, tillväxt, ämnesomsättning och reproduktion. Hos människor är dessa sköldkörtelhormoner kända som trijodtyronin (T3) och tyroxin (T4). Utvecklingen av sköldkörteln kan spåras i den evolutionära utvecklingen från ryggradslösa djur till ryggradsdjur. Sköldkörteln utvecklades från en jodidfångande, glykoproteinutsöndrande körtel hos protochordaterna (alla icke ryggradslösa medlemmar av fylum Chordata). Många ryggradslösa djurs förmåga att koncentrera jodid, en viktig beståndsdel i sköldkörtelhormoner, finns i allmänhet på kroppens yta. Hos protochordaterna har denna förmåga att binda jodid till ett glykoprotein och producera sköldkörtelhormoner specialiserats i endostyle, en körtel som ligger i huvudets svalgregion. När dessa jodhaltiga proteiner sväljs och bryts ner av enzymer frigörs de jodhaltiga aminosyror som kallas sköldkörtelhormoner. Larver av primitiva ryggradslösa nejonögon har också en endostyle som hos protochordaterna. När en nejonögonlarv genomgår metamorfos till en vuxen nejonögon bryts endostyle i fragment. De resulterande klumparna av endostyleceller differentieras till de separata folliklarna i sköldkörteln. Sköldkörtelhormoner styr faktiskt metamorfosen hos larver av nejonögon, benfiskar och amfibier. Sköldkörteln hos fiskar består av spridda folliklar i svalgregionen. Hos tetrapoder och ett fåtal fiskar blir sköldkörteln inkapslad av ett lager bindväv.

Binjureaxeln

Binjureaxlarna hos däggdjur och hos icke-däggdjur är inte uppbyggda enligt samma linjer. Hos däggdjur är binjurebarken en separat struktur som omger det inre binjuremärket; binjurekörteln ligger ovanpå njurarna. Eftersom cellerna i binjurebarken och binjuremärgen inte bildar separata strukturer hos icke-däggdjur på samma sätt som hos däggdjur kallas de ofta för olika benämningar; de celler som motsvarar binjurebarken hos däggdjur kallas interrenala celler, och de celler som motsvarar binjuremärgen kallas kromaffinceller. Hos primitiva icke-däggdjur kallas binjurarna ibland för interrenala körtlar.

I fiskar är de interrenala och kromaffincellerna ofta inbäddade i njurarna, medan de hos amfibier är diffust fördelade längs njurarnas yta. Reptiler och fåglar har diskreta binjurar, men det anatomiska förhållandet är sådant att ”cortex” och ”medulla” ofta inte är skilda enheter. Under påverkan av hypofysens adrenokortikotropinhormon producerar binjurecellerna steroider (vanligen kortikosteron hos tetrapoder och kortisol hos fiskar) som påverkar natriumbalansen, vattenbalansen och ämnesomsättningen.

Gonadalaxeln

Gonadotropiner som utsöndras av hypofysen är i princip LH- och/eller FSH-liknande när det gäller deras verkan på ryggradsdjurens gonader. I allmänhet främjar de FSH-liknande hormonerna utvecklingen av ägg och spermier och de LH-liknande hormonerna orsakar ägglossning och frisättning av spermier; båda typerna av gonadotropiner stimulerar utsöndringen av steroidhormoner (androgener, östrogener och, i vissa fall, progesteron) från könskörtlarna. Dessa steroider ger effekter som liknar dem som beskrivs för människor. Progesteron är till exempel viktigt för normal dräktighet hos många fiskar, amfibier och reptiler där ungarna utvecklas i moderns reproduktionsorgan och föds levande. Androgener (ibland testosteron, men ofta är andra steroider viktigare) och östrogener (vanligtvis östradiol) påverkar manliga och kvinnliga egenskaper och beteenden.

Kontroll av pigmentering

Melanotropin (melanocyt-stimulerande hormon, eller MSH) som utsöndras av hypofysen reglerar de stjärnformade celler som innehåller stora mängder av det mörka pigmentet melanin (melanophorer), särskilt i huden hos amfibier samt hos vissa fiskar och reptiler. Uppenbarligen stimulerar ljus som reflekteras från ytan fotoreceptorer som skickar information till hjärnan och i sin tur till hypotalamus. Hypofysens melanotropin orsakar då att pigmentet i melanophorerna sprids och att huden blir mörkare, ibland ganska dramatiskt. Genom att frisätta mer eller mindre melanotropin kan ett djur anpassa sin färg till sin bakgrund.

Tillväxthormon och prolaktin

Funktionerna hos tillväxthormon och prolaktin som utsöndras av hypofysen överlappar varandra avsevärt, även om prolaktin vanligen reglerar vatten- och saltbalansen, medan tillväxthormon i första hand påverkar proteinmetabolismen och därmed tillväxten. Prolaktin gör det möjligt för vandringsfiskar som lax att anpassa sig från saltvatten till sötvatten. Hos amfibier har prolaktin beskrivits som ett tillväxthormon för larver, och det kan också förhindra metamorfos från larv till vuxen. Det vattensökande beteendet (den så kallade vattendriften) hos vuxna amfibier som ofta observeras före häckning i dammar styrs också av prolaktin. Produktionen av ett proteinrikt sekret från diskusfiskens hud (kallat ”diskusmjölk”) som används för att ge näring åt unga avkommor orsakas av ett prolaktinliknande hormon. På samma sätt stimulerar prolaktin sekret från duvornas säck (duv- eller säckmjölk), som ges till nykläckta ungar. Denna verkan påminner om prolaktins verkan på bröstkörteln hos ammande däggdjur. Prolaktin verkar också vara involverat i differentieringen och funktionen av många könstillbehör hos icke-däggdjur och i stimuleringen av prostatakörteln hos däggdjur. Prolaktin stimulerar till exempel kloakkörtlar som ansvarar för särskilda reproduktionssekret. Prolaktin påverkar också yttre sexuella kännetecken som t.ex. brudkuddar (för att hålla fast honan) och svansens höjd hos hanar av salamandrar.